音频设备的指向性测试方案

Lili匠

扬声器与其声学环境交互的方式高度依赖于指向性，并直接影响聆听体验。从扬声器设计师的角度来看，从音盆材料、系统设计到使用数字信号处理的有源控制，有无数种选择可以使扬声器具有指向性或全向性。然而，在三维空间中进行准确的声学测量仍然是一个挑战。
传统测量技术

传统指向性测试是需要在自由场中的远场进行的，这就需要室内温湿度可控、边界覆盖吸声材料的全消声室或者半消声室，利用Klippel的极平面远场测量POL（Polar Far-Field Measurement）模块，全自动控制被测声源在φ和θ轴上旋转并测量其声压频响。

硬件上有不同的设置方法，一种是只用一个转台进行的一维极坐标测量：

将测量数据通过可视化软件的处理，就可以得到声功率、指向性指数、等高线图（contour plot）以及极坐标图（polar plot）等结果。

另一种测试设置是利用两个转台进行的二维极坐标测量，可以得到额外的3D辐射特性气球图（Balloon plot）：

还有一种替代旋转转台的方案就是利用麦克风阵列，硬件设置如下：

以上这些传统远场测量方法有诸多的缺点：

• 消声室浪费空间、费钱、不机动，试想若要迁址，消声室怎么带走？
• 低频吸声不够，往往100Hz以下测得的响应数据不可信
• 对于大型扬声器系统来说，满足远场的第一个条件就是测试距离要大于扬声器系统的尺寸。而温湿度在传播路径上的变化会影响相位响应，使得最后的方向性不准，举个例子：5m测试距离时，2℃的温度偏差在5kHz处产生90°的相位误差。
• 要得到3D数据，要让DUT在多个轴上转动，对于重型DUT来说不能保证其定位精度
• 要得到1°角分辨率的数据往往不现实，一般都高于2°， 且需要假设一个或两个平面是对称的以减少测量时间
• 只有远场数据可用，近场声场不准确，而近场声场对于评估当今便携式设备、监听音响应用很重要
  
  

近场全息测量技术

近场声学全息技术（NAH: Nearfield Acoustical Holography）的中心思想就是用一系列球面波来近似扬声器在近场的辐射声场，再通过外推计算确定其在远场中任意一点的声场情况。可概括为以下三步：

第一步是测量，在声源近场定义的两个扫描面上进行扫描；

第二步为全息数据处理，用球面波函数进行级数对声场中测量的声压进行拟合，确定展开阶数，得到能描述特定声源特征的系数。

第三步进行声场外推，计算得到声源扫描面外（包括近场和远场）任意一点的三维声场及指向特征。

基于该全息技术，Klippel目前提供两个方案：一种就是近场扫描仪NFS（Near Field Scanner）。

应用Klippel的专利技术声场识别（Sound Separation）提取直达声，适用于任何房间的测试，因此无需消声室！测试过程中，声源固定在扫描机器人平台上，软件控制麦克风移动定位进行扫描测量，因此非消声环境中的反射是保持一致的，通过分析软件可以完全补偿房间反射。

NFS扫描仪方案适用于多种类型声源的指向性测量，包括专业扬声器系统、阵列、喇叭单体、耳机、智能手机、智能音箱等等。

另一个方案是SCN NF附加组件（SCN Near Field Add-on），专门针对喇叭单体、小型智能音箱或入墙式扬声器的半空间指向性测量。因为是SCN系统的扩展，对于已经拥有SCN系统又想测试指向性的客户而言，就很实惠方便了。

经过扩展过后的系统就拥有了多重功能，变成了一个多功能扫描工作台（Multi-Scanning Workbench），可以执行由电气域、磁场域、机械域到声学域的测量！