用RMAA测试和设计音箱

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声学测试和计算机辅助设计音箱是许多电子爱好者迫切希望做而又难以具备条件去做的，昂贵的仪器设备一般人根本无法拥有或使用。现在好了，用RMAA就可以进行快速的测试和设计！

1. 声学测量设置

在RMAA的声学测量模式下，只能进行频率响应一个项目的测试。测试用的是一段约17秒的扫频信号，频率变化率为对数扫描，即频率越高，占用的时间越短。这样的好处是各频率点的波形个数基本相等，而如果用线性扫描，频率变化率为固定的，则需要很长的时间进行扫描，否则低频信号根本无法完成一个周期。

另一模式用噪声测试的好处是信号长度可以更短，只需一两秒就足够了，因为这时各频率成分是同时产生的，一秒就可以完整产生一赫兹以上的所有频率信号。

这里RMAA用的是专门设计的“类白噪声”信号，频带范围为5Hz至1/2取样频率。其实质是一系列点频的混合，在1KHz至10KHz间最密集，而且其高低频都有衰减，其目的是与实际的音乐频谱尽量接近，并不是严格的白噪声（其它测试软件大多用标准的白噪声）。

RMAA的分析方法虽然也是FFT，但也与其它软件有区别。它并不将FFT分析的结果直接显示，而是将其与数字测试信号的FFT分析结果相比较，最后显示差值。这也是由其测试信号的特殊性决定的，因为如果是标准的白噪声，其本身频谱是一条水平直线，比较不比较没什么区别。这样对于对数扫描的扫频信号也可以得出平直的标准曲线。

在用其它软件进行标准的FFT分析时，对数扫描的扫频信号曲线是对数衰减的，而线性扫描的扫频信号曲线才是平直的，这是由其各频率成分所占的时间包络面积比来决定的，而不是由振幅决定的，这就涉及到FFT分析的核心实质，笔者也是花了很多时间思考分析才弄清楚！

进行实际的声学测量时用两种模式都可以，但各有长处，最好都测一下以便互相参考。由于一般实际的声学测量只需单声道，普通模式下的“通道分离度”肯定不需要测，而其余指标都可以测。当然也可以只选频率响应一项，这时优点是测量非常快，因为噪声信号只有不到1.7秒，但缺点是由于不是真正的白噪声，低频段信号频点少而且被降低了幅度，因此精确度不是很高。

“声学测量”模式下的扫频信号本身就是单声道的，只用左声道产生和记录信号，而右声道输入是封闭的，即使你给接上别的信号也不会录入。这就给我们用声卡的麦克风输入进行测量提供了方便，我们知道一般声卡的麦克风输入都是单声道的。但目前软件存在一两个Bug，虽然测试只用单声道，但校准/同步信号却要求双声道，如图1所示，用Mic输入，调节音量时右声道无信号，自然达不到要求的电平，“Done”（完成）按扭变灰不可操作。但不要灰心，只需调好左声道电平，然后点击“Cancel”（取消）按扭还是可以进行正常的测试分析过程的。在普通模式下进行同样的操作后会将左声道录入的信号“借”给右声道用，得出同样的分析结果，而不是实际的什么都没有。另外“声学测量”模式下无法进行分步测试和测试信号的输出、读入。笔者已与软件作者就此问题进行了交流，他表示以后版本将会解决此问题。

图1

声学测试需要驱动发声设备，一般是扬声器或音箱，这需要高电平大功率驱动，因此合适的功放是必需的。至于传声器，用质量较好的驻极体电容话筒即可，不过最好参照标准声级计来校准。如果要取得精确标准的结果，当然需要有好的传声器。

用声卡的麦克风接口输入时有个问题要注意。由于一般声卡的噪声较高，而麦克风电路与输出电路是一直连通的，容易产生严重的回授啸叫，根本无法调到合适的电平。这时应该将音量控制面板中“Mic”项“静音”选中。如果还不行，可以用两块声卡分别用作输出、输入源，就可以解决问题。

关于两块声卡共用安装，需要在“控制面板”à“系统”à“设备管理器”中将第一块声卡的游戏端口、DOS模拟器等禁用，只剩标准音频设备，然后再安装第二块声卡，否则会由于设备冲突而无法使用。接下来在“控制面板”à“音频和多媒体”中指定播放、录音设备，将“仅使用首选设备”选中，点“应用”（WIN98中不点易发生录音端口无效的问题）。最后再将音量控制器里的录音、放音选项设好，就可以正常使用了。

2. 频响校准

在模拟测试设备上，频响校准与均衡是一件很令人头疼的事。如果设备的某些环节频响不够平直，需要复杂的电路加以均衡处理，还容易带来额外的失真，这在涉及电-声转换时很常见，因为几乎没有电-声转换器件能够做到足够好的频率响应。现在好了，用RMAA软件的校准功能，可以轻松搞定！你需要做的，只是将信号放大到合适的电平，这相对来说要容易得多。

纯粹电信号的处理过程是可以进行自校准的。例如声卡的频响不平，不管是发生在输入还是输出环节，我们只要先存储一个声卡自身的环路测试结果作为参考曲线，测量其它设备后用该曲线进行校准，就可以方便地消除声卡的影响，得出可信的结果。

涉及到电-声转换时，必须有一个以知频响曲线的电声器件作为标准，或是以一个标准的电声测量设备为参照。有些专业的测量传声器生产厂家生产的高档传声器即带有mdf格式的传声器校准文件，由软件打开即是一条频响曲线，以此为基准来进行校准，即可以消除传声器的影响（mdf校准文件看似神秘，其实很简单，不过是一些频点及响应的数值罗列，用记事本就可以打开编辑，知道了频响曲线后我们自己也可以编写！）。用标准的电声测量设备为参照，即用标准的电声测量设备测量一个可以稳定重复的信号，以其结果为基准，再用别的测量设备测量同一信号，将结果用基准信号校正。

另外还有一个特殊的情况，就是涉及环境影响时的校准。我们知道，一般环境存在比较严重的驻波、反射、混响、噪声等干扰，从而影响声学测量的准确性。正因为如此，研究机构才不惜花费巨资兴建结构极其复杂的消声室。这对业余爱好者当然是可望而不可即的。那么我们就没有办法了吗？也不是绝对的。笔者多年前设计了一套方案，可以消除环境的影响，得出可信的数据。其基本思路就是“参量校准”，不仅能消除环境的影响，也能测量和计算环境的影响。笔者曾经花费数百小时用信号发生器和声级计测试计算，而如今有了RMAA的校准功能，可以很快得出结果，正是如鱼得水，令人欢欣鼓舞。

3. 音箱频响测试

软件和设备的各种问题解决之后，就剩环境影响问题难以对付了，这里就把笔者的测试校准方案介绍一下。

我们先看看环境对音箱频响测试的影响。

按照标准的频响测试要求，传声器位于距扬声器1米的距离上，现在我们就将音箱摆好，传声器架好，调好回路电平，用 “声学测量”模式测量。结果如图2所示。

怎么会有那么明显的峰谷？这样的结果可信吗？当然不可信。因为一般环境的反射和驻波太严重了，完全改变了应有的频响曲线。但是利用RMAA提供的“频响校准”功能，可以将笔者设计的测试方案方便地完成！其低频段的测试精度应该讲是相当精确的，完全可以胜任一般的音箱测试调试用途。下面我们就看看具体步骤。

1）首先将音箱倒相孔堵上，使其成为闭箱，将传声器放到离低频扬声器5至10厘米的地方，正对轴线，调好回路电平，测得近场响应曲线A，如图3所示。

2）将传声器移到离低频扬声器1米远，或是通常的听音位置，正对轴线，调好回路电平，测得远场响应曲线B，如图4所示。

3）保持第2步的条件不变，将音箱倒相孔放开，测得倒相箱远场响应曲线C，如图2所示。

4）以A为基准对B进行校准，得到环境响应曲线D，如图5所示。

D：环境响应

5）以D为基准对C进行校准，得到音箱响应曲线E，如图6所示。这时已经将环境的影响大部分清除了。这里将A曲线一同显示，可以清楚地看到倒相箱对低频提升的效果，在50-200Hz段提升量在3-6dB间，而且频率响应变平了，证明这是一个良好的设计（这是一只优秀扬声器设计的书架箱）。

以上测试方法的基本原理是基于以下一些基本条件：

A. 单声源频率响应可以由近场测量获得，这时直达声远强于环境影响，可以忽略驻波和反射等。

B. 倒相式音箱低频有两个声源，且相位不同，不能由近场测量。

C. 固定点的环境影响是固定的，可以重复。

根据这些大家就可以理解该测试方案的原理了吧！多扬声器系统应该将各扬声器分别测量。中、高频扬声器的频率响应可以直接由近场测定，同样可以由远场测量结果与近场测量结果进行校正而得到环境影响曲线。

应该注意，该测试方案对于音箱的适用频率为1-2KHz以下。过高的频率会由于音箱面板的衍射和干涉而难以测准近场响应。如果将中高音扬声器拆下单独测量，则可以适应更高的频率。无论如何，有效频段的波长的不能小于辐射面半径尺寸。例如面板直径11厘米的高音扬声器最高可以测到6KHz。

得到某相对位置的环境影响曲线后，可以编辑一个相应的mdf校准文件，然后在同一位置测量音箱的频率响应，再加以校准，一次测量就得出你梦寐以求的结果了！

“本期光盘”附带了一个经笔者编辑修改的标准mdf文件，大家可以用任何文本编辑工具打开，但编辑修改必须用记事本、UltraEdit等超级文本编辑器，否则不能正确返存。用鼠标右击该文件，选择“打开方式”列表下的“记事本”、“写字板”等文本编辑程序即可打开。

用记事本打开则可修改。注意一般不要修改频率值，否则无法读取，只将测量出的该频率的修正dB值输入即可。注意返存的方法应该是：先将标准文件拷到硬盘上，直接拷贝粘贴，更换名字，然后再打开改名后的文件编辑，保存时从记事本或UltraEdit中直接点击“保存”按扭保存，或在“另存为”时选择“保存类型”为“所有文件”。如果用记事本或UltraEdit编辑修改后再换名保存，必须在文件名后输入.mdf扩展名。

4.扬声器/音箱阻抗曲线测试

扬声器的阻抗曲线可以反映出扬声器的许多重要指标，对设计合适的音箱非常重要。测试一般采用恒流信号，实际大多采用一个阻值足够大的标准电阻分压，使电流基本恒定。这对于音箱的阻抗曲线测量是完全一样的。具体的分析计算方法清参考笔者的其它文章。

测量可能出现比较高的电压时，必须对声卡的输入端口进行保护，以防烧毁声卡。特别是用价格昂贵的中高档声卡时，一定要注意保护。图7给出了包含保护电路的阻抗测试电路。由图中可以看出，如果扬声器开路，将使功放输出的高压信号串入声卡输入回路，这时如果没有保护电路，极易损坏声卡！

图8给出了一个典型的音箱阻抗曲线测试结果，即上述频响测试的音箱。可以看出倒相音箱低频部分的双谐振峰幅度相等，这是良好的倒相音箱设计的表现，这样我们在设计制作音箱时就不必因不精确的计算公式而反复调试倒相管的长度了，用阻抗曲线指导可以很快搞定！

图8

通过三篇的连续介绍，RMAA的主要用途就基本介绍完了。事实上限于篇幅，还有一些深入的应用技巧和分析未能详述。希望大家开动脑筋，举一反三，自己探索和掌握，相信会给我们的电子爱好和工作带来大的收益的。下次有机会再介绍另一个音频虚拟仪器软件——Adobe Audition。