扬声器的互调失真测试分析探究

张俊平

（江西联创宏声电子股份有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

扬声器是音响系统的放声单元，其作用是把音频电能转换成相应的声能，并将它辐射到空间去。扬声器的非线性是影响扬声器音质的一个重要因素，因此，历来都受到声学工作者的高度重视[1-2]。目前为止,对于扬声器已有多种测试指标和方法，除了谐波畸变和互调失真以外，还有差频失真、二阶堂失真等。对扬声器的非线性失真的研究，一般只限于高次谐波的产生。

扬声器在重放声源的过程中，由于磁间隙的磁场不均匀性及支撑系统的非线性变形因素，会产生一种原信号中没有的新的频率成份[3]。因此，当新的频率信号与原频率信号一起加到扬声器上时，又会调制产生另一种新的频率。另外，音乐信号并不是单音频的正弦波信号，而是多音频信号。当两个不同频率的信号同时输入扬声器，因非线性因素的存在，会使两信号调制，产生新的频率信号。故在扬声器的放声频率里，除原信号外，还出现了两个原信号没有的新频率，这种失真为互调失真。其主要影响的是高音（亦称音调）。

互调失真的术语解释为：当输入基频为f1,f2,…的正弦信号（至少两个）时，用频率为pf1+qf2+…（其中p，q为正、负整数）的输出信号与总输出信号之比表示的幅值非线性。这些信号可以用功率、电压或声压表示[4]。互调失真是扬声器驱动系统非线性特征的关键表现指标，主要反映BL（X），Le（X）非线性特性的影响以及声学辐射输出里面的一些非线性影响。扬声器固有的非线性，如力因子BL（X），电感Le（X）以及多普勒会产生很大的互调失真。

互调失真的存在直接影响音响制品音质的好坏。作为音质评判的重要技术指标之一，互调失真的测试分析非常重要。测试出的失真尺度对诊断、改善扬声器设计以及针对特殊用途挑选扬声器很有价值。执行互调成分测量的方法有很多，通常使用含两个或以上频率的多音调激励信号，含大量频率的激励音更能代表一个真实的音频信号，但也产生很多需要解读的数据[5]。现行的GB/T 12060.5—2011 和IEC60268-5：2007 标准中，给出互调失真的测试方法为：扬声器置于自由场或半空间自由场条件下，将幅度比为4∶1、频率为f1和f2（f1＜f2/8）的两个正弦信号接到放大器的输入端，将f1和f2线性叠加的输出信号馈给扬声器。除非另有规定，测量传声器置于参考轴上距参考点1 m 处[6]。但是具体实施的测试分析方案以及不同测试设备对于同一产品的互调失真测试结果是否存在差异，需要进行对比研究。对此，本文用声学行业内常用的Klippel 测试仪与SoundCheck 测试仪来进行测试方案验证实施，并对测试结果进行分析研究。

1 被测扬声器样品

被测扬声器样品的型号为φ40 mm 动圈式扬声器，扬声器共振频率F0为230 Hz。

2 用Klippel 仪器测试互调失真

2.1 测试方案

测试环境为：温度24 ℃，湿度50%，自由场。测试设备主要有Klippel 失真分析仪、QSCPLX-1802 功率放大器以及B&K4191 麦克风。测试距离为1 m。测试频率f1在2 000～8 000 Hz（对数点间隔50点扫描），f2=230 Hz。测试电压U1=1.1V，U2=4U1（实际加载在扬声器两端的电压）。

n阶互调失真dn是由于失真而产生的频率为f1±(n-1)f2的声压有效值的算术和与由信号f1产生的声压有效值P(f1)之比，f1和f2为两个规定幅值比的输入信号的频率，f2甚低于f1。

测试设备系统内置的测试数据计算公式为：二阶互调失真计算公式，三阶互调失真计算公式。

将扬声器放置在消音室中，将失真分析仪的输出端连接到QSC 功放输入端，并将QSC 功放输出端与失真分析仪输入端放大器，使用电缆将扬声器与Klippel 的Speaker 1 接头相连接。使用外部电源供电的B&K 麦克风，将麦克风电源供应器用XLR（公）连接到Klippel 失真分析仪IN1 端口，通过USB 数据线将失真分析仪与计算机连接。连接方式如图1 所示。

图1 Klippel 测试接线图

测试参数设置：选择模式为“互调（f1）”，将U1设置为1.22 Vrms（扣除线阻，实际加载到扬声器两端的电压为1.1 Vrms），将U2/U1设置为12 dB，打开频率扫描，语音频率f1在2 kHz 到8 kHz 之间以对数间隔50 个点。将低音频率f2设置为f2=230 Hz（扬声器共振频率）。将预激励时间设置为0.01 s。如图2 所示。

图2 Klippel 激励设置

2.2 测试结果

图3 为Klippel 测试的二阶互调失真，主要存在三个峰值。在2 435 Hz 左右存在一个峰值，大约为42%；在2 650 Hz 左右存在一个峰值，大约为22.5%；在3 235 Hz 左右存在一个峰值，大约为30%。图4 为Klippel 测试的三阶互调失真，超过10%的峰有两个。一个在2 435 Hz 左右处，大约为25%；一个在3 235 Hz 处，大约为10.5%。

图3 Klippel 测试二阶互调失真

图4 Klippel 测试三阶互调失真

3 用SoundCheck 仪器测试互调失真

3.1 测试方案

测试环境为温度24 ℃，湿度50%，自由场。测试设备主要有SoundCheck 声卡、QSC PLX-1802功率放大器以及B&K4191 麦克风。测试模板采用SoundCheck 自带的互调失真测试模板（IMD）。测试距离设置为1 m。测试频率：高音频率f1在2 000～8 000 Hz（对数点间隔50 点扫描），低音频率f2=230 Hz。测试主音频电压1.1 V，固定音频电压（实际加载在扬声器两端电压）为4.4 V。

测试设备系统内置的测试数据计算公式如下：

式（1）为Total IM 的计算公式，式（2）为Total IM Distortion Ratio（%）的计算公式。IM 表示“互调（Inter-Modulation）”。式中：H为谐波电压分量，f1为高音频，f2为低音频，分别为高音频和低音频谐波电压。互调失真的测量方法实际上是对谐波电压分量的测量。

把扬声器放置在消音室中，将Soundcheck 声卡输出端连接到QSC 功放输入端，并且将QSC 功放输出端直接与扬声器相连，使用外部电源供电的B&K 麦克风，将麦克风电源供应器用XLR（公）连接到声卡的输入端口，通过USB 数据线将声卡与计算机连接。如图5 所示。

图5 Soundcheck 测试接线图

打开SC 自带的IMD 测试模板，在setup 下打开激励设置。分别设置主音频模块（Master Tone）、固定音频模块（Slave Tone）的测试参数。主音频激励设置为1.18 Vrms（扣除线阻，实际加载到扬声器两端的电压为1.1 Vrms），主音频频率设置与Klippel 测试的参数设置保持一致，最小持续时间设置为40 ms。如图6 所示。

图6 Soundcheck 主音激励设置

固定音频激励设置为4.7 Vrms（扣除线阻，实际加载到扬声器两端的电压为4.4 Vrms），固定音频频率设置与Klippel 的参数设置保持一致。如图7 所示。测试参数的设置需要满足如下要求：固定音频频率的频率值，调整到扬声器的共振频率；主音频电压必须小于固定音频电压的4 倍；主音频频率至少是固定音频频率的4 倍，避免主音频频率和固定音频频率的叠加；最小持续时间大于8 个周期的固定音频。

图7 Soundcheck 固音激励设置

3.2 测试结果

测试结果如图8、图9 所示。图8 为Soundcheck 测试的二阶互调失真，主要存在三个峰值。在2 370 Hz 左右存在一个峰值，大约为16%；在2 650 Hz 左右存在一个峰值，大约为16.5%；在3 235 Hz 左右存在一个峰值，大约为15.5%。图9 为Soundcheck 测试的三阶互调失真，超过5%的峰有一个，在2 435 Hz 左右处，大约为7%，其他峰值都在5%以下。

图8 Soundcheck 测试二阶互调失真

图9 Soundcheck 测试三阶互调失真

4 互调失真测试数据分析

4.1 数据对比

Klippel 和Soundcheck 测试的二阶互调失真数据峰值频率接近，Klippel 测试的二阶互调失真峰值大于Soundcheck 的测试值，如图10 所示。Klippel 和Soundcheck 测试的三阶互调失真数据峰值频率有细微差异，Klippel 测试的三阶互调失真峰值要远大于Soundcheck 测试值，如图11 所示。

图10 二阶互调失真差异

图11 三阶互调失真差异

4.2 差异分析

进一步对测试数据的差异进行深入分析。通过比对Klippel 与Soundcheck 测试仪的帮助文档中的数据处理计算公式，发现两个测试设备的数据运算公式存在差异。Klippel 采用的是IEC 60268 标准中的声压计算方式，而Soundcheck 采用的是IEC 60268 标准中的电压计算方式，数据运算方式存在较大差异，因而测试出的结果有差异。

进一步检索资料，查阅相关标准，比对分析设备说明书及标准文本，发现Klippel 参考的是GB/T 12060.5—2011/IEC60268-5：2007 标准中的声压计算方式，即由于失真而产生的频率为f1±(n-1)f2的声压有效值的算术和对由信号f1产生的声压有效值之比，但两个规定幅值比的输入信号的频率f1和f2定义恰好对调。而Soundcheck 采用的计算方式为IEC 电压法。

5 结语

本文采用相同的麦克风信号输入线路与扬声器激励输出线路，并使用同一型号的功率放大器进行测试验证分析。测试结果表明，Klippel 与Soundcheck 的测试数据差异较大。通过分析数据，比对Klippel 与Soundcheck 的帮助文档中的互调失真的计算公式，发现两个测试设备的数据运算公式存在差异，两者的测试差异是由于两种测试设备的计算公式不同导致的。

本文通过不同测试设备对扬声器的互调失真测试分析探究结果，可指导产品开发技术人员进行测试评估。测试数据需关联实施测试的设备，不同的测试设备测试出的互调失真曲线，数值差异较大。Klippel 设备的测试结果处理依据GB/T 12060.5—2011/IEC60268-5：2007 标准，标准符合性更有说服力。