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【技术干货】 全通滤波器(all pass filter)

全通滤波器是一种电子滤波器,所有的频率都能相等地通过,但改变了不同频率之间的相位关系。它通过根据频率改变传播延时实现的。一般来说,这种滤波器被描述为在某个频率相位偏移90°
全通滤波器不同于电子延时,因为:
-电子延时对所有频率引入了相同数量的延时 (纯延时)
-全通只对一个有限的频率范围引入延时。
-全通延时对于有限的频率范围内不是均等的,但改变了每个频率(群延时)
正如简单的HPF和LPF(如Butterworth 和Linkwitz-Riley)的阶数是以6dB/倍频程分类:
1 st order =6dB/octave, 在截止频率相位偏移45°
2 nd order =12dB/octave, 在截止频率相位偏移90°
3 rd order =18dB/octave, 在截止频率相位偏移135°
4 th order=24dB/octave, 在截止频率相位偏移180°
全通滤波器是以相位偏移90°的阶数来分类的。
1 st order = 90° 全通频率相位偏移。
2 nd order = 180° 全通频率相位偏移。
一阶全通滤波器在1kHz:
-在20 kHz将不会产生相位偏移
-在1 kHz将产生90°相位偏移
-在20 Hz将产生180°相位偏移

一阶全通滤波器@ 1kHz(90°@ 1 kHz)


 
图片显示,一阶全通滤波器在较低频率范围去偏极

二阶全通滤波器在1KHz。
-在20 kHz将不会产生相位偏移。
-在1 kHz将产生180°相位偏移。
-在20 Hz将不会产生相位偏移。
 
二阶全通滤波器@ 1kHz(180° @ 1kHz)
图片显示,二阶全通滤波器在较低的频率范围保持相同的极性。

全通滤波器的一个额外参数是带宽或“Q”(一阶90°或二阶180°的相位偏移影响的频率范围)。
带宽越大(或Q越低),将会有更多的频率相位偏移变化。
带宽越小(或Q越高),将会有更少的频率相位偏移变化。
Galileo每个通道包含4个全通滤波器(二阶)。
可编辑的参数有频率和Q。


这样做的原因是为了减少不同的扬声器系统结合时相位的差异。
当相位差在120°- 180°之间,结合后的结果是损失能量。
但当相位差小于120°,结合后的结果是产生额外的能量。
接下来的一系列图形展示了一个实际问题例子和一个实现解决方案:
绿色线是系统A
红色线是系统B
系统B表现出更多的相移,从250 Hz到500 Hz的频率范围之间相位差在150°- 180°



系统A和系统B结合后的响应显示了从250 Hz到500 Hz的频率范围之间能量损失了(在300 Hz损失最大)


绿色线是系统A
红色线是系统B
蓝色线是电子通道(不处理)



绿色线是系统A
红色线是系统B
蓝色线是在287 Hz使用了一个Q值为1的二阶全通滤波器的电子通道(这样可以改变系统A的相位来“匹配”系统B的相位)



绿色线是系统A
红色线是系统B
蓝色线是使用全通滤波器后的系统A(注意,蓝色线和红色线的相位响应非常相似)



棕色线是使用全通滤波器后的系统A
红色线是系统B
蓝色线是系统A(经全通滤波器)和系统B的结合响应



蓝色线是系统A(经全通滤波器)和系统B的结合响应
棕色线是系统A(没经全通滤波器)和系统B的结合响应
注意每个系统相位响应匹配,结合响应会有很大的改善



 
注:本文译自国际品牌扩声技术手册。


 

【技术干货】如何看懂音箱的指向性

       指向性在规定频率范围内,扬声器偏离正面轴向时的频率响应相对于正面轴向频率响应的变化特性,也是扬声器(音箱)辐射的声压随方向不同而变化的特性。
       在音响领域中,音箱的指向性定义为角度关系,即声压级相对于中轴线衰减6dB时来定义音箱的覆盖角度,国际上称为-6dB角。因此,指向性也称为覆盖范围。依次方法,例如某只音箱在中轴线上(参考频率是2000Hz)测得的声压级是96dB,那么音箱水平(垂直)偏离中轴线左右(上下)处测得声压级是90dB,我们可以测量出偏离中轴线(左右)处的夹角是40度,这样我们可以定义音箱的水平覆盖角是80度。

请看示意图


       指向性是扬声器(音箱)在空间各个方向的频率响应。它是从空间的角度描述了音箱在参考轴上以外的空间的频率响应情况。之前讨论的频率响应曲线是音箱的频域特性,现在指向性可以说是音箱的空间特性。
       指向性是随频率变化而变化的,一般频率越高,指向性越强;反之亦然。
       指向性的一种图示方法,叫极坐标图(polar plot)
 
       我们来看某品牌音箱对称结构的水平和垂直指向性:

水平指向性

 






垂直指向性














非对称结构的指向性
(国际知名品牌)



       非对称结构的指向性从图可以看出,声压的覆盖是不均匀的。
       由于极坐标图数据的理解很容易混淆,也因为声压图的解释需要很多图,所以可以用另一种图表示,我们称为波束宽(Beamwidth
       以下是某国际知名品牌音箱的指向性,用波束宽图表示




       这样表示简单清晰,可以看出水平和垂直角度都在90度,
       我们可以看他们给的产品资料验证:



       该音箱的资料显示水平和垂直角度都是90度。
       其实还有更简单的一种表示方法,等压分布图
       我们看某知名品牌的音箱指向性,如下图



       根据-6dB角定义,从分布图可以看出这音箱的水平角应该是70度左右,我们可以看该音箱的产品资料验证



       该音箱的水平角度是75度。
       根据声学原理,在低频段,喇叭单元所辐射声波的波长远大于喇叭单元振膜的边长,此时的声辐射没有明显的指向性。但是随着频率的上升,当喇叭单元所辐射声波的波长等于或小于喇叭单元振膜的边长时,声辐射就会沿着参考轴方向产生聚焦现象辐射声压产生明显的方向性,在听音空间产生不均匀现象,使得主观听音效果受到严重的影响。因此,不难知道,每一个喇叭单元都会受到自身尺寸所规定的实用边界频率的限制。喇叭单元的振膜面积越大,它的实用边界频率就越低。
       目前流行的线阵列音箱,它的水平角度是恒定角度,垂直角度非常窄(指向性非常强),所以可以通过调整音箱的夹角来控制音箱在实际场地的垂直覆盖(也就是前后覆盖),使声场的均匀度可以得到改善。
       本文分享到此,小伙伴们看懂了吗?
 
以上音箱指向性图片来自各大知名音响品牌网站提供的数据。



【技术干货】音箱的最大声压级和什么有关系?

       音箱的最大声压级:是指给音箱输入最大额定功率,在距离音箱正前方中轴线1米的位置上测得的声压级
       最大声压级SPLmax=音箱的灵敏度+10LP音箱/Pref音箱的灵敏度就是在1米处给音箱输入1瓦的功率得到的声压级
       Lg是以10为底的对数函数符号
       P音箱代表音箱的额定功率
       Pref代表参考功率1瓦
       由此可得,音箱的最大声压级是在1米的位置得到的。还有影响音箱的最大声压级的两个因素是音箱的灵敏度和音箱的额定功率。
       接下来……我们来做个数学题。
        假设有一只音箱的灵敏度是100dB,我们先输入1瓦的功率得到的。声压级是:根据SPLmax=音箱的灵敏度+10LP音箱/Pref,可得到100dB。任何一个不等于零的数的零次幂都等于1。因此,1的对数永远是0。接下来如果我们输入2瓦的功率得到声压级是:同样根据
        SPLmax=音箱的灵敏度+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
        如果我们输入4瓦的功率得到的声压级是:我可以很肯定的告诉你是106dB。因此可以验证我们之前在“音箱灵敏度”这编文章提到的,对于同一只音箱,输入的功率增加一倍,声压级增加3dB。
       现在假设有一只音箱的灵敏度99dB,额定功率是800瓦(AES),峰值功率是3200瓦。我们可以通过SPLmax=音箱的灵敏度+10Lg P音箱/Pref来计算出音箱的理论最大声压级。根据SPLmax=音箱的灵敏度+10Lg P音箱/Pref可得出音箱的连续最大声压级是128.03dB,峰值最大声压级是134.05dB。
       那么实际的最大声压级呢?
       这个是可以通过实验来测试得到的,由于该实验最好是消声室空间(考虑是会影响人耳听力或者扰民),而且最大声压级实验是破坏性实验(可能烧坏单元,或者做完实验之后该音箱不能当作新产品使用了)。实际测试的最大声压级,有可能会比理论计算还要大,为什么?因为我们给音箱标准灵敏度时是以平均值,但是音箱频率响应曲线是有峰谷波动的,请看VA品牌MU15的频率响应曲线:

 

       从图片可以看到光标虚线的X轴位置是在1148.846Hz,Y轴的刻度是在103.004dB,如果我们给音箱输入最大不失真的电压,然后拿声压计测试,声压计肯定是以某频点的最大声压显示在声压计,这时候的最大声压级肯定是比理论值大。因为我们的产品资料中灵敏度只给了平均值101dB。


 
       讨论至此,回归题目。音箱的最大声压级和什么有关系?大家应该知道了吧。cool

【技术干货】音箱的频率响应有什么用?

频率响应:
       在恒定电压作用下,参考轴线上距离扬声器(俗称音箱)一定距离处,音箱所辐射的声压级随频率变化的特性。频率响应一般是记录在以对数频率刻度为横坐标的图上,即频率响应曲线。国际上通用的音箱频率响应定义曲线变化的峰谷相差6dB(也就是±3dB)作为扬声器的频率响应曲线。
频率范围:
       扬声器重放音频时可以利用的频率范围。它由扬声器的上下限频率确定,在我国,国家规定在频响曲线上灵敏度最大值下一个倍频程或是厂家规定的更宽范围内的平均声压级再下降10dB,画一条平行于横坐标的直线,它与频响曲线两端的交点对应的两个频率即为上下限频率。有效频带越宽且不均匀度越小,扬声器的性能也就越好。
接下来看一张频率响应图

±12dB图片(01)


噢……简直太完美了,但是你是否注意到了,Y轴刻度是每大格12dB。你被骗了,事实真相是这样的。

±6dB图片(02)



这是同一只音箱的曲线,你没看错吧。

±3dB图片(03)


怎么可能,这音箱的曲线太差了。是的,这就是音箱的实际频率响应曲线。你有见过频率响应曲线几乎像一条直线的吗?接下来就是见证奇迹的时刻。
SMAART 7实际测试图

±12dB图片(04)


±6dB图片(05)



±3dB图片(06)


       其实展示那么多实际测试的图片,是想让大家知道怎样去判断,好的音箱频率响应曲线应该是什么样子。那么问题来了,频率响应越平滑,音箱重放音乐就越好听吗?不一定还要看喇叭单元的材料等等……
       反过来再问一次,重放音乐比较好听的音箱,它的频率响应曲线是否相对比较平滑?答案是肯定的!在专业音响中,我们总希望一只喇叭单元还原的频率可以达到20-20kHz,你觉得可能吗?




 

【技术干货】音箱,你究竟有几个功率

       过去很长一段时间我国各扬声器制造厂家对输入扬声器的功率都采用“标准功率”的数值,在这个功率上规定了谐波失真是在馈给扬声器标准功率的恒定电压下测试的,所测得的非线性失真系数不应超过给定扬声器的规定值。因为标准功率是由失真值的大小确定的,失真值又不能超过一定的要求,所以标准功率都定得比较小,通常是低于其它类型功率的。长期接触标准功率的读者难怪会觉得国产扬声器标出的承受功率比国外扬声器低得多。
       扬声器的功率(或称扬声器最大承受的电压)是一项重要技术参数,它代表扬声器承受长期连续安全工作的功率输入能力,了解扬声器的功率处理能力,首先必须懂得扬声器驱动器是如何损坏的,驱动器的损坏模式常见的有三种:
       第一种是音圈过热损坏(音圈烧毁,过热变形,开胶散圈,匝间击穿等),
       第二种是驱动器的振膜位移量超过极限值,使扬声器的锥形振膜或其周围的弹性部件损坏,通常发生在含有很多大振幅的低频信号。
       第三种类似第二种,是由于从振膜到接线端子的引线过短或质量太差,在大幅度的振动时,引线断开。
       为了消除扬声器的不同类型功率在定义上的混乱,国际电工委员会(International Electrotechnical Commission,缩写 IEC)颁发了《电声器件扬声器》标准,提出了所有到会国家一致采用的下面几种扬声器功率:最大噪声功率(额定噪声功率)、最大正弦功率、长期功率(额定长期最大功率)和短期功率等,这些功率指标均与失真无关,现分别作简要介绍:

额定噪声功率(Rated Noise Power)
       其定义为:连续向扬声器输入模拟噪声信号(将粉红噪声经过带通滤波和限幅后的信号),在100小时内连续工作没有过热和机械损伤,这个功率就称为扬声器的额定噪声功率。该功率的大小与失真度无关,所以通常比前述的标称功率大1.5至3倍左右。目前国内外厂家生产的扬声器,铭牌上的标志最常见的就是这个功率。人们进行音响系统设计以及扬声器与放大器的匹配时也都采用这个功率。额定噪声功率还有其它名称,如最大噪声功率(Maximum Noise Power)、连续粉红噪声功率(Continuous Pink Noise Power)或简称为连续功率、噪声功率等,其含义是相同的。

额定最大正弦功率(Maximum Sinusoidal power)
       亦称为连续正弦波功率(Continuous Sine Wave Power)或均方根(RMS)功率:这是一种在给定频段送入单频率的连续正弦信号,连续工作一小时,在此功率下扬声器音圈振动不应产生打底声,扬声器没有过热损坏和机械损伤。由于该功率不受给定的非线性失真的限制,所以该项功率也是高于标准功率的。

长期功率(Long-Term Power,亦称为额定长期最大率)
       这是一种在给定频带内专门规定的噪声信号功率。扬声器承受此功率在1分钟内不会引起永久性的机械损伤(每两分钟时间间隔试验重复10次)。这项功率比前面提到的额定噪声功率又要大许多。

短期功率(Short-Term Power,称为额定短期最大功率)
       也是一种专门的噪声功率,这种噪声信号的类型与确定最大噪声功率相似,其定义为扬声器工作1秒钟,停60分钟,重复60次,在承受此功率过程中不会引起永久性的机械损伤。该项功率是所有命名功率中标值最大的。通常比标称功率大8—10倍。有些厂家称之为峰值功率(Peak Power) 。

音乐功率(Music Power)又称为节目功率(Program Power)
       取决于使扬声器承受250HZ以下短期正弦信号的能力,听起来没有明显失真,也没有永久性机械损伤。这个功率值既考虑扬声器所产生的失真值,又考虑扬声器的永久性机械损伤值,是德国标准DIN所采用的。

EIA RS—426标准
        美国电子工业协会(Electronic Industries Association、缩写EIA),在EIA RS—4264标准中规定,将一特别的测试噪声信号加至扬声器该噪声信号的频谱分布较为接近实际的节目信号,并且要在扬声器上持续8小时之久,还要求被测扬声器能承受比此噪声功率高四倍的瞬态峰值。显然,这对扬声器的机械结构和热性能是很严格的考验。这样测试而得出的数值可能要低于采用正弦波法所得到的数值,但按此数值与功率放大器相配合则不易毁坏扬声器系统。美国EV公司的产品就采用EIARS—426作为测试扬声器功率承受能力的标准方法,并将其能承受8小时的功率称为“长时间平均功率”,或“噪声功率”,而将视于该功率的功率称为“瞬时功率”。

AES功率
       美国声频工程协会(Audio Engineering Society,缩写AES)的标准规定,是把喇叭装入箱体,用粉红噪声信号(峰值因子为6dB),接通功率放大器,然后送给音箱,放大器输出端(音箱输入端)接毫伏表,按照喇叭的标称功率,计算一下满功率的时候喇叭承受的电压值(比如8欧姆400W标称功率的喇叭,满功率时两端电压为56.57伏),开机后,逐渐加大输入信号,等毫伏表读数等于喇叭额定输入电压值的时候,保持这个状态工作2小时,然后把喇叭拿去测试各项指标和测试前差别不超过10%,那么这个喇叭的标称功率就符合AES功率标准。这个功率称为“额定输入功率(AES)”或“连续粉红噪声功率(AES)”。 目前AES功率被大多数厂商采用。

       可见,不同的测试标准,扬声器的标称功率也不同。
       常见音箱的功率表示方法:连续长期或额定功率(AES)节目或音乐功率(AES功率的2倍)峰值或瞬时功率(AES功率的4倍)
       那么问题来了……例如以下的哪一个音箱的功率最大?音箱甲:400瓦 8欧姆(AES),音箱乙:500瓦 8欧姆(Program),音箱丙:600瓦 8欧姆(Peak)。这么说,肯定阿丙的功率是最大了?
       但是为了公平起见,我们必须把他们放在同一条件下比较,因为:音箱甲:400瓦 8欧姆(AES),相当于800瓦(Program);音箱乙:500瓦 8欧姆(Program),相当于500瓦(Program);音箱丙:600瓦 8欧姆(Peak),相当于300瓦(Program)。
        现在真相大白了,音箱甲功率才是最大的。

以上功率的部分定义来自网络。



 

【技术干货】音箱的灵敏度是这样的

灵敏度(sensitivity):在全自由空间中,给扬声器(俗称音箱)输入端输入1瓦功率的正弦信号时,在距离扬声器(音箱)正面垂直中轴线1米的位置所测得的声压级称为音箱的灵敏度。灵敏度的单位是分贝(dB)灵敏度大小反映了音箱的是否耗功放功率,是否容易驱动;是音箱技术参数最重要指标之一。

▷ 全自由空间 ◁


▷ 实际测试图 ◁




▷ M15的灵敏度 ◁


▷ 实际应用场地 ◁


▷ Smaart 7 实际测试图 ◁


       音箱灵敏度有什么用?作用非常大!
       举个例子:有两只不同灵敏度的音箱,阿甲的灵敏度是96dB,功率1024瓦;乙的灵敏度是99dB,功率是512瓦。如果它们要产生相同的声压级的话,甲需要的功率放大器的输出功率是乙的两倍,因为同一只音箱只要功率增加一倍,声压级增加3dB。



       由此可以看出,音箱乙的灵敏度比音箱甲高3dB,需要功率是音箱甲的一半就可以得到相同的声压级。如果从主观听感上评价,灵敏度高的音箱容易驱动,效率高!
       那么现在如果你要买音箱,有一只音箱A的灵敏度是99dB/350瓦,2000元。另一只音箱B97dB/600瓦,2000元。
你选择哪个?

如何用SMAART7的Transfer function(传递函数)得到正确的幅频曲线(频率响应)和相位曲线

如何用SMAART7的Transfer function(传递函数)得到正确的幅频曲线(频率响应)和相位曲线?

步骤一:
       连接好声卡,接好测试话筒,摆放好话筒位置。打开信号发生器(在英文键盘下快捷键:G)。会看到参考通道有信号,但是测试通道还没有信号,这时显示如下图:



       这时如果音箱已经有粉噪声发出(没有粉噪声发出,请检查声卡输出至调音台,调音台至后级设备是否正常并已经打开),那么需要检查:1、软件设置里,测试通道是否与声卡连接话筒的通道一致;2、测试话筒的48V幻象电源是否打开;3、声卡测试通道的增益是否合适;4、测试话筒的线路、测试话筒是否正常;
把测试通道的信号问题解决后,你将会看到这样的画面:



这个画面由于没有查找并插入延时,所以相位曲线、相干性曲线(红色)的显示不正常的,频响(幅度)曲线高频部分也没有正常显示。

步骤二:
2.1查找并插入延时。点击Find(快捷键:L),弹出查找延时的对话框,如下图:



       或者点击Find Delay 两三次得到的延时差别不是很大的时候,点击Insert 插入延时。如果这时查找到的延时与估算延时(话筒到实测音响的距离/声音的速度)差别太大,可以点击Find Delay 进行重新查找延时,或考虑其他的因素(如果你找的是超低的延时,那么是每次都不一样的。)
2.2插入延时后,你将会发现相位曲线变正常了,相干性曲线也好了,频响曲线也好了。



为了更细的查看相位和频响曲线,你可以更改相位平滑类型和幅度平滑类型。





为了方便查看,一般选1/3倍频程。最后按空格键或点Capture保存当前曲线。