软件模拟消声室环境测扬声器频率响应的可行性探究

麻 可，魏增来，柳淳曦

（中国传媒大学音乐与录音艺术学院，北京 100024）

在扬声器客观参数的测量工作中，为使测量结果尽可能准确，通常需在消声室中进行，以避免反射声及环境噪声对参数准确性的影响。但由于消声室的建声条件十分苛刻，很多扬声器研发生产厂商不具有良好的消声室测量条件，因此，笔者展开软件模拟消声室条件进行扬声器频率响应的测量探究，以期在一定程度上降低对测量环境条件的要求。国内外对于扬声器客观参数的测量和非消声室环境测量方法方面已存在一定的研究，例如《数字化声学测量技术——非消声室环境中扬声器的测试》等文[1]，讨论了脉冲响应加窗的相关问题，但由于该文发表距今时间较长，所使用的方法能够被当下常见的声学测量软件所替代，且更具有便捷性和实用性。目前，结合相关测量软件模拟消声室条件进行测量的研究相对较少，但该方法对于中小型扬声器厂商的生产研发环节以及实际扩声场景具有实用价值。

1 研究方法概述

本次研究主要采用对比分析法，首先在消声室环境和非消声室环境中测量扬声器的频响曲线(包括幅度曲线及相位曲线)，观察距离、角度因素对测量结果所产生的影响；随后将非消声室环境测量结果进行平均、加时间窗等处理，并将处理前后的扬声器参数测量结果与消声室环境进行比对分析；最后得出非消声室测量扬声器参数的可行性结果及软件模拟消声室测量的测量方法。

测试场地分为消声室和非消声室。消声室为中国传媒大学明德楼负二层专业消声室，非消声室场地选取了三种具有一定差异的常见环境：强吸声录音棚，体积约320 m³，混响时间约0.4 s；较活跃的录音棚，体积约875 m³，混响时间约1 s；一般环境的教室，长方体，体积约233 m³，混响时间约0.8 s。

研究中所使用的软件为Smaart和FIR Capture，前者为实时测量分析软件(亦可进行非实时的加窗处理)，后者为非实时测量分析软件，可进行wavelet(小波分析)等非实时计算。实时测量即在播放测试信号的同时显示测量结果，而非实时测量则需在播放测试信号时将输入的音频信号记录下来，随后再进行分析计算。两种软件均具有上述研究过程中所需的频响曲线测量、多曲线平均计算、脉冲响应加时间窗等功能。之所以采用两种软件进行测量，是想通过不同的测量软件进行相互验证，以进一步确认测量结果的准确度。

图1 测量设备连接图

2 消声室扬声器参数的测量

首先在消声室环境测量一款有源监听扬声器不同距离、不同角度的频响曲线及相位曲线，并观察影响的规律，作为后期进行非消声室扬声器参数测量的基础和依据。

测量设备的连接如图1所示，使用双通道声卡，通过测量软件发送相同测试信号给2个输出通道，一路送至待测扬声器，另一路直接返回声卡作为参考通道，而声卡的另一路输入则连接至测试传声器。首先校准传声器输入声压级；随后设置传声器基准测试点，该测点应与之实际使用距离相匹配，如若测试空间尺寸有限，则需至少与待测扬声器保持其最长边长三倍以上的距离，高度为待测扬声器中低音单元和高音单元连线中点略偏向高音单元处。之所以提出上述距离要求，是因为如果测量基准距离过近，则测试会受到箱体尺寸和单元相对位置的影响，导致测量结果对于测试传声器摆位微小差异的敏感。由于待测扬声器最长边长为40 cm，故基准测量距离定为1.2 m，基本与实际近场监听距离相匹配。如待测扬声器为专业中大型扩声扬声器，则需适当增大测量距离。传声器基准测试点确定后，对测试声压级进行校正，即通过调整测试信号输出和扬声器输出电平，使得在轴向该点处的实测声压级为85 dB。在测量过程中，还同时关注待测扬声器通道信号与参考通道信号的相干性（指2个数据对比的一致性）曲线，即声环境对测试可信度的影响。

测量系统调整完毕后，分别改变距离、偏轴角度，其变化的距离、角度见图2，测量扬声器频响曲线及相位曲线。为简化实验，偏轴角度的选取以扬声器水平覆盖范围为准。

消声室环境下扬声器幅度曲线和相位曲线不同偏轴角度的测量结果对比如图3所示。在未改变其他变量的情况下，偏轴角度增大，扬声器8 kHz以上高频区域幅度有所衰减，相位曲线（图3上方）产生较小改变，但整体趋势无较大变化。从相干性曲线（图3幅度曲线顶部的红线）看，在全频段高于90%，因此消声室环境下测量结果的相干性较好。

图2 测点位置示意图

图3 消声室同一距离3种水平偏轴角度测量结果对比

图4 消声室不同距离主轴测量结果对比

消声室环境下扬声器频响曲线和相位曲线3种不同距离的测量结果对比如图4所示。对比发现，随着距离增大，扬声器幅度在全频段衰减，相位产生较小改变，整体趋势无较大变化。在测量过程中，Smaart软件中使用find delay（查找延时）的功能可将距离引入的延时量去掉，观察扬声器本身的相位曲线，若不使用该功能则相位曲线出现较大弯曲，无法观察扬声器本身的相位曲线趋势。由于对不同测量距离补偿了不同的延时量，因此各个测量点的时间基准被补偿到大致同一位置，产生了一定程度上的微小误差，所以，相位曲线在高频区域产生了较小的差异，但这些差异不具有分析价值，仅需对比其相位趋势即可。

根据消声室环境扬声器频响曲线测量结果，在一定范围内改变测点的偏轴角度和距离均不会对频响曲线的趋势产生较大影响，增大偏轴角度幅度曲线高频会有所衰减，增大距离幅度曲线产生全频段衰减，但幅度曲线及相位曲线的基本趋势均保持一致。因此，为简化研究，在非消声室扬声器参数测量中，可将测量结果及处理结果主要与消声室主轴最短距离处测量结果进行对比，同时观察不同距离、偏轴角度对扬声器客观参数测量结果的影响是否与消声室中所得到的规律一致，总结非消声室环境对测量结果产生的影响。

3 非消声室扬声器参数测量

非消声室扬声器客观参数的测量方法与上述消声室测量方法对应一致，系统连接与图1相同。由于在对比分析过程中需进行多点平均、加窗处理等操作，因此在非消声室环境中还需进行脉冲响应的测量工作，作为时间窗处理的基础。首先通过软件进行双通道对比测量得到扬声器幅度及相位响应，然后经过IFFT(反傅里叶变换)计算得到其脉冲响应，最后通过添加时间窗的处理方法将部分后期反射声移除后得到其频响曲线。非消声室环境的反射声及环境噪声等条件复杂且差异较大，因此适当增大了测点密度以观察环境对客观测量的具体影响，并尽可能避免靠近光滑反射面及噪声源。

在教室环境中测量扬声器轴向不同距离的频率响应结果如图5所示，为方便观察已将三条曲线提升到相同的电平高度。由图5可知，在非消声室环境中测量时，随着距离的增加，不仅电平有所衰减，由于环境噪声和反射声的影响，部分频点的相干性（红色曲线）也会在一定程度上下降，中低频幅度响应的趋势产生较大变化，出现倍频关系的提升或衰减，相位曲线出现较大弯曲或异常拐点，不同距离所导致的相位差增大。因此，在选取测点时，需持续观察相干性曲线及幅度响应、相位响应的变化情况，尽可能避免引入相干性较差、频响异常的数据，以避免影响测量结果的准确性。

图5 教室中轴向3种距离的测量结果

4 对比分析

测量结束后，分别循序进行三种比对研究：

（1）将3种非消声室环境的单点测量结果与消声室对应测点结果进行比对；

（2）将3种非消声室环境的不同距离测量结果取平均后与消声室轴向最短距离处结果进行比对；

（3）对非消声室单点测量结果和平均值进行加窗处理，再与消声室轴向最短距离处结果进行比对。

比对完成后，根据测点选取、多点平均、加窗处理三种方式对扬声器测量结果的影响，推导得出软件模拟消声室测量扬声器频率响应的结果和测量处理方法的可行性。在对比分析的过程中，对频响曲线差异的考虑主要包括频响趋势和电平差异。其中，频响趋势包括幅度响应趋势和相位响应趋势，观察弯曲程度和拐点频率；电平差异方面，则认为3 dB以内电平差异较小。结合频响趋势和电平差异评价软件对模拟消声室测量结果的处理情况。

4.1 测点选取

良好有效的非消声室单点测量结果是模拟消声室测量的基础，观察非消声室环境中不同测点的频率响应测量结果与消声室同一位置测量结果的差异，可以得出在测点选取方面的大致要求。

以非消声室教室环境测量结果为例，将其轴向最短距离处、常规听音位置的频响曲线与消声室轴向最短距离处比对。图6所示为非消声室和消声室轴向最短距离处单点测量结果的比对，可以发现，大部分频率的相关性曲线均在60%阈值以上，500 Hz以上的频响曲线趋势较为一致，电平差异较小，低频部分则出现了由于反射声所引起的提升和衰减。图7所示为非消声室常规听音位置（即轴向3 m处）测点和消声室轴向最短距离处测量结果的比对，可以发现，该点中高频相干性较差，低频幅度曲线畸变较大，相位响应变化也较为明显。

结合图6、图7，在非消声室测量环境中，测量距离应尽可能减小，以减弱反射声和环境噪声的影响，提升相干性。选取测点时可以根据相干性曲线判断是否可以作为有效数据，作为平均、加窗处理的基础。测量距离的选取还与环境条件如房间尺寸、混响声能等方面的因素相关，在房间尺寸较大、测点与反射面距离较大、混响声能相对较小的情况下，可以在不过多受到环境干扰的前提下，适当增大测量距离以减少箱体影响。

4.2 多点平均

由于同一测量环境中，不同测点的反射声和噪声分布情况具有一定的差异，因此利用多点平均的方法能够降低环境中反射声和噪声对测量结果的影响，在《相干平均法测扬声器频率响应的偏差分析》[2]一文中也使用了相似的方法，笔者借助目前常见的声学测量软件使这一方法能够更好地应用于实际工作场景。

基于此，笔者将3种非消声室环境不同距离(1.2 m、1.8 m和3 m)的测量结果分别取平均，然后依次与消声室轴向最短距离处测量结果进行比对，利用软件分析多点平均数据的有效性。

利用FIR Capture软件得出强吸声录音棚测量环境中多点平均值如图8所示，其与消声室中趋势相近的频率下限由单点测量结果的500 Hz降至约100 Hz，但低频仍有明显衰减，这可能是房间反射引起的固有共振造成的。除此之外，中高频变化趋势和消声室测量具有极高的相似度，这表明多点平均对于频响曲线的校正具有一定的积极影响。但由于这种多点平均法包括了距离较远的测点，平均后的声能因为距离增大而产生了一定的衰减，使频响曲线整体产生向下的偏移，相位曲线弯曲程度增大（图8中幅度曲线后方低频至高频平滑递减的两条曲线即为对应相位曲线，其中弯曲程度较大的为强吸声录音棚3点平均后的相位曲线）。

图6 教室与消声室中轴向1.2 m处测量结果对比

图7 教室与消声室中轴向3 m处测量结果对比

使用Smaart软件得出的非消声室测量结果多点平均值与消声室测量结果的相似度也比单点测量有较大提升，相干性显著增强。为方便对比，将非消声室测量结果的均值电平通过测量软件的相关功能提升至消声室测量结果的电平附近处，3种不同测试环境的具体对比结果如图9、图10和图11所示。从图9、图10可以看出，强吸声录音棚中进行3点平均后的频响曲线与消声室测量结果幅度曲线趋势相近的频率下限由500 Hz降至约125 Hz，而在声学环境较差的教室中该频率下限也降到约250 Hz；两种声环境中，中高频都具有一定程度的衰减，8 kHz以上衰减明显（图11），相位曲线整体趋势无特别明显的变化。在较活跃的录音棚中进行测量时，其多点平均结果与消声室结果对比，频响曲线差异较大，相位曲线差异相对较小，因此在混响时间较长的环境中，平均方法暂无法进行较为有效的测量结果校正。

图8 强吸声录音棚中3点平均与消声室中单点测量结果对比（FIR Capture）

图9 强吸声录音棚中3点平均频响曲线与消声室结果对比

图10 教室中3点平均频响曲线与消声室结果对比

图11 较活跃的录音棚中3点平均频响曲线与消声室结果对比

4.3 加窗处理

加窗处理即是对时域脉冲响应信号进行截短，将环境对脉冲响应信号所产生的拖尾进行一定程度的移除，能够在一定程度上滤除非消声室环境中的反射声。加窗的长度对应了截取的时间长度以及相应的截取频率，即此处理能够滤除该时间长度以外的声音，但大于该时间长度相应波长的频率范围则无法被覆盖。加窗时间越短，即将环境所带来的脉冲响应拖尾移除得越多，对反射声的滤除越充分，但与此同时，低频的可信度会随之降低；反之，增加时间窗的长度，能够更多地覆盖低频频率范围，但却无法滤除高频反射声。由此可见，高频和低频反射声难以同时得到滤除，对于加窗长度的选择需根据测量目的进行权衡。在较活跃的录音棚中由于高频能量相对较少，可选择较长的时间窗，滤除低频反射声；而在强吸声录音棚中，中高频能量的衰减与低频的衰减比例相对一致，可选择较短的时间窗，滤除中高频反射声。

在强吸声录音棚单点测量结果的基础上使用FIR Capture软件进行加窗处理，如图12至图16所示，横坐标为频率（Hz），纵坐标为电平（dB），窗函数类型为汉明窗，加窗长度约为2 ms，如图12所示，对于100 Hz以下的频响曲线趋势有一定的改善作用，对比图8可见，由于房间环境产生的频率抵消被解决了。该结果与消声室测量结果相比，其拐点频率几乎一致，但加窗处理仍然无法解决低频电平急剧衰减的问题。

通过实验发现，使用Smaart软件进行加窗处理可能导致低频频率解析度不足等问题，因此不建议对Smaart软件加窗。同时，也不建议对多点平均后的结果进行加窗处理，这是因为当距离和偏轴角度不同时，测点在房间中的位置不同，房间反射对于测点的影响也就不同，造成不同测点处的频响曲线拐点不同，而不同位置的拐点在取平均后会被极大地削弱，造成拐点缺失的现象，如图14所示，与图13单点测量加时间窗的处理结果相比，平均后加时间窗的处理结果低频段拐点不明确，趋势差异增大，因此建议只对单点测量结果加窗。

在较活跃的录音棚单点测量的基础上使用软件进行加窗处理，由于高频反射声的能量衰减比低频衰减速度快，使高频的测量结果准确性降低，因此加较长时间窗，滤除低频反射声。将加窗低频处理后的结果与消声室测量结果比对，如图15所示，100 Hz以下低频的趋势和电平差均较为一致，说明通过软件进行加窗处理后能够很好地模拟消声室测量扬声器低频响应的结果。与同一环境多点平均的结果（图11）相比，对于混响时间较长且尺寸较大的环境，单点加窗处理的方法对于全频段模拟消声室测量更为有效，频响曲线趋势有一定程度的改善，低频加窗后模拟效果较好。

图12 强吸声录音棚中单点测量加2 ms时间窗的处理结果

图13 强吸声录音棚中单点测量加多时间窗的处理结果

图14 强吸声录音棚中多点平均加时间窗的处理结果

图15 较活跃录音棚中单点测量加20 ms时间窗的处理结果

由于不同环境下利用软件对消声室扬声器频响参数测量的模拟效果不同，笔者又尝试了对不同非消声室环境测量结果进行加窗处理后的加权平均方法。将较活跃录音棚单点测量结果加较长时间窗，同时将强吸声录音棚单点测量结果加较短时间窗，随后将两者加窗后的结果进行加权平均。加权平均的方法是根据衔接频段电平差进行一定补偿，例如在200 Hz左右进行衔接，两种环境曲线在该频点的电平差约为3 dB，则较高电平曲线与较低电平曲线在加权时应采取1的比例关系，将两者补偿到一致的电平。低频部分在一定程度上利用了较活跃录音棚的加窗结果，高频部分则利用了强吸声录音棚的加窗结果。其结果如图16所示，与消声室测量结果比对，全频段均得到了较好的模拟效果，幅度响应趋势有较好一致性，且低频拐点也较为一致，未出现较大电平衰减。

图16 不同环境加窗处理后的平均结果与消声室测量结果对比

5 总结

在消声室环境中测量扬声器客观参数，能够避免反射声和环境噪声的影响，得到准确的扬声器数据。在非消声室测量环境中，不能完全达到消声室测量的结果，但可以在一定程度上向其逼近。经上述探究可以发现，在非消声室中通过选取测点、多点平均、加窗和加权等处理方法，可以在一定程度上模拟消声室测量结果，使之在研发和实际应用层面具备一定的参考价值。

（1）选取测点时，首先为避免箱体影响，测量距离应至少为箱体最长边长的三倍；对于非消声室环境，距离不应过大，以尽量避免反射声和环境噪声的影响。

（2）多点平均可将频响曲线趋势相近的频率下限进一步降低，但在声环境较差时不应将相干性过低的测点加入平均。

（3）适当的加窗处理能够提升测量结果的准确度，对于混响时间较长的声环境而言，加窗处理的方法比多点平均更为有效；但由于时间窗无法同时兼顾全频段，因此可考虑对不同环境的测量曲线进行先加窗后加权平均的处理方法，以更好地模拟消声室的测量结果。

上述方法不能完全替代消声室进行扬声器频率响应参数的准确测量，在模拟消声室测量扬声器参数的工作中，需尽可能对自身测量环境建立深入的了解，不仅包括建声参数如混响时间等，更需要了解是否存在共振点、驻波点等不良测点，环境对频响曲线的哪些频点会产生增强或减弱，甚至测量高度对结果会产生怎样的影响，这对测量结果的分析和准确性判断具有一定的辅助作用。

在未来的研究工作中，可以进一步探究声环境、时间窗等方面的内容，使非消声室环境下的测量结果能够在软件处理后，得到更好的模拟消声室测量的结果。具体可探究房间反射声和噪声的类型及其软件消除方法，减小环境对测量结果的影响；探究更多不同的窗函数类型和长度，以尽可能全面、准确地运用软件的处理方法；同时使用更多类型扬声器验证测量方法的可行性和准确性，从而更好地在非消声室环境下模拟消声室条件进行扬声器测量。