AP应用文档:提升扬声器异音检测标准(二)

前文回顾：AP应用文档——提升扬声器异音检测标准（一）

基于 Farina 对数正弦扫频（或 Chirp）测量法于2006 年首次推出，可用于电子音频测试的连续扫描测量（Continuous Sweep），是 APx500 软件平台的一大标志性方法。除了是一种极快的频率响应测量方法外，该方法还可同时测量总谐波失真 vs 频率，以及每次谐波（至多 20次）对总谐波失真的贡献。声学响应测量（Acoustic Response）是该测量方法的另一个版本，能够在扬声器和麦克风准消声测试中移除脉冲响应的反射。该版本于 2009 年增至 APx 产品中。2013 年，声学响应测量（Acoustic Response）中增添了专门针对扬声器异音检测的测量结果。

声学响应原始异音算法的运作方式如图 3 所示。生成 Chirp 信号，并通过功率放大器传递至扬声器（待测设备）。测量麦克风捕获扬声器的声学输出，并将其发送至常规 Chirp 处理（用于确定频率响应和总谐波失真等）。为帮助检测异音，同时也通过一个高通跟踪滤波器处理麦克风信号。滤波器的拐点高通频率是基本频率的倍数（“高通系数为 5 或更高”）。这意味着，高通滤波器可过滤掉基本正弦频率和前四次谐波（甚至更多，取决于特定的高通系数）。滤波器的输出称为“残留信号”。将两个Detector 按周期依次用于残留信号，一个用于测量残留峰值，而另一个用于测量残留均方根。将第三个 Detector 用于测量主麦克风信号，以便按周期确定该信号的均方根幅度。以上三个 Detector 得出了两种结果：残余峰值系数（残余峰值与残余均方根之比）以及峰比率（残余峰值与主均方根之比）。利用上述结果的原因在于：当组件相互撞击或摩擦发出嗡嗡声时，异音缺陷通常会造成较高“尖峰”的噪声信号。在特定频率范围内，如果残余峰值系数和峰比率都很高，这通常表明存在缺陷。

图3.声学响应测量中异音检测示意图。

图4显示一台 4-½英寸（115 mm）喇叭单元两份样本所测得的异音峰值系数和峰比率，其中一份为正常样本，而另一份具有严重的异音缺陷。请注意在 50-70Hz 以及 80-180Hz 范围内，缺陷样本的峰值系数和峰比率是如何评估的。

图4.在 115mm 喇叭单元正常样本及具有严重缺陷的样本上测得的异音峰值系数（上）和峰比率（下）。

高次谐波失真检测法是检测异音的一种经典方法，已使用多年。这是一种模拟人类感知频率掩蔽效应的粗略方法。这种方法简单测量了谐波失真，但排除了低次谐波（例如，从 H2 至 H4 谐波或从 H2 至 H10 谐波等）。大多数异音机制可产生频谱丰富的谐波含量。例如，图 5显示由 150Hz 正弦信号激励的两份喇叭单元样本的快速傅立叶变换（FFT）频谱——其中一台为正常喇叭单元（对照样品），而另一台具有极其严重的缺陷（音圈撞击背板）。在本图中，频率轴在线性刻度而非对数刻度上绘制，以确保谐波更易辨认。在对照样本（绿色痕迹）中，基本谐波在大约第十次谐波后消失在噪声中，而在缺陷样品（红色痕迹）中，谐波比背景噪声高 20dB 以上，直至 20kHz（H133），甚至更高。

图5.由 150Hz 正弦信号激励的两份喇叭单元样本的快速傅立叶变换频谱——其中一份为正常样本（对照样本），而另一份具有极其严重缺陷（背板干扰）。

自 2006 年起，APx500 软件引入有限形式的高次谐波失真法，通过失真度百分比结果，允许得出多次谐波之和，例如 H10 至 H15（图6）。

图6.与图4相同的喇叭单元样本的失真度百分比（H10:H15）。

2021 年，APx500 在扬声器生产测量（Loudspeaker Production Test）中加入了快速扫频激励（Fast Sweep），克服了上述限制。采用速度优化的特定类型步进扫频，使步进之间的过渡变得顺畅，从而减少需解决的瞬态效应。在扫频范围内，模拟输入和输出范围是固定的，从而进一步避免瞬态效应。为此，总扫频时间可以追上对数正弦扫频 Chirp 速度。借助快速扫频激励（Fast Sweep），谐波仅从快速傅立叶变换分析得到，因此可包含极高次谐波（高达 H200）。例如，图7显示某一喇叭单元（带有松散颗粒缺陷样品及正常品）从100Hz 至 2.0kHz 的快速扫频的高次谐波失真结果。请注意测试包括 H20 至 H200 的谐波，如下图对照样本所示。

图7.扬声器生产测试测量（Loudspeaker Production Test）的高次谐波失真结果可包含高次谐波（高达H200）。

SoneTrac 异音算法由Gerry Mariona of Bose Corporation 发明。尽管该算法独立于Audio Precision 开发，但与用于在原始 APx 异音结果测量法中推导峰比率的方法存在许多共同点。两种方法均采用对数正弦扫频 Chirp 激励、高通跟踪滤波器，并分析了残留信号（基本谐波和低次谐波移除后剩下的信号）中的能量。相比原始 APx 异音测量法，SoneTrac 测量法在多次改进后，降低了异音检测的难度。图8比较了 APx 异音峰比率和 SoneTrac 异音结果，其中，测量在针对一台小型全频喇叭单元（带有松散颗粒缺陷样品及正常品）的样本上展开，测量结果在相同扫频范围（20Hz 至 2.0kHz）测得，扫频时间为 4 秒。尽管这两种方法均能够清楚识别可能表明存在异音缺陷的两份样本之间存在的差异，但是 SoneTrac 算法在以下方面更胜一筹：

图 8.针对带有松散颗粒缺陷的喇叭单元样本的测量：APx 原始异音峰比率结果（上）与 SoneTrac 异音结果（下）的比较。

SoneTrac 异音结果显示了将每个频率上残留信号的能量水平标准化至所采集的整个 Chirp 波形的总均方根水平的数值。APx 峰比率结果也类似，但将每个频率上的能量标准化至该频率上所采集波形的均方根水平。为此，当喇叭单元的效率不高时，峰比率在低频率上具有较高值。SoneTrac 结果能够更容易识别两次驱动装置测量之间的差值。SoneTrac 方法允许将高通系数指定为一个低至 1.0的小数，而 APx 高通系数必须是一个大于或等于 5的整数值。SoneTrac 方法具有额外的高通和低通滤波器控制，以便指定应用于残留信号的滤波。这些额外的滤波器可消除噪声，以便更清楚地检测异音伪影。SoneTrac 内置可选配的异音曲线抽取，至特定倍频。如图 8 所示，这可提供更平滑、更低噪音痕迹。这还可消除不必要的数据点。

SoneTrac 异音算法可提供残留波形结果（图9所示的为图8所示测量的残留波形结果），这是该算法的另一大改进。残留波形是指过滤掉基波和前几次谐波后采集的波形。APx 软件可保存波形。有的用户喜欢保存残留波形和/或所采集的波形。这样一来，他们可戴着耳机听，帮助确定是否可能产生可听见的异音缺陷。

图9.针对图8所示测量得出的 SoneTrac 残留信号结果（上）和未经过滤采集的波形结果（下）。

下期将详细讨论异音响度结果、响度和响度级等，敬请关注。如需完整应用文档，我们将在连载完成后提供下载。