如何用软件模拟消声室环境，测试扬声器频率响应？

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1 研究方法概述

本次研究主要采用对比分析法，首先在消声室环境和非消声室环境中测量扬声器的频响曲线(包括幅度曲线及相位曲线)，观察距离、角度因素对测量结果所产生的影响；随后将非消声室环境测量结果进行平均、加时间窗等处理，并将处理前后的扬声器参数测量结果与消声室环境进行比对分析；最后得出非消声室测量扬声器参数的可行性结果及软件模拟消声室测量的测量方法。

测试场地分为消声室和非消声室。消声室为中国传媒大学明德楼负二层专业消声室，非消声室场地选取了三种具有一定差异的常见环境：强吸声录音棚，体积约320 m³，混响时间约0.4 s；较活跃的录音棚，体积约875 m³，混响时间约1 s；一般环境的教室，长方体，体积约233 m³，混响时间约0.8 s。

研究中所使用的软件为Smaart和FIR Capture，前者为实时测量分析软件(亦可进行非实时的加窗处理)，后者为非实时测量分析软件，可进行wavelet(小波分析)等非实时计算。实时测量即在播放测试信号的同时显示测量结果，而非实时测量则需在播放测试信号时将输入的音频信号记录下来，随后再进行分析计算。两种软件均具有上述研究过程中所需的频响曲线测量、多曲线平均计算、脉冲响应加时间窗等功能。之所以采用两种软件进行测量，是想通过不同的测量软件进行相互验证，以进一步确认测量结果的准确度。

2 消声室扬声器参数的测量

首先在消声室环境测量一款有源监听扬声器不同距离、不同角度的频响曲线及相位曲线，并观察影响的规律，作为后期进行非消声室扬声器参数测量的基础和依据。测量设备的连接如图1所示，使用双通道声卡，通过测量软件发送相同测试信号给2个输出通道，一路送至待测扬声器，另一路直接返回声卡作为参考通道，而声卡的另一路输入则连接至测试传声器。首先校准传声器输入声压级；随后设置传声器基准测试点，该测点应与之实际使用距离相匹配，如若测试空间尺寸有限，则需至少与待测扬声器保持其最长边长三倍以上的距离，高度为待测扬声器中低音单元和高音单元连线中点略偏向高音单元处。之所以提出上述距离要求，是因为如果测量基准距离过近，则测试会受到箱体尺寸和单元相对位置的影响，导致测量结果对于测试传声器摆位微小差异的敏感。由于待测扬声器最长边长为40 cm，故基准测量距离定为1.2 m，基本与实际近场监听距离相匹配。如待测扬声器为专业中大型扩声扬声器，则需适当增大测量距离。传声器基准测试点确定后，对测试声压级进行校正，即通过调整测试信号输出和扬声器输出电平，使得在轴向该点处的实测声压级为85 dB。在测量过程中，还同时关注待测扬声器通道信号与参考通道信号的相干性（指2个数据对比的一致性）曲线，即声环境对测试可信度的影响。

测量系统调整完毕后，分别改变距离、偏轴角度，其变化的距离、角度见图2，测量扬声器频响曲线及相位曲线。为简化实验，偏轴角度的选取以扬声器水平覆盖范围为准。

消声室环境下扬声器幅度曲线和相位曲线不同偏轴角度的测量结果对比如图3所示。在未改变其他变量的情况下，偏轴角度增大，扬声器8 kHz以上高频区域幅度有所衰减，相位曲线（图3上方）产生较小改变，但整体趋势无较大变化。从相干性曲线（图3幅度曲线顶部的红线）看，在全频段高于90%，因此消声室环境下测量结果的相干性较好。

消声室环境下扬声器频响曲线和相位曲线3种不同距离的测量结果对比如图4所示。对比发现，随着距离增大，扬声器幅度在全频段衰减，相位产生较小改变，整体趋势无较大变化。在测量过程中，Smaart软件中使用find delay（查找延时）的功能可将距离引入的延时量去掉，观察扬声器本身的相位曲线，若不使用该功能则相位曲线出现较大弯曲，无法观察扬声器本身的相位曲线趋势。由于对不同测量距离补偿了不同的延时量，因此各个测量点的时间基准被补偿到大致同一位置，产生了一定程度上的微小误差，所以，相位曲线在高频区域产生了较小的差异，但这些差异不具有分析价值，仅需对比其相位趋势即可。

根据消声室环境扬声器频响曲线测量结果，在一定范围内改变测点的偏轴角度和距离均不会对频响曲线的趋势产生较大影响，增大偏轴角度幅度曲线高频会有所衰减，增大距离幅度曲线产生全频段衰减，但幅度曲线及相位曲线的基本趋势均保持一致。因此，为简化研究，在非消声室扬声器参数测量中，可将测量结果及处理结果主要与消声室主轴最短距离处测量结果进行对比，同时观察不同距离、偏轴角度对扬声器客观参数测量结果的影响是否与消声室中所得到的规律一致，总结非消声室环境对测量结果产生的影响。