技术文章|扬声器测量的远场临界距离

　　对于扬声器的声压级（SPL）指标来说，常见的参考距离是1m（3.28英尺）。这个参考距离的出现仅仅是为了便于计算，实际上参考距离可以是任何数值。
　　首先，将参考距离设定为1m可以简化以下声压级衰减计算公式中的除法：

ΔdB=20log（Dx / 1）  理想点声源
ΔdB=10log（Dx / 1）  理想线声源

Dx表示听音者距离，单位为米

　　扬声器测量的距离必须设置在一个扬声器辐射出的声波球形波阵面形状不再发生变化的区域内。球形波阵面形状的变化是由于声波到达该设备表面上不同的点所经过的路径长度差异而导致的。

　　随着与声源之间的距离不断增加，这些差异造成的影响不断减小。原理上近似于与我们在观察一个物体时，如果我们持续向远离该物体的方向移动，那么该物体在视觉上会变“小”。

　　如果到达某一个距离时，传输路径的差异不在对球形波阵面的形状产生影响时，那么这个距离就是该设备近场区域的结束点和远场区域的起始点。

　　一个无限小的声源（点声源）可以在任意距离测量，并且可以使用测量数据按照反平方定律对距离更远处的声压级进行准确推算。

　　一个尺寸非常小的扬声器或许可以在1m的距离进行测量，但对于尺寸较大的扬声器来说情况就完全不一样了。对于尺寸较大的扬声器来说，确定远场区域的起始点是非常重要的，这个起始点是可对声波辐射参数进行测量的小距离。

 

　　在该点测量的数据可用于根据反平方定律推算1m位置的声压级（Figure 1）。我们可以使用这个计算出来的参考数值在可接受的误差范围内对更远距离的声压级进行推算。

概测法

　　对于确定近场区域和远场区域临界点来说，一个有效的经验法则是将小测量距离设置为扬声器边长的3倍。
　　在不考虑近场和远场临界点过渡区域波形变化特性是否与频率相关时，在实际测量工作当中这种距离估算方法通常是一个可接受的方式。更的对远场区域位置估算可通过以下几种方法进行：

　　1. 从垂直于扬声器表面的观察点到扬声器表面上任意一个点的路径长度差都是相等的。不幸的是，只有当观察点距离扬声器无限远的时候才能够实现，而此时观察点的声压为0。
　　2. 当到达某个距离时，扬声器辐射出的球形波阵面随着传输距离的增加不再出现与频率相关的形状变化。
　　3. 当到达某个距离时，所有频率的声压衰减开始遵循反平方定律。这是一个具有实践意义的测量距离定义方式。

 

　　4. 当到达某个距离时，垂直于观察点的扬声器平面上任意一个点到达观察点的路径长度差异小于需测量的频率1/4波长（Figure 2）。
　　从上述这些定义方法当中可以看出，远场区域的起始点与波长（频率）相关。

音符

　　如同我们在前面提到的，在远场区域进行测量是由于需要通过测量数据按照反平方定律来推算更远距离声压级，这也是声学模拟软件的声压级计算方式。

　　如果测量数据的用途不是用于对更远距离声压级的推算，那么测量可在近场区域进行。这个数据对于测量点位置来说是地，但不适用于使用反平方定律对更远距离的声压级进行推算。

　　由于波长的原因，通常人们都认为需要在较远的距离对次低频扬声器进行测量。事实上，对于一个辐射高频声波的设备来说，确定远场区域是一项更加困难的工作。由于高频声波的波长更短，因此满足上述第4项标准变的非常困难。

　　从数据测量角度来说，挑战性的扬声器是通过大面积表面辐射高频声波的大型设别。这类型扬声器的近场区域可以延伸至数百英尺距离，因此使用传统测量技术来获取准确的球形图数据几乎是不可能完成的任务。

　　获取这类设备的声波扩散数据可通过其他方式进行，包括声学建模和声学全息技术——一项由Duran Audio公司开发的新技术。Fulcrum Acoustic公司的David Gunness也已经就这个问题发表了几篇非常重要的论文。

　　某些因素促使所有系统工程师尽量满足测量距离扩展的需要，同样也有一些因素降低了测量距离扩展的要求。这些因素包括：

　　1. 可提供扩展高频响应的大尺寸扬声器通常不会通过整个前面板辐射高频声波。高频声波的天然属性是具有较强的指向性，因此高频声波能量的辐射更多的是通过HF驱动器进行。也就是说，在确定高频声波的远场区域时只需要考虑高频驱动器的尺寸。

　　2. 波束可控的线声源扬声器（例如EAW DSA）不是从整个箱体辐射高频能量。通过为每一个驱动器配置带通滤波器的方式，扬声器箱体的长度与工作频率相关。这种类型的扬声器可以在较近的距离进行测量。

　　难测量的是无源线性阵列系统，特别是有多只扬声器组成的扬声器阵列。阵列中的每一只扬声器都是全频设备，因此中间位置的扬声器和底端位置的扬声器之间的传输路径差异有时会非常大。一个折衷的方法是测量单只扬声器的球形图数据，然后通过模拟软件来预测扬声器阵列的响应特性。

　　与无源线性阵列系统测量难度相当的是带状高音线声源和平板扬声器，原因是这些类型扬声器都是通过尺寸较大的部件来辐射高频能量。

　　很明显，这些扬声器都需要很长的测量距离。较长的测量距离尽管解决了远场测量的问题，但也产生了一些其他的问题：

　　1. 空气吸收损耗随着距离的增加而增加。尽管这种损耗可以通过均衡器进行矫正补偿，但HF增益提升会对受测设备产生额外的负载压力 。

　　2. 随着距离的增加，对环境因素影响（气流和温度的变化梯度等）的控制能力也随之降低。这些环境因素的变化会是测量数据发生变化，使相位响应数据的收集变得相当困难或者根本不可能。

 

　　3. 在室内测量环境中，无响时间窗随着测量距离的增加而减小。这是由于声波辐射至天花、地面或侧墙的时间差随着测试话筒与声源之间的距离增加而缩短。这种影响会使可无响测量的频率下限提高（频率分辨率被削弱）。

　　4. 直达声衰减在30m（100 ft）位置时比9m（30 ft）位置增加了10 dB。衰减量的增加使测量数据的信噪比下降了10 dB，或者说如果要保持与30 ft位置相同的信噪比需要将馈入受测设备的功率增加10倍。

　　5. 由于在测量时间段内（可长达8小时）不稳定的噪声电平和环境因素影响，在户外环境进行测量非常困难。

如果能解决上述问题的话，远距离测量也可以实现。可测量插入时间窗脉冲响应的大型飞机库是一个实现远距离球形图数据测量的良好场所。

　　我们在ETC , Inc.的工作室允许我们在9m的位置进行数据测量。这个距离适用于大多数主流商用扬声器，但并不适用于所有商用扬声器。

　　扬声器翻转设备可以移动，因此无法在9m距离进行测量的设备会转移到一个更大尺寸的空间中在30m距离进行测量，并通过插入时间窗的方式来消除声场反射的干扰。测量距离的确定是根据受测设备进行考量。

 

　　采用上述标准确定远场区域，并将测量距离固定在30 feet（9m），随之可确定不同尺寸受测设备可测量的频率（Figure 3）。需要注意的是，这里指的是HF部件的尺寸。通常情况下，如果这个远场区域适用于高频，那么也适用于更低的频段。
　　对于扬声器衰减特性数据测量来说，确定远场区域是首要条件。在远场区域测量所得的数据才能够在可接受的误差范围内应用于从1m到听众席的声压衰减推算。对于小尺寸扬声器来说（例如书架式扬声器）这个条件很容易满足。由于商用扬声器的物理尺寸通常都比较大，因此存在一个固定测量距离时的可测频率上限。

　　理想情况下，不是在远场区域测量所得的数据都应弃用或在产品参数表或系统设计软件内标明。不幸的是通常这些数据都不会标注测量方法，因此我们在对一个礼堂进行高频覆盖模拟时在一定程度上需要依靠直觉进行判断。