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【技術干貨】 全通濾波器(all pass filter)

全通濾波器是一種電子濾波器,所有的頻率都能相等地通過,但改變了不同頻率之間的相位關系。它通過根據頻率改變傳播延時實現的。一般來說,這種濾波器被描述為在某個頻率相位偏移90°
全通濾波器不同于電子延時,因為:
-電子延時對所有頻率引入了相同數量的延時 (純延時)
-全通只對一個有限的頻率范圍引入延時。
-全通延時對于有限的頻率范圍內不是均等的,但改變了每個頻率(群延時)
正如簡單的HPF和LPF(如Butterworth 和Linkwitz-Riley)的階數是以6dB/倍頻程分類:
1 st order =6dB/octave, 在截止頻率相位偏移45°
2 nd order =12dB/octave, 在截止頻率相位偏移90°
3 rd order =18dB/octave, 在截止頻率相位偏移135°
4 th order=24dB/octave, 在截止頻率相位偏移180°
全通濾波器是以相位偏移90°的階數來分類的。
1 st order = 90° 全通頻率相位偏移。
2 nd order = 180° 全通頻率相位偏移。
一階全通濾波器在1kHz:
-在20 kHz將不會產生相位偏移
-在1 kHz將產生90°相位偏移
-在20 Hz將產生180°相位偏移

一階全通濾波器@ 1kHz(90°@ 1 kHz)


 
圖片顯示,一階全通濾波器在較低頻率范圍去偏極

二階全通濾波器在1KHz。
-在20 kHz將不會產生相位偏移。
-在1 kHz將產生180°相位偏移。
-在20 Hz將不會產生相位偏移。
 
二階全通濾波器@ 1kHz(180° @ 1kHz)
圖片顯示,二階全通濾波器在較低的頻率范圍保持相同的極性。

全通濾波器的一個額外參數是帶寬或“Q”(一階90°或二階180°的相位偏移影響的頻率范圍)。
帶寬越大(或Q越低),將會有更多的頻率相位偏移變化。
帶寬越小(或Q越高),將會有更少的頻率相位偏移變化。
Galileo每個通道包含4個全通濾波器(二階)。
可編輯的參數有頻率和Q。


這樣做的原因是為了減少不同的揚聲器系統結合時相位的差異。
當相位差在120°- 180°之間,結合后的結果是損失能量。
但當相位差小于120°,結合后的結果是產生額外的能量。
接下來的一系列圖形展示了一個實際問題例子和一個實現解決方案:
綠色線是系統A
紅色線是系統B
系統B表現出更多的相移,從250 Hz到500 Hz的頻率范圍之間相位差在150°- 180°



系統A和系統B結合后的響應顯示了從250 Hz到500 Hz的頻率范圍之間能量損失了(在300 Hz損失最大)


綠色線是系統A
紅色線是系統B
藍色線是電子通道(不處理)



綠色線是系統A
紅色線是系統B
藍色線是在287 Hz使用了一個Q值為1的二階全通濾波器的電子通道(這樣可以改變系統A的相位來“匹配”系統B的相位)



綠色線是系統A
紅色線是系統B
藍色線是使用全通濾波器后的系統A(注意,藍色線和紅色線的相位響應非常相似)



棕色線是使用全通濾波器后的系統A
紅色線是系統B
藍色線是系統A(經全通濾波器)和系統B的結合響應



藍色線是系統A(經全通濾波器)和系統B的結合響應
棕色線是系統A(沒經全通濾波器)和系統B的結合響應
注意每個系統相位響應匹配,結合響應會有很大的改善



 
注:本文譯自國際品牌擴聲技術手冊。


 

【技術干貨】如何看懂音箱的指向性

       指向性在規定頻率范圍內,揚聲器偏離正面軸向時的頻率響應相對于正面軸向頻率響應的變化特性,也是揚聲器(音箱)輻射的聲壓隨方向不同而變化的特性。
       在音響領域中,音箱的指向性定義為角度關系,即聲壓級相對于中軸線衰減6dB時來定義音箱的覆蓋角度,國際上稱為-6dB角。因此,指向性也稱為覆蓋范圍。依次方法,例如某只音箱在中軸線上(參考頻率是2000Hz)測得的聲壓級是96dB,那么音箱水平(垂直)偏離中軸線左右(上下)處測得聲壓級是90dB,我們可以測量出偏離中軸線(左右)處的夾角是40度,這樣我們可以定義音箱的水平覆蓋角是80度。

請看示意圖


       指向性是揚聲器(音箱)在空間各個方向的頻率響應。它是從空間的角度描述了音箱在參考軸上以外的空間的頻率響應情況。之前討論的頻率響應曲線是音箱的頻域特性,現在指向性可以說是音箱的空間特性。
       指向性是隨頻率變化而變化的,一般頻率越高,指向性越強;反之亦然。
       指向性的一種圖示方法,叫極坐標圖(polar plot)
 
       我們來看某品牌音箱對稱結構的水平和垂直指向性:

水平指向性

 






垂直指向性














非對稱結構的指向性
(國際知名品牌)



       非對稱結構的指向性從圖可以看出,聲壓的覆蓋是不均勻的。
       由于極坐標圖數據的理解很容易混淆,也因為聲壓圖的解釋需要很多圖,所以可以用另一種圖表示,我們稱為波束寬(Beamwidth
       以下是某國際知名品牌音箱的指向性,用波束寬圖表示




       這樣表示簡單清晰,可以看出水平和垂直角度都在90度,
       我們可以看他們給的產品資料驗證:



       該音箱的資料顯示水平和垂直角度都是90度。
       其實還有更簡單的一種表示方法,等壓分布圖
       我們看某知名品牌的音箱指向性,如下圖



       根據-6dB角定義,從分布圖可以看出這音箱的水平角應該是70度左右,我們可以看該音箱的產品資料驗證



       該音箱的水平角度是75度。
       根據聲學原理,在低頻段,喇叭單元所輻射聲波的波長遠大于喇叭單元振膜的邊長,此時的聲輻射沒有明顯的指向性。但是隨著頻率的上升,當喇叭單元所輻射聲波的波長等于或小于喇叭單元振膜的邊長時,聲輻射就會沿著參考軸方向產生聚焦現象輻射聲壓產生明顯的方向性,在聽音空間產生不均勻現象,使得主觀聽音效果受到嚴重的影響。因此,不難知道,每一個喇叭單元都會受到自身尺寸所規定的實用邊界頻率的限制。喇叭單元的振膜面積越大,它的實用邊界頻率就越低。
       目前流行的線陣列音箱,它的水平角度是恒定角度,垂直角度非常窄(指向性非常強),所以可以通過調整音箱的夾角來控制音箱在實際場地的垂直覆蓋(也就是前后覆蓋),使聲場的均勻度可以得到改善。
       本文分享到此,小伙伴們看懂了嗎?
 
以上音箱指向性圖片來自各大知名音響品牌網站提供的數據。



【技術干貨】音箱的最大聲壓級和什么有關系?

       音箱的最大聲壓級:是指給音箱輸入最大額定功率,在距離音箱正前方中軸線1米的位置上測得的聲壓級
       最大聲壓級SPLmax=音箱的靈敏度+10LP音箱/Pref音箱的靈敏度就是在1米處給音箱輸入1瓦的功率得到的聲壓級
       Lg是以10為底的對數函數符號
       P音箱代表音箱的額定功率
       Pref代表參考功率1瓦
       由此可得,音箱的最大聲壓級是在1米的位置得到的。還有影響音箱的最大聲壓級的兩個因素是音箱的靈敏度和音箱的額定功率。
       接下來……我們來做個數學題。
        假設有一只音箱的靈敏度是100dB,我們先輸入1瓦的功率得到的。聲壓級是:根據SPLmax=音箱的靈敏度+10LP音箱/Pref,可得到100dB。任何一個不等于零的數的零次冪都等于1。因此,1的對數永遠是0。接下來如果我們輸入2瓦的功率得到聲壓級是:同樣根據
        SPLmax=音箱的靈敏度+10Lg P音箱/Pref
                 =100+10Lg P音箱/Pref
                 =100+10Lg 2/1
                 =100+10×0.301
                 =100+3.01
                 ≈103
        可得到103dB
        如果我們輸入4瓦的功率得到的聲壓級是:我可以很肯定的告訴你是106dB。因此可以驗證我們之前在“音箱靈敏度”這編文章提到的,對于同一只音箱,輸入的功率增加一倍,聲壓級增加3dB。
       現在假設有一只音箱的靈敏度99dB,額定功率是800瓦(AES),峰值功率是3200瓦。我們可以通過SPLmax=音箱的靈敏度+10Lg P音箱/Pref來計算出音箱的理論最大聲壓級。根據SPLmax=音箱的靈敏度+10Lg P音箱/Pref可得出音箱的連續最大聲壓級是128.03dB,峰值最大聲壓級是134.05dB。
       那么實際的最大聲壓級呢?
       這個是可以通過實驗來測試得到的,由于該實驗最好是消聲室空間(考慮是會影響人耳聽力或者擾民),而且最大聲壓級實驗是破壞性實驗(可能燒壞單元,或者做完實驗之后該音箱不能當作新產品使用了)。實際測試的最大聲壓級,有可能會比理論計算還要大,為什么?因為我們給音箱標準靈敏度時是以平均值,但是音箱頻率響應曲線是有峰谷波動的,請看VA品牌MU15的頻率響應曲線:

 

       從圖片可以看到光標虛線的X軸位置是在1148.846Hz,Y軸的刻度是在103.004dB,如果我們給音箱輸入最大不失真的電壓,然后拿聲壓計測試,聲壓計肯定是以某頻點的最大聲壓顯示在聲壓計,這時候的最大聲壓級肯定是比理論值大。因為我們的產品資料中靈敏度只給了平均值101dB。


 
       討論至此,回歸題目。音箱的最大聲壓級和什么有關系?大家應該知道了吧。cool

【技術干貨】音箱的頻率響應有什么用?

頻率響應:
       在恒定電壓作用下,參考軸線上距離揚聲器(俗稱音箱)一定距離處,音箱所輻射的聲壓級隨頻率變化的特性。頻率響應一般是記錄在以對數頻率刻度為橫坐標的圖上,即頻率響應曲線。國際上通用的音箱頻率響應定義曲線變化的峰谷相差6dB(也就是±3dB)作為揚聲器的頻率響應曲線。
頻率范圍:
       揚聲器重放音頻時可以利用的頻率范圍。它由揚聲器的上下限頻率確定,在我國,國家規定在頻響曲線上靈敏度最大值下一個倍頻程或是廠家規定的更寬范圍內的平均聲壓級再下降10dB,畫一條平行于橫坐標的直線,它與頻響曲線兩端的交點對應的兩個頻率即為上下限頻率。有效頻帶越寬且不均勻度越小,揚聲器的性能也就越好。
接下來看一張頻率響應圖

±12dB圖片(01)


噢……簡直太完美了,但是你是否注意到了,Y軸刻度是每大格12dB。你被騙了,事實真相是這樣的。

±6dB圖片(02)



這是同一只音箱的曲線,你沒看錯吧。

±3dB圖片(03)


怎么可能,這音箱的曲線太差了。是的,這就是音箱的實際頻率響應曲線。你有見過頻率響應曲線幾乎像一條直線的嗎?接下來就是見證奇跡的時刻。
SMAART 7實際測試圖

±12dB圖片(04)


±6dB圖片(05)



±3dB圖片(06)


       其實展示那么多實際測試的圖片,是想讓大家知道怎樣去判斷,好的音箱頻率響應曲線應該是什么樣子。那么問題來了,頻率響應越平滑,音箱重放音樂就越好聽嗎?不一定還要看喇叭單元的材料等等……
       反過來再問一次,重放音樂比較好聽的音箱,它的頻率響應曲線是否相對比較平滑?答案是肯定的!在專業音響中,我們總希望一只喇叭單元還原的頻率可以達到20-20kHz,你覺得可能嗎?




 

【技術干貨】音箱,你究竟有幾個功率

       過去很長一段時間我國各揚聲器制造廠家對輸入揚聲器的功率都采用“標準功率”的數值,在這個功率上規定了諧波失真是在饋給揚聲器標準功率的恒定電壓下測試的,所測得的非線性失真系數不應超過給定揚聲器的規定值。因為標準功率是由失真值的大小確定的,失真值又不能超過一定的要求,所以標準功率都定得比較小,通常是低于其它類型功率的。長期接觸標準功率的讀者難怪會覺得國產揚聲器標出的承受功率比國外揚聲器低得多。
       揚聲器的功率(或稱揚聲器最大承受的電壓)是一項重要技術參數,它代表揚聲器承受長期連續安全工作的功率輸入能力,了解揚聲器的功率處理能力,首先必須懂得揚聲器驅動器是如何損壞的,驅動器的損壞模式常見的有三種:
       第一種是音圈過熱損壞(音圈燒毀,過熱變形,開膠散圈,匝間擊穿等),
       第二種是驅動器的振膜位移量超過極限值,使揚聲器的錐形振膜或其周圍的彈性部件損壞,通常發生在含有很多大振幅的低頻信號。
       第三種類似第二種,是由于從振膜到接線端子的引線過短或質量太差,在大幅度的振動時,引線斷開。
       為了消除揚聲器的不同類型功率在定義上的混亂,國際電工委員會(International Electrotechnical Commission,縮寫 IEC)頒發了《電聲器件揚聲器》標準,提出了所有到會國家一致采用的下面幾種揚聲器功率:最大噪聲功率(額定噪聲功率)、最大正弦功率、長期功率(額定長期最大功率)和短期功率等,這些功率指標均與失真無關,現分別作簡要介紹:

額定噪聲功率(Rated Noise Power)
       其定義為:連續向揚聲器輸入模擬噪聲信號(將粉紅噪聲經過帶通濾波和限幅后的信號),在100小時內連續工作沒有過熱和機械損傷,這個功率就稱為揚聲器的額定噪聲功率。該功率的大小與失真度無關,所以通常比前述的標稱功率大1.5至3倍左右。目前國內外廠家生產的揚聲器,銘牌上的標志最常見的就是這個功率。人們進行音響系統設計以及揚聲器與放大器的匹配時也都采用這個功率。額定噪聲功率還有其它名稱,如最大噪聲功率(Maximum Noise Power)、連續粉紅噪聲功率(Continuous Pink Noise Power)或簡稱為連續功率、噪聲功率等,其含義是相同的。

額定最大正弦功率(Maximum Sinusoidal power)
       亦稱為連續正弦波功率(Continuous Sine Wave Power)或均方根(RMS)功率:這是一種在給定頻段送入單頻率的連續正弦信號,連續工作一小時,在此功率下揚聲器音圈振動不應產生打底聲,揚聲器沒有過熱損壞和機械損傷。由于該功率不受給定的非線性失真的限制,所以該項功率也是高于標準功率的。

長期功率(Long-Term Power,亦稱為額定長期最大率)
       這是一種在給定頻帶內專門規定的噪聲信號功率。揚聲器承受此功率在1分鐘內不會引起永久性的機械損傷(每兩分鐘時間間隔試驗重復10次)。這項功率比前面提到的額定噪聲功率又要大許多。

短期功率(Short-Term Power,稱為額定短期最大功率)
       也是一種專門的噪聲功率,這種噪聲信號的類型與確定最大噪聲功率相似,其定義為揚聲器工作1秒鐘,停60分鐘,重復60次,在承受此功率過程中不會引起永久性的機械損傷。該項功率是所有命名功率中標值最大的。通常比標稱功率大8—10倍。有些廠家稱之為峰值功率(Peak Power) 。

音樂功率(Music Power)又稱為節目功率(Program Power)
       取決于使揚聲器承受250HZ以下短期正弦信號的能力,聽起來沒有明顯失真,也沒有永久性機械損傷。這個功率值既考慮揚聲器所產生的失真值,又考慮揚聲器的永久性機械損傷值,是德國標準DIN所采用的。

EIA RS—426標準
        美國電子工業協會(Electronic Industries Association、縮寫EIA),在EIA RS—4264標準中規定,將一特別的測試噪聲信號加至揚聲器該噪聲信號的頻譜分布較為接近實際的節目信號,并且要在揚聲器上持續8小時之久,還要求被測揚聲器能承受比此噪聲功率高四倍的瞬態峰值。顯然,這對揚聲器的機械結構和熱性能是很嚴格的考驗。這樣測試而得出的數值可能要低于采用正弦波法所得到的數值,但按此數值與功率放大器相配合則不易毀壞揚聲器系統。美國EV公司的產品就采用EIARS—426作為測試揚聲器功率承受能力的標準方法,并將其能承受8小時的功率稱為“長時間平均功率”,或“噪聲功率”,而將視于該功率的功率稱為“瞬時功率”。

AES功率
       美國聲頻工程協會(Audio Engineering Society,縮寫AES)的標準規定,是把喇叭裝入箱體,用粉紅噪聲信號(峰值因子為6dB),接通功率放大器,然后送給音箱,放大器輸出端(音箱輸入端)接毫伏表,按照喇叭的標稱功率,計算一下滿功率的時候喇叭承受的電壓值(比如8歐姆400W標稱功率的喇叭,滿功率時兩端電壓為56.57伏),開機后,逐漸加大輸入信號,等毫伏表讀數等于喇叭額定輸入電壓值的時候,保持這個狀態工作2小時,然后把喇叭拿去測試各項指標和測試前差別不超過10%,那么這個喇叭的標稱功率就符合AES功率標準。這個功率稱為“額定輸入功率(AES)”或“連續粉紅噪聲功率(AES)”。 目前AES功率被大多數廠商采用。

       可見,不同的測試標準,揚聲器的標稱功率也不同。
       常見音箱的功率表示方法:連續長期或額定功率(AES)節目或音樂功率(AES功率的2倍)峰值或瞬時功率(AES功率的4倍)
       那么問題來了……例如以下的哪一個音箱的功率最大?音箱甲:400瓦 8歐姆(AES),音箱乙:500瓦 8歐姆(Program),音箱丙:600瓦 8歐姆(Peak)。這么說,肯定阿丙的功率是最大了?
       但是為了公平起見,我們必須把他們放在同一條件下比較,因為:音箱甲:400瓦 8歐姆(AES),相當于800瓦(Program);音箱乙:500瓦 8歐姆(Program),相當于500瓦(Program);音箱丙:600瓦 8歐姆(Peak),相當于300瓦(Program)。
        現在真相大白了,音箱甲功率才是最大的。

以上功率的部分定義來自網絡。



 

【技術干貨】音箱的靈敏度是這樣的

靈敏度(sensitivity):在全自由空間中,給揚聲器(俗稱音箱)輸入端輸入1瓦功率的正弦信號時,在距離揚聲器(音箱)正面垂直中軸線1米的位置所測得的聲壓級稱為音箱的靈敏度。靈敏度的單位是分貝(dB)靈敏度大小反映了音箱的是否耗功放功率,是否容易驅動;是音箱技術參數最重要指標之一。

? 全自由空間 ?


? 實際測試圖 ?




? M15的靈敏度 ?


? 實際應用場地 ?


? Smaart 7 實際測試圖 ?


       音箱靈敏度有什么用?作用非常大!
       舉個例子:有兩只不同靈敏度的音箱,阿甲的靈敏度是96dB,功率1024瓦;乙的靈敏度是99dB,功率是512瓦。如果它們要產生相同的聲壓級的話,甲需要的功率放大器的輸出功率是乙的兩倍,因為同一只音箱只要功率增加一倍,聲壓級增加3dB。



       由此可以看出,音箱乙的靈敏度比音箱甲高3dB,需要功率是音箱甲的一半就可以得到相同的聲壓級。如果從主觀聽感上評價,靈敏度高的音箱容易驅動,效率高!
       那么現在如果你要買音箱,有一只音箱A的靈敏度是99dB/350瓦,2000元。另一只音箱B97dB/600瓦,2000元。
你選擇哪個?

如何用SMAART7的Transfer function(傳遞函數)得到正確的幅頻曲線(頻率響應)和相位曲線

如何用SMAART7的Transfer function(傳遞函數)得到正確的幅頻曲線(頻率響應)和相位曲線?

步驟一:
       連接好聲卡,接好測試話筒,擺放好話筒位置。打開信號發生器(在英文鍵盤下快捷鍵:G)。會看到參考通道有信號,但是測試通道還沒有信號,這時顯示如下圖:



       這時如果音箱已經有粉噪聲發出(沒有粉噪聲發出,請檢查聲卡輸出至調音臺,調音臺至后級設備是否正常并已經打開),那么需要檢查:1、軟件設置里,測試通道是否與聲卡連接話筒的通道一致;2、測試話筒的48V幻象電源是否打開;3、聲卡測試通道的增益是否合適;4、測試話筒的線路、測試話筒是否正常;
把測試通道的信號問題解決后,你將會看到這樣的畫面:



這個畫面由于沒有查找并插入延時,所以相位曲線、相干性曲線(紅色)的顯示不正常的,頻響(幅度)曲線高頻部分也沒有正常顯示。

步驟二:
2.1查找并插入延時。點擊Find(快捷鍵:L),彈出查找延時的對話框,如下圖:



       或者點擊Find Delay 兩三次得到的延時差別不是很大的時候,點擊Insert 插入延時。如果這時查找到的延時與估算延時(話筒到實測音響的距離/聲音的速度)差別太大,可以點擊Find Delay 進行重新查找延時,或考慮其他的因素(如果你找的是超低的延時,那么是每次都不一樣的。)
2.2插入延時后,你將會發現相位曲線變正常了,相干性曲線也好了,頻響曲線也好了。



為了更細的查看相位和頻響曲線,你可以更改相位平滑類型和幅度平滑類型。





為了方便查看,一般選1/3倍頻程。最后按空格鍵或點Capture保存當前曲線。




 

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