AP应用文档:提升扬声器异音检测标准(三)

前文回顾：AP应用文档——提升扬声器异音检测标准（二）

上文讨论的异音检测方法存在一个问题：即，虽然这些方法擅长辨别良品和不良品之间的差异，但是并不能说明这些异音由真人听上去的大小。例如，图10.显示了针对一台 4-½英寸（114 mm）喇叭单元两份样品所得出的异音峰值系数（Crest Factor）和异音峰比率（Peak Ratio）。相比样品 LS4-30，在 80至 180 Hz音频范围内，样品 LS4-28的峰值系数和峰比率明显较高，表明存在潜在的异音缺陷。然而，两份样品均无可听见的异音。那么，我们是应该不让样品通过，而承担报废或返工费用；还是应该让样品通过，但冒着客户对缺陷产品不满而退货的风险？这并非容易的选择。

图 10.在一台 4-½英寸喇叭单元两份样品所测得的异音峰值系数（左）和峰比率（右）：两份样品均无可听见的异音。

2021 年，APx500 软件中新增了异音响度（Rub and Buzz Loudness）这一测量结果。目的在于提供一项异音度量值，用于表明设备向普通听众发出的异音噪声的可感知响度。

响度是一种心理声学度量值，用于表明人们对声音强度或大小的主观印象。响度取决于多个因素，包括频率、声压级、波形类型（纯音、噪声、音乐等）以及声音持续时间。作为一家音频和声学测试和测量公司，我们致力于生产具有高度线性的分析仪和传声器，并确保这些产品在可听见频率范围内具有平坦的频率响应曲线。然而，随着频率和声压级（SPL）显著变化，人们对响度的感知不尽相同。

图11. 是根据 ISO 226标准改编的纯音等响度轮廓图。这些声压级与频率曲线是多年研究的成果，研究人员让受试者先倾听某个参考频率（1 kHz）的纯音，然后再倾听 20 Hz至 20 kHz之间不同频率的纯音。在响度听力测试中，听者根据指示调整每个频率的音调，直至听到与 1 kHz 频率具有相同响度的声音。如图所示，感知的响度随频率和电平变化而显著变化。每条曲线均分配至一个响度量级（单位为“方”，通常发音为“fang”），对应于在 1 kHz参考频率下所测得的声压级。例如，在 1 kHZ频率下，40 方曲线的声压级为 40 dBSPL；在20 Hz 频率下，声压级为 100 dBSPL；在 10 kHz 频率下，声压级为 55 dBSPL。这表明，人们从声压级为 100 dBSPL 时 20 Hz 纯音中所感知的响度与在声压级为 40 dBSPL 时 1 kHz 纯音中所感知的响度或声压级为 55 dBSPL 时 10 kHz 纯音中所感知的响度相同。试验还得出这样的结论：当响度翻倍或减半时，感知的响度分别增加或减少 10 方。响度为 0 方的曲线表示人类的听觉阈值。

图11.纯音等响度轮廓（改编自ISO 226:2003）。

方响度量级的关键属性在于：它可用于量化任一频率下的声音响度；例如，响度为 50 方的声音是响度为 40 方的声音的两倍，即，响度是声压级为 40 dBSPL 时 1 kHz 纯音的两倍。

APx 异音响度（Rub and Buzz Loudness）算法将现代响度模型应用于异音检测问题中。响度模型可用于观察受试设备响应和在设备上施加的激励之间的差异，并考虑了以下因素：

• 人耳频率加权

• 模拟听觉频率分辨率的听觉滤波器频带

• 由血液流动引起的内耳噪声产生的声音掩蔽

• 人类听觉频率掩蔽

• 受试设备响应谐波失真

该算法采用针对振幅和频率含量相对恒定的声音的稳态响度模型。为此，异音响度结果只有在使用快速扫频（Fast Sweep）激励时方才有用，因为对每个频率步进上花费的时间分量而言，响应可视为恒定。

图12.显示了从一台小型全音域扬声器的四份样品中测得的异音响度结果——其中一份样品不存在缺陷（对照样品），而其他三份样品具有以下缺陷（按照严重程度排列）：

• 一份样品在间隙中具有松散颗粒。 

• 一份样品的音圈可能撞击背板，导致严重嗡嗡声（背板干扰）。

• 一份样品的部分悬边与外壳分离（松散悬边）。

在 20 Hz至 20 kHz频率下，采用 APx 快速扫频激励测试四份样品，其中扫频时间为15秒，输入电平为 2.83 Vrms（1 瓦 8 欧姆）。所采用的频率步进为 ISO R80系列（1/24倍频）。在所有测试中，麦克风均位于靠近防尘盖的轴上，以便最大限度提高测量的信噪比。图13.显示四台扬声器的均方根水平Vs频率。

图12.在小型全音域扬声器上测得的4份样品的异音响度

图13. 图12所示的4份扬声器样品的电平响应。

在这些样品（图12.）的异音响度（Rub and Buzz Loudness）图中，有两个方面值得注意： 

1. 在所有频率上，对照样品的异音响度曲线均为零方或接近零方（最大值约为 4 方）。此外，测试时，该样品上并无任何可听见的异音成分。 

2. 在剩余样品中，异音响度结果似乎均与听者在房间内感知到的响度一致：当扫频通过 200 至 500 Hz范围时，从松散颗粒缺陷样品中可听到轻微的嗡嗡声；当扫频通过 150 至 250 Hz范围时，从背板干扰缺陷样品中可听到更大的嗡嗡声；从松散悬边缺陷样品中听到极大的嗡嗡声，特别是当扫频过渡至 500 Hz至 1.5 kHz范围时。 

在 20 Hz至 20 kHz的频率范围内，从这四份样品测得的异音响度近似最大值如表1.所示。

表1.样品在20Hz至20kHz频率范围内测得的最大异音响度

就绝对电平而言，121 方的异音响度似乎值得怀疑。根据方响度度量定义，这表示异音噪声响度可能听起来与声压级为 121 dBSPL时 1 kHz纯音的响度一样大——接近于疼痛阈值！即便是考虑到麦克风离扬声器极近（仅数毫米远），但该数值甚至高于实测的基波信号（100 至 110 dBSPL）。嗡嗡声是否会比主扫频正弦信号驱动扬声器时发出的声音更大？当考虑人类感知时，这是有可能的。无论如何，重要的是，通过使用响度模型，我们可量化实测异音结果的相对响度。例如，根据“响度级每增10方，响度增加一倍”的规律，与背板撞击缺陷样品（91 方）相比，来自松散悬边缺陷样品（121 方）的嗡嗡声可能听起来约有八倍 (2^{(121−91）/10}=2³=8)  的响度。

基于响度模型，异音响度结果相比异音度量具有以下优势：

1. 一旦测量经过正确配置，在所有频率下，如果样品具有几方或更低的异音响度量级，您都有理由相信其不具备可听见的异音缺陷。

2. 这就提供了一种可用于确定异音缺陷相对可感知的响度的测量方法，例如样品 A 的响度是样品 B 响度的 X 倍。

3. 此外，设置通过/不通过限值的难度也大大降低。在异音响度图上，典型的极限曲线在响度（单位为方）固定时为一条平坦的线（例如，在上文所示结果中，如果响度限值视为 30方，那么，松散颗粒缺陷样品将通过测试；而对于异音噪声响度为两倍或以上的样品，将不允许通过）。相比之下，其他异音度量方式不仅需要测量和分析大量样品，以决定异音度量值的显著水平，而且还需要建立在特定频率范围内偏离实测曲线的复杂极限曲线。

检测扬声器和声学产品成品中的异音缺陷并非易事。根据受试设备的不同，某些方法可能更为有效。如今，APx500 软件提供四种不同的异音检测结果，我们鼓励用户全部尝试一遍。这相对简单，因为所有四种结果均可从同一测量环境中获取。例如，在扬声器生产测试测量中，当选择对数（Chirp）激励时，可采用 APx 原始异音结果和 SoneTrac 异音结果。仅需改变为快速扫频（Fast Sweep）的激励方式，您可在相同的频率范围和幅度设置下测量高次谐波失真和异音响度，并比较四种异音结果，从而决定哪种更适合您的应用。

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