源自 audioholics 作者 James Larson

  第一部分

  

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  在过去的几年里,Audioholics的扬声器评测中包含了一些测量图表,这些图表引起了许多读者对其中所显示信息的意义和重要性的质疑。一些读者发现其中的信息令人困惑,当然这是我们的错,因为我们没有意识到这种展现形式对普通读者来说是多么的晦涩。当一个人花了这么多时间研究扬声器行为的细枝末节时,很容易把这些数据可视化视为理所当然,这有时会导致我们代替读者假设了太多的知识,特别是发烧新手。我们确实有一些文章来解释我们图表中所显示的信息,但我们决定做一些更简单的东西来帮助那些初学者,因为以前处理这个问题的文章是相当有技术性的。由于扬声器的测量是一个固有的技术问题,用更简单的术语来阐述这些概念颇具挑战性,但我们乐意尝试。

  频率响应

  让我们从扬声器行为的最基本图表开始解释:频率响应,有时它也被称为振幅响应。 频响是衡量一个扬声器在整个声音频谱上对相同放大量的反应。频响图的X轴代表频率,或是我们听到的音调,图的Y轴代表振幅,或我们听到的响度。一个恰当的比喻是,用同样的力量敲击钢琴上的琴键,声音有多大。类似于钢琴键盘上的音高从左到右向上移动,频率响应图通常从图左边的低频声音开始,当它向右移动时,音高会上升到更高的频率。理想情况下,当用同样的力量敲击琴键时,钢琴会以同样的响度演奏所有这些音符。同样地,一个表现完美的扬声器在给所有频率以相同的放大量时,在整个频谱上会有一个完全均匀的响应。我们称这种完美的响应为 "平坦",因为在频率响应图上,它在所有频率上都显示为一条平坦的线。一个具有完美频率响应的扬声器在现实中是不可能实现的,但许多扬声器制造商试图在合理的范围内尽可能地接近它。

  

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  轴上频率响应

  

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  轴上频率响应(有时称为直轴频率响应,后面我将称之为轴上频率响应)是声音在扬声器正前方的频率响应,因此它是扬声器在其指向的方向上的响应,即扬声器的'目标'。它被认为是扬声器行为的主要衡量标准。如果扬声器直接对准听众,它可以说是最重要的单一响应测量,因为在所有扬声器辐射的声音中,首先到达的是听众。声音的第一到达是决定扬声器对听众特性的一个主要因素。然而,扬声器并不总是直接指向听众;听众经常在不同的角度聆听扬声器。扬声器频率响应的每一个其他角度都被称为离轴频率响应。

  如上所述,最理想的轴上频率响应测量是完全平坦的,但同样,这在现实世界并不存在,所以要寻找的是尽可能平坦的响应曲线--至少如果你对准确性感兴趣的话。一个理论上具有完全平坦的轴上频率响应的扬声器将表明它能够完美地再现源内容,至少在它正前方的位置能做到。频响曲线偏离平坦形状越远,扬声器的精确度就越低。

  离轴频率响应

  如果扬声器没有直接对准你,你就会以离轴的角度来聆听它,它的频率响应形状通常与轴上频率响应不同。为了准确起见,离轴响应自然也应该保持平坦的形状,但是,与轴上频率响应一样,这也是不可能的,所以扬声器设计者通常试图拥有一个与轴上频率响应紧密相关的平滑响应。这有两个主要原因。首先,很多时候,听众不会以正前方的角度来聆听扬声器,所以扬声器应尽量在其他合理的角度上发出好声音。其次,我们在室内听到的大部分是来自扬声器的反射声,而不仅仅是直接从扬声器传到听众耳朵的声音。因此,即使轴上的声音是完全准确的,如果在其他角度发出的声音有很差的频率响应,扬声器仍然可能听起来很糟糕。现在让我们看看一些涉及轴上和轴外响应的图表...

  聆听窗口

  

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  一般来说,扬声器保持良好响应最关键的是那些接近轴上角度的离轴角度,而这些接近角度中最重要的是那些与轴上角度在一个水平面上的角度。这些角度是最重要的,因为大多数人不会在太大的角度听他们的扬声器,他们倾向于在略有不同的横向角度听他们的扬声器,但垂直角度的变化不大。例如,常见的聆听区可能是由一个宽大的沙发或板凳组成的,所以它在水平方向上将是一个宽阔的区域,但人们很少以明显更高或更低的角度聆听他们的扬声器,所以常见的聆听位置往往是一个狭窄的垂直区域。

  对发生在轴上响应和它附近的响应的单一测量被称为 "聆听窗口"。聆听窗口曲线是水平轴上+/-10、20和30度,以及垂直轴上+/-10度的水平响应的平均值。它包含了听众通常会听的大部分区域。聆听窗口响应的意义在于,它类似于首先到达听众耳朵的响应,因为大多数人将在这个角度内聆听扬声器。换句话说,只要听众处于扬声器向前覆盖的合理区域内,也就是在扬声器前面60度的角度内,扬声器第一次到达的声音的响应应该与聆听窗口曲线相似。正如我们之前所说,声音的第一到达是决定扬声器对听者特性的主要因素。

  早期反射

  

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  我们之前提到,我们从一个典型的家庭音响系统中听到的大部分声音不是来自扬声器本身的直达声音,而是来自房间里的表面,如墙壁、桌子、地板和几乎所有固体物体的反射声音。这些反射中最强的是早期反射,它们在到达预测的聆听位置之前,只从房间的表面 "反弹 "了一次。这些早期反射很重要,因为如果它们的累积响应与扬声器的直达声音响应相比非常不均匀,它们会损害系统的整体声音质量。早期反射在低频和中频的室内频率响应中是一个主导因素。它们在决定一个典型的家庭音响设置中扬声器的音调平衡方面有很大的差异。

  这些早期反射有一个显示其整体行为的测量:"早期反射 "响应。大部分构成早期反射的声音主要来自扬声器的前半部分,因此早期反射曲线是来自扬声器前半球的大部分垂直和所有水平轴向响应的平均值。早期反射曲线的振幅几乎总是比聆听窗口响应曲线或轴上频率响应曲线要低一些,因为早期反射响应包含了来自远离轴角度的响应,正常的扬声器投射的声能远不及它前面的区域多。这通常会导致响应在频率上升时向下倾斜。在这个指标中,一个高度精确的扬声器应该有一条稳定的线作为曲线,类似于其轴上响应。这样的曲线将意味着在扬声器周围大多数角度产生的声音与轴上响应和聆听窗口响应有很好的相关性。如果早期反射响应中存在非常大的深谷或峰值,那会使声音的音调不平衡。

  声功率

  

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  声功率曲线并不是声音质量的一个很好的指南...

  扬声器在各个角度产生的声音可以用 "声功率 "曲线来概括。声功率响应是扬声器从各个方向辐射出的所有声能的频率响应。就其本身而言,它并不是一个很好的音质指南,因为它所包含的许多信息并不十分重要,例如在扬声器后面的离轴角度,通常不会有太多的输出,因此对听众的影响不大。如果这条曲线非常颠簸,那可能表明有些问题,但建议读者不要对这个反应看得太重。对于普通的家庭音响用户来说,它只能作为中低频和高低频段的室内响应的预测器而使用。它作为一个数据更有参考意义,我们可以从中得出下面讨论的指向性指数。

  声功率指向性指数

  

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  声功率指向性指数并不代表传统的频率响应,它只是显示扬声器在频率上的振幅。相反,它代表了扬声器在前进方向上投射的声能与在所有方向上辐射的能量之比。换句话说,声功率指向性指数(通常只称为 "DI "或 "指向性指数",我们将在下文中这样称呼它)是衡量扬声器声音发射的方向性。一个高指向性的扬声器是指声音的发射包含在一个狭窄的波束中。它以一个非常狭窄的角度向外投射声音,所以任何不在扬声器轴线角度附近的人都不会受到扬声器的直达声音影响。一个高度无指向性的扬声器会在一个非常大的角度上均匀地投射声音。举一些假设的例子,一个完全定向的扬声器会像激光束一样将所有的声能发射到一个方向上,而一个完全无定向的扬声器会像球形灯泡一样向所有方向平均地发射声音(这将是真正全极性扬声器的理想状态)。

  

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  指向性指数的结果曲线向我们展示了扬声器有多少前向偏压。

  指向性指数是通过从聆听窗口响应中减去声功率响应而建立的,由此产生的曲线向我们显示了扬声器有多少前向偏压,或者说它的前向能量与每个频率的全向能量的比率。在这个指标中,一个完全没有方向性的扬声器在其整个频率响应中的数值为零分贝,因为从任何特定方向投射的能量都没有差别。换句话说,在聆听窗口响应中测得的振幅与声功率响应中的振幅没有区别;这两个响应会有相同的曲线,所以它们会被抵消。另一方面,一个高度定向的扬声器,将其所有的能量向前方辐射,其指向性指数将非常高,并且在振幅和形状上与聆听窗口曲线几乎相同。因此,当一个指向性指数在某个频段有较高的振幅水平时,它在该频段的指向性更强,在单一方向上投射的声音更多,而不是宽方向的角度。

  那么,就音质而言,指向性指数曲线意味着什么?指向性指数的一个理想特征是,它应该在振幅上没有太大的波动。一个非常不稳定的指向性指数表明,不同的频段有很大的分散角度,或者,换一种说法,一些声音范围的离轴能量比其他的要大得多。正如我们之前所说的,由于我们在室内听到的大部分声音都是离轴声能的反射,一个不稳定的指向性指数会使声音特性不均匀。除了有一个半平坦的指向性指数外,所需的指向性水平还涉及到更多的情景应用。一个较低的指向性水平可能是一个优势,例如,在聆听区域非常广泛的情况下,扬声器需要提供一个广泛的覆盖角度,以便每个人都能听到完整的声音。在其他情况下,高指向性指数可以是一个优势,在这种情况下,一个狭窄的扩散模式是有用的,例如需要对声音路径进行更多的控制的情况。高指向性可以成为一个优势的例子是在比较大的和声学上更活跃的房间里。

  至于高指向性扬声器和非指向性扬声器之间的质量差异,加拿大国家研究委员会(又称NRC)所做的研究表明,大多数人似乎更喜欢宽扩散扬声器的声音,因为侧壁反射增加了宽敞的感觉和更宽的声场。归根结底,这似乎是一个个人偏好的问题;那些想要更大空间感的人应该寻找低指向性指数的扬声器,而那些想要更精确成像的人应该寻找高指向性指数。在这一点上应该指出,房间声学和扬声器位置对这些品质也有重要作用。根据我自己的经验,我发现宽扩散扬声器和窄扩散扬声器都可以有很好的成像,以及宽敞的空间感和氛围。

  早期反射的指向性指数

  

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  对于传统的扬声器,可能比声功率指向性指数更重要、更有意义的是 "早期反射指向性指数"(或早期反射DI)。早期反射指向性指数是一条曲线,显示了扬声器的声能在会产生第一反射的角度中的指向性。它是早期反射测量中具有方向性的能量的比率。它是通过从聆听窗口响应中减去早期反射响应来计算的。声功率指向性指数的一个缺点是它考虑了大量的数据,而这些数据在标准扬声器中是相对不重要的,即从扬声器的后半部分发出的声能。然而,大多数扬声器都是向前发射的设计,这意味着它们将大部分声音投射到一个单一的、向前的方向(这些经常被误称为 "单极 "扬声器,但单极更确切地说,是一个向所有方向平等辐射的点源,这并不是向前发射的扬声器的这种行为方式)。

  与声功率指向性指数一样,在早期反射指向性指数中需要寻找的特征是一条平滑的曲线,没有任何大的不规则或不均匀。与声功率指向性指数类似,早期反射指向性指数越高,表明扬声器的方向性越强,扩散越窄,早期反射指向性指数越低,表明扬声器的扩散越宽。

  ANSI/CTA-2034-A标准,也被称为 "Spin-O-Rama"。

  

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  扬声器测量以上讨论的六项测量作为一组显示,被称为'Spin-O-Rama'测量集,由哈曼国际开发。它被称为Spin-O-Rama,因为它涉及到将扬声器在其垂直和水平轴上旋转360度,以获得必要的数据来开发测量集。在完整的垂直和水平轴上每10度进行一次频率响应测量,而Spin-O-Rama曲线是由所有这些测量结果计算出来的。用来建立这个测量集作为扬声器性能指南的科学已经被高度推崇,以至于美国国家标准协会(又称ANSI)和消费者技术协会(又称CTA)已经将它纳入他们测量家庭音频扬声器的标准。这个标准被称为ANSI/CTA-2034-A。

  在解释这些测量时,有很多东西比这里写的要多,但希望这篇文章能给你一个好的开始,让你了解这组响应曲线的含义。如果你想了解更多,Audioholics还有别的文章。客观的扬声器测量来预测主观的偏好,这也涉及到了这些测量。其他一些学习Spin-O-Rama曲线的好资料是哈曼国际的这些白皮书。为艺术服务的音响科学和用于多声道音响再现的扬声器和房间,第二部分。要了解这些测量的意义,最好的参考是《声音再现》一书。扬声器和房间的心理声学,作者是Floyd Toole博士。《声音再现》是一个很好的教材,适用于任何刚开始接触音响的人,以及那些已经有几十年音响爱好者的人,作为一种爱好。

  对于那些花时间了解Spin-O-Rama测量集的含义的人来说,这些知识对于识别一个设计良好的扬声器的特征有很大的帮助。这些知识对任何进入这个爱好的人来说都是非常有用的,因为有很多好的扬声器设计,可惜没有太多人可以在当地进行演示,所以这些测量可以表明扬声器的声音特征类型,而不必亲自去听。对于那些只想得到一个准确的扬声器而不是一个有 "个性 "的扬声器的人来说,这些测量值也是一个很好的指南。这样一来音响消费者就能对扬声器的性能有更多的了解,从而挑选出合适的扬声器来使用。

  第二部分

  

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  频率响应的瀑布图

  Audioholics在扬声器评测中展示的轴上和轴下频率响应的一种方式是通过瀑布图。

  维基百科将瀑布图定义为:

  "一种三维图,其中同时显示了多条数据曲线,通常是频谱。通常情况下,这些曲线在屏幕上和垂直方向上都是交错的,'较近的'曲线遮盖了后面的曲线。"

  这是一个显示整个轴上频率响应的好方法,因为可以用如此直观的方式传达足够多的信息。瀑布图可以让读者直观感受到扬声器在其大角度覆盖范围内的线性度。它们还能让读者一目了然地知道扬声器的方向性。然而,它们并不是对扬声器频率响应的惯例审查,这可能使那些想看到常规频率响应的人感到有些困惑。我们希望能将这些图解释明白,以便任何人都能轻松地理解它们所包含的信息的意义和性质。我们还将研究极坐标图,因为它们是从不同的但也是有启发性的角度涵盖相同的信息。

  在继续讨论频率响应瀑布图之前,有一点需要注意的是,这些瀑布图与Room EQ Wizard生成的瀑布图是不一样的。由REW生成的瀑布图并不显示不同角度的响应;相反,他们在X轴上使用时间进度。REW的瀑布图显示了声音在每个频率上衰减所需的时间,但这完全不是 Audioholic 扬声器评测中的瀑布图所显示的内容。

  在Audioholics,我们通常以剖面图和对角线图的形式显示频率响应瀑布图。剖面图更容易让读者看到每条曲线的响应形状。对角线视图更好地给这些曲线提供更多关于它们的具体角度的情况。换句话说,对角线视图能更好地看到当测量进一步偏离轴线时,响应变化有多大。剖面图是一个二维视图,因为它只显示了测量的两个轴,而对角线视图则是一个三维视图,可以看到三个轴。

  虽然瀑布图是一种相对容易理解的方式来观察扬声器一个轴上的频率响应,但对于不熟悉响应数据呈现形式的人来说,还是有很多信息需要慢慢消化。出于这个原因,我们将一步一步地说明。首先,让我们看一下这些图中的轴上频率响应是什么样子。在下面的例子中,我们将使用Outlaw Audio BLSv2评测中的真实测量数据为例。我们之所以选择BLSv2扬声器,是因为它是一个相当典型的、全面的扬声器,具有很多良好的特性。

  

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  瀑布图的对角线视图,仅显示直轴响应

  请注意,在上述瀑布图的对角线视图中,我们看到轴上响应被置于角度轴零度的方框中心,因为轴上响应几乎总是这组曲线中最重要的部分。轴上响应通常是扬声器发出最大声能的角度,所以它的平均振幅通常比离轴角度要高。

  

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  瀑布图的剖面图,只显示直轴响应

  在剖面图中,我们看不到角度,但我们可以更好地感受到响应的形状。

  现在我们来看看轴上响应和90度的响应。当然,90度角是与轴上角度垂直的,所以它将是与扬声器侧面成直角的扬声器的频率响应。

  

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  瀑布图的对角线视图,显示轴上响应和90度响应

  

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  瀑布图的剖面图,显示轴上响应和90度的响应

  需要注意的一点是,我们添加了一个延伸到两条曲线上的表面,这样就很容易看到它们之间的变化梯度。正如预期的那样,90度角响应的振幅要比轴上响应的振幅低得多,尤其是当我们向上移动频率的时候。大多数前射式扬声器(只有朝前发声的单元,这是大多数传统的扬声器的方案)都会表现出类似的这种行为,其中高频率的能量损失更快,因为角度远离了直对的轴上角度。只显示轴上响应和90度响应的问题是,我们可能看不到太多的分辨率。让我们甩出一个45度的角度,以更好地了解这个广角度之间发生了什么。

  

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  瀑布图的对角线视图,显示轴上、45度和90度的响应

  

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  瀑布图的剖面图,显示轴上响应、45度和90度的响应

  随着45度测量的增加,我们可以更好地了解扬声器在其前半球内的行为,更重要的是,45度是一个比90度更贴切的角度,因为很少有人会以直对方式聆听扬声器的正面。我们可以看到,在45度时,扬声器的振幅几乎保持在同一水平,直到4千赫兹左右,它开始以渐进的速度滚降。这种渐进式的滚降在15kHz左右会有一个较陡的转折,所以那些想从这个扬声器中听到高频的人,应该以比45度更接近其前轴的角度去聆听。

  虽然我们可以通过加入45度角来了解这款扬声器的扩散情况,但它仍然不能非常详细地了解其整体离轴响应。让我们以10度的增量填入所有这些角度。这将使我们很好地了解这个扬声器在离轴方面的表现。我们也放大这个图,以包括这些角度的另一半,这样我们就能更好地了解这款扬声器的整体扩散形状。

  

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  瀑布图的对角线视图,显示了从10度到100度的所有响应。

  

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  瀑布图的剖面图,以10度的增量显示所有响应,直至100度。

  这种更全面地观测扬声器的离轴响应的一个好处是,我们可以看到高频在什么角度真正开始下降。这对于确定该扬声器在什么角度下仍能提供一个音调 "饱满 "的声音是很有用的。从观察这些图表来看,这款扬声器的高频在40度角和向外的角度会有很大的落差,所以那些想听到全方位声音的人应该在前轴的30度角内聆听。这构成了扬声器前面的60度角,所以在任何正常的聆听情况下,这都是很容易实现的。然而,即使一个人听得比这更偏离轴线,高频也会被反射到混响场中,也就是室内的正常听音位置,所以,在实际使用中,听众仍然可以得到比偏离轴线的滚降更高的高频水平。

  从检查像这样的瀑布图中还有一些有用的东西,那就是当我们远离轴上角度时,看到高频被衰减的程度,我们可以选择哪一个轴响应更适合我们的喜好。例如,如果在轴上听,这个扬声器可能对某些人的口味来说有点亮,但20度角会调低高音频响应,而不会完全失去它。将20度角作为直接聆听的轴线,对于那些喜欢这种方式的人来说,可以使这款扬声器具有更温暖的特性。你聆听扬声器的角度往往可以作为一种音调控制,这些瀑布图让你知道不同的角度可以产生什么样的效果。有些扬声器并不适合在轴上聆听,而瀑布图可以让你了解它们在哪个角度听起来更好。

  在Audioholics的扬声器评测中,当瀑布图在水平轴上描述响应时,我们用白-蓝的颜色图来表示。对于纵轴,我们使用蓝绿色的颜色图来表示描绘纵轴响应的瀑布图。我们决定为垂直图采用蓝绿色的配色方案,因为它看起来很清爽,但我们也希望它们能与水平响应图容易区分。正如我们在评测中一直指出的那样,垂直轴的响应并不像扬声器在水平轴上的行为那么重要,所以如果扬声器的垂直离轴行为变得相当粗糙,也不要惊慌。在垂直瀑布图中应注意的是,在垂直轴上的角度有多窄?如果扬声器只在轴上角度产生平滑的响应,那么在聆听扬声器时,耳朵应与扬声器保持水平,通常是在高音单元处。如果在轴心角周围的角度也有类似的平滑响应,那么耳朵在同一水平上聆听扬声器就不那么重要了。

  

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  瀑布图的对角线视图,显示垂直轴上以10度为增量到100度的所有响应。

  极坐标图

  读者在Audioholics的评测中会看到另一种类型的图是极坐标图(有时也被称为指向性声像图)。极坐标图显示的信息与瀑布图相同,但它们从不同的角度显示这些数据。它是在一个测量角度上的频率响应的 "自上而下 "的视图,由于在这样的角度上失去了振幅轴,它是一个二维视图。极坐标图没有使用轴来表示振幅,而是使用颜色;较暖的颜色表示更大的振幅。为了说明瀑布图和极坐标图之间的关系,让我们用相同的测量集对角线看一下它们的对比。

  

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  瀑布图的对角线视图和极地图的对角线视图。

  从上图中可以看出,极坐标图基本上只是给瀑布图换一个皮肤。虽然从对角线上看极坐标图很有趣,但从自上而下看极坐标图更有用。

  

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  极坐标图--自上而下的视图。

  在这个自上而下的视图中,我们可以很好地观察到扬声器扩散模式的广泛趋势。颜色为纯正、一致的红色色调的区域应该有一个完整、平衡的声音。从上面的例子中,我们可以看到,扬声器在大约6千赫兹之前有一个相对均匀的覆盖模式,在更高的频率下,扩散开始收缩。这不一定是品质问题;这款扬声器在轴上角度附近应该有一个音调平衡的声音,但那些想要一个更温暖的声音的人,在高频被调低一点的情况下,可以在高频被部分滚落的角度下听这款扬声器,比如说40度角。理想情况下,我们要寻找的是每个角度的均匀覆盖,这样扬声器的特性就不会因角度而改变。类似于下面的图表将是一个理想的结果。

  

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  极坐标图的理想状态。

  当然,上面的例子在现实中是不可能实现的。然而,它确实说明了一种指向性控制,扬声器应该努力做到这一点。但不符合这种完美行为的扬声器也不一定是差的。考虑一下我们理想中的上图,其中的高频在6千赫兹以上收缩;这种收缩的高频可以被用来满足听众的偏好。还有一点需要考虑的是,没有一个现有的扬声器可以控制低频的指向性,但这种特性的声学效果不一定会被认为是一种缺陷(正是因为这个原因,我们不对低音炮进行指向性测试--它们在预定的频率范围内都是全向的使用)。此外,有时在测量图中被视为重大缺陷的东西,在实际中可能很难被听到。在某些方面,人的听觉对声音再现的缺陷非常敏锐,但在其他方面,人的听觉对测量中可以看到的问题非常不敏感。我听过很多扬声器,它们有许多测量上的问题。然而,我仍然认为它们听起来不错。下图就是这样的一个案例。

  

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  不理想的极坐标图--你能发现其中的缺陷吗?

  上述扬声器在以2kHz为中心的指向性方面表现出非常明显的收缩。然而,在我看来,这个扬声器的声音并不坏,我很喜欢它们。也许,如果将它与在这一区域具有出色指向性控制的扬声器进行一对一对比,问题会变得更加明显。事实上,如果一个人在40度角之外聆听,我猜这个缺陷会更加明显,但在轴线内听时,我并没有感觉到有什么严重的缺陷。

  也许看极坐标图的一个更直观的方法是把它放在径向图中,因为这类似于更接近于扬声器的实际表现。上述极坐标图将所有的角度放在笛卡尔网格中,但这是为了使某些特征更容易检查而做的额外的抽象层次。另一方面,径向图是根据它们相对于扬声器的实际测量方式来观察角度的。以下是在上述笛卡尔极坐标图中使用的相同测量值,现在用径向图进行了映射。

  

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  径向图的极坐标图

  虽然从某种意义上说,径向图是一种更 "真实 "的显示扬声器频散的方式,但要找出细节并衡量其重要性确实有点困难。将极坐标图布置在笛卡尔网格中,更容易让人一目了然地了解测量集的关键特征。出于这个原因,我们用网格而不是径向图来显示极坐标图。

  现在,对于那些好奇的人来说,让我们来看看我们完全均匀的扩散扬声器在径向图中的样子,也就是上面几个图中的 "理想化的极坐标图"例子。

  

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  来自一个具有完全均匀频散的假想扬声器的径向图的极坐标图

  请注意,这些径向图涵盖了扬声器周长的整个360度。我们可以在直角坐标图中显示这些数据。扬声器输出的后半球通常不是一个重要的指标(也许在偶极扬声器设计中除外),所以我们通常省略这些测量。对于好奇的人来说,这里是那个完整的360度测量集在笛卡尔网格中的样子。

  

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  显示全部圆周角的极坐标图

  在上图中,显示了扬声器在笛卡尔网格中的全部360度,我们看到的一个明显特征是,高频以非常狭窄的角度发射,而低频看起来以差不多的响度水平向各个方向投射声音。应该记住的是,360度图的顶部和底部代表了扬声器的后部。高频能量包含在上端,以至于记录的输出在与直轴相反的角度下降到展示的振幅范围以下,所以在高频图中留下了一个小的空白区域。这里一个显而易见的常识是,如果你想听到这个扬声器的高频,你必须在它前面听,而不是在它后面。

  希望这篇文章能让读者对这些图表的内容有更深的体会。它们不仅仅是漂亮的图片。它们是测量扬声器行为的图示,不仅可以作为确定扬声器声音特性的重要指南,还可以确定最佳的定位和摆放指南,以获得最佳的声音。

  第三部分

  了解低音炮评测失真测量

  

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  在Audioholic的低音炮评测中,我们的测量是对低音炮准确再现原始声音内容能力的分析。这包括测试其在线性失真和非线性失真方面的表现。对于熟悉基本频率响应图的人来说,线性方面很容易理解;平坦的曲线意味着它们不会过度强调或忽略任何特定频率范围。我们的群延迟测量也是对线性失真的测试。然而,关于非线性失真,我想就一组描述非线性失真的低音炮图示来做个补充说明,这对我们的一些读者在理解其含义时可能会有启发。因此,现在让我们试着用更清晰、易懂的术语来解释这些图形,让它们变得不那么复杂。

  

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  FFT分析图

  我所指的图形是在突发测试中测量的丰富多样的能量/频率量,上图是一个例子。这是一系列图形的瀑布图,这些图形是通过被称为快速傅里叶变换(或简称FFT)的过程分解记录的测试信号而产生的。这些变换可以在图表中看到,它描述了在一段时间内哪个频率下释放了多少能量。

  

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  快速傅里叶变换的案例

  在继续之前,让我们再简单地解释一下FFT的工作原理。FFT图是一种可以查看每个频率的能量数量的方法,很像基本的频率响应图。然而,它是衡量在一段时期内测量的能量的多少。基本的频率响应图没有时间这个维度作为其度量的一部分,但傅里叶变换将时间的函数(记录的波形)转换为频率的函数(频率响应图)。举一个例子,上图是一个傅里叶变换,显示了在一个非常短的时间内有多少声能被释放。我们可以看到,在100赫兹附近它释放了大量的声能,在200赫兹和300赫兹附近还有一些少量的声能。在这个短暂的时刻里发生的任何事情都导致在100赫兹产生大量的噪音,在200和300赫兹也产生了一些轻微的噪音。FFT可以观察任何时间段的能量测量,从纳秒到十亿年不等。当然,为了使FFT图有实用价值,必须设定一个合理的时间来观察被研究的事件。

  那么,FFT是如何用于分析低音炮表现的呢?我们测量低音炮性能的一种方法是,在某个特定的频率下通过它们运行测试音,并在其他频率下查找输出。任何在其他频率上产生的、不属于测试音的输出都是失真的产物。因此,可以举例来说,如果我们将一个纯正的100赫兹信号送入一个扬声器,而我们在200赫兹听到一些额外的声音,这将是一个意料之外的失真产物。扬声器总是会与原始信号一起产生失真,因为完全没有失真的扬声器或低音炮在现实生活中并不存在。工程师们也并不会去挑战建造完美的、毫无失真的扬声器,而是努力使失真水平低到无法在预定的源信号上听到,所以越低越好。

  我们在低音炮上进行的一项基于FFT的测试,在出现严重失真之前查看其动态范围,该测试被称为 "ANSI/CEA-2010-A供电式低音炮的标准测量方法",但为了简洁起见,我们将直接称之为CEA-2010。CEA-2010是对爆破输出的测试;它测量低音炮如何处理以特定频率为中心的短暂的输出时刻,或者,更具体地说,CEA-2010考察在特定驱动水平下对特定频率产生多少失真。只要频率不是太低,大多数低音炮可以在足够低的驱动水平上管理相当干净、相对不是很失真的输出。在更高的输出水平上,随着低音炮在机械和电子方面的运作,失真会急剧增加。CEA-2010是一个关于合格/不合格的测试,因此如果失真产品相对于基音(基音是源测试音的频率)超过了一定的水平,那么低音炮就不能通过测试。CEA-2010测试中的记录测量值是指,在低音炮遇到如此多的失真以至于故障之前,或者在它根本无法获得更大的音量之前,它可以管理多少输出。

  

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  让我们来看看一个没有失真的CEA-2010突发音的FFT,频率为25Hz。

  上图中的绿色曲线是突发音的频谱形状,这张图只是显示了突发音信号本身的FFT,它并不是现实中任何低音炮所产生的东西。你可能会注意到的一点是,大部分的声学能量似乎都集中在25赫兹左右;这就是我们通常称之为 "基频"的东西,也是这个特定测试音的主要频率。在基波周围有一些小的峰值,这是因为这个音是一个非常规的突发音,所以虽然波形的频率主要是25赫兹,但波形的爆发形状确实稍微有些分散,影响了音调的频谱构成。还有一点需要注意的是,如果你看一下涉及测试音曲线顶部的红色阶梯线,这显示了失真的阈值;如果任何失真产品由于具有较高的振幅水平而超过了这些线,那么该低音炮就不能通过测试。现在让我们来看看真实测试中25Hz CEA-2010音调的FFT。

  

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  从我们的真实测量图中可以看出,在更高的频率上有比纯突发音信号的FFT中看到的更多的声能。这个测试是在现实世界的条件下进行的,所以其中一些额外的噪音是来自环境,如风和远处的交通噪音。然而,与直接从炮本身测得的声压相比,环境噪音通常是很微弱的,因为我们试图在低噪音条件下进行测量。有时,突然出现的环境噪声,如低空飞行的喷气机,会污染录音,这些测量结果被丢弃。那些在测试音信号的FFT中看不到的额外噪音,大部分都是来自低音炮的失真。这个特殊的测量表明,虽然这个低音炮没有超过CEA-2010测试的失真阈值,但它仍然表现出一些明显的非线性。然而,在基音和次高失真成分之间仍有近20dB的差距,因此基音的振幅仍是次高失真成分的近10倍。很有可能的是,即使在这张图上看到了那么多的失真,它仍然是完全听不见的。

  如果仔细研究上述图表,观众会注意到,与基音相比,主要的失真成分有一定的频率规律性。基音以25赫兹为中心,但主要失真成分以50赫兹、75赫兹、100赫兹为中心,依此类推。主要的失真成分是基波的倍数。这些是 "谐波",所以这种类型的失真被称为 "谐波失真"。谐波失真与驱动电平的关系以及失真的偶数/偶数特性都可以作为失真来源的指标。它们也可以作为失真可能的可听性的指标。

  CEA-2010测试

  希望读者现在能理解FFT图的性质,以及这些突发音测试测量结果是如何显示的。现在让我们来谈一谈CEA-2010测试通常是如何进行的,以及传统上显示的结果的意义。CEA-2010测试通常是通过从某个额定驱动电平开始运行,然后提高电平,直到低音炮被推得太猛,超过失真阈值,或者直到它不能再大了。如果低音炮的输出被推过了任何一个失真阈值,那么测量结果就是它在达到失真阈值之前的最高驱动电平的记录SPL(我们听到的响度的声压级)。如果分频器不能再高了,但没有超过任何失真阈值,则使用其最响亮的通过测量的SPL。所以CEA-2010的测量基本上是每个频率的单一数字,即SPL记录。一些低音炮评论人会注意到通过CEA-2010测量的失真量,以及该数字是失真限制还是输出限制,但最终的测量结果仍然只能告诉我们一点关于低音炮在其性能包络中的某一点上的表现。

  CEA-2010只告诉我们低音炮在其性能的一个极端的表现。不可否认的是,知道在什么情况下会出现这种情况是很重要的,但是大多数人通常不会把他们的低音炮开到极限。绝大多数低音炮的使用都是在最大输出水平以下或在主要失真输出水平以下。那么,在低于极限值的水平上,低音炮是如何表现的呢?这就是我们的爆裂测量图的瀑布图所显示的:在其性能包络范围内,低音炮在标称到高电平下的声音能有多干净,以及标志其声音的失真性质。

  CEA-2010的FFT图的瀑布图显示了从普通到高驱动水平的炮的频谱行为,而不仅仅是最大输出。它们是通过测量突发音的输出,从某个没有挑战的额定电平开始,每次提高一个dB。因此,我们在一个较低的水平上开始测试,记录一个测量值,将水平提高一个分贝,记录另一个测量值,如此反复。然后,我们将所有的FFT图表测量结果分层为瀑布图,从低驱动水平到高驱动水平,这样我们可以看到什么样的失真表现,以及在什么电平上失真开始变得更频繁。

  让我们从一个单独的测试音信号的记录开始检查这些图,这样我们可以看到在一个完美的世界里它是什么样子。

  

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  这是对信号本身的FFT图的简单分层,从低电平到高电平。你可以从之前CEA-2010信号的FFT图中认出这个形状。当然,这种行为在现实世界中是不存在的,但这仍然可以作为一个有用的对比点。现在让我们看看一个真实的案例,为了清晰起见,我们加了一些标签。

  

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  就像我们前面看的真实的FFT图一样,我们看到测试信号之外的声学能量要多得多,特别是在这个测试的较高输出水平上。我们可以看到60赫兹左右的失真大峰值,这是本次测试中20赫兹的基本测试音的三次谐波。我们还看到,在三次谐波之上的其他失真急剧增加,看起来像高阶谐波。4次、5次、6次,等等。不应忽视的是直到最高驱动水平的表现;是的,在接近该低音炮输出的最大极限时,有非常大量的失真,但如果我们看一下仅比峰值输出水平低5dB左右的测量结果,我们可以看到,相对于基波,失真数量急剧下降。只要这个低音炮没有被开到极限,它的声音应该都不错。

  让我们从一个稍微不同的角度来看看另一个图。

  

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  上面的图显示,这个低音炮不可能被推到产生几乎与前一个图一样多的失真。这是一个更干净、更乖巧的低音炮,即使在其最高驱动水平下,失真也可能听不到。这里有几件事需要观察:在其中一个FFT "切片 "中,我们可以看到在通常的失真脊线之外有比其他更多的波纹。这可能是由于一些瞬时的环境噪声造成的。我们还看到在测试音基的左边有很多活动,基本上是一堆随机的活动。这些东西都应该被忽略,因为它似乎是随机出现的噪音。它出现在所有的测量中,说实话,我不知道它到底是由什么引起的。不过它是听不见的,也不是CEA-2010测试的内容,因为它位于基本测试音以下。在有人认为它出现倒相孔噪声之前,它也出现在密闭炮的测量中。它不是环境噪声,因为它总是以几乎相同的数量出现在基音之下,无论基音测试频率是多少,所以如果它不是由低音炮产生的,它也会出现在测试频率之上,但它从未出现过。这是我们如今还不清楚的一个大谜团。

  希望对突发音测量的瀑布图的解释,能帮助那些在理解这些图表时遇到困难的人,能更好的弄清这些图表的含义。为了重申在这些图表中要寻找的质量,基本测试音以外的声学活动越少越好,这通常是这些图表中最大的 "峰脊"。谐波失真成分总是与基本测试音的输出一起显示出来,所以应该寻找的是在什么驱动水平上的失真量。如果失真量只在最高的驱动水平上出现,那么在那之前,失真将不是一个大的因素。如果失真量在所有的驱动水平上都有稳定的数量,那么需要看的是基音和失真水平之间的差异。基波和次高谐波失真成分之间的水平相差20分贝,这没什么可担心的,但10分贝的差异可能是可以听到的。即使如此,在解释这些图表中显示的测量行为时,更多的描述是有用的。Audioholics的评测总是在解释这些瀑布图时提供一些描述,所以即使读者没有抓住这些图表中涉及的所有细微差别和错综复杂的信息,评测也会提供一些对这些信息的分析和理解。