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IEC60268-21声学标准测量 - 额定Max SPL

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现代音频设备大多是有源系统,需要支持多种不同特性的输入通道,比如模拟输入、音频文件输入、无线输入等。在激励信号到达换能单元之前还有一些增益控制器、DSP、保护系统、放大器等等,这些部件很好地和换能单元集成在一个箱体里面,使得换能单元电学端口的访问也受限。

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针对现代音频设备的测量,重要的不再是如IEC60268-5中针对无源系统定义输入电平、电压、电输入功率这些参数了,我们需要创建基于输出的测量。额定评估点处的单值最大声压级(Max SPL)是现代音频系统声学测试的基础,可应用于任何输入通道,可应对增益控制器、均衡器、限制器等等。Max SPL可以用来校准任意输入通道以及根据所选控制参数(如音量)来确定最大输入值Umax,评定该值对工程、市场和终端用户都有意义。

【实践中评定Max SPL的步骤】

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1. 收集背景信息(如设计、目标应用)。

目标应用包含竞品的市场营销和基准测试提供的客户期望,即性能特征;还需要考虑目标应用环境的声学特性,聆听范围和音频素材的特性。设计细节包括是否使用DSP、使用DSP的什么功能;节能、降噪和其他智能功能;数字和无线传输的延迟;换能器内发热信息和冷却机制以及其设计的常规非线性等等。这些信息是指定限制和测试条件的基础,需要给与足够的自由度来考虑目标应用中产品的特殊性,通常由制造商定义。

2. 定义允许信号失真的性能限制。

评估产品最大输出性能,则需要评估其大信号性能,比较重要的三个基于物理的测量为:幅度压缩——考察时变特性,对音质影响较小,但是对可靠性影响很大;多音失真——评估产品的常规非线性特性,是设计中所接受的,对音质影响较大;脉冲失真——检测产品缺陷(异常音),属于不规则失真,对音质和可靠性都有很大影响。考虑到特定的目标应用和要求,必须为这三个特征值定义适当的限制,这一过程相当复杂,涉及主观感知音质,还要考虑最大化终端用户价值,在所有性能标准和成本之间做出折衷。

3. 测量幅度压缩、非线性和脉冲失真与输入RMS值u的关系。

幅度压缩基于宽带激励,测试非常简单,但是非常重要且有意义,相信将来会变得更加重要。使用动态范围压缩器、在机械系统中使用主动保护系统以及设备本身的常规非线性等都可能产生压缩。幅度压缩的定义及测量详见以下文章:IEC60268-21声学标准测量 - 时变失真

多音失真测量简单快速,可以使用和测量幅度压缩相同的宽带激励,不仅考虑了谐波失真,还考虑了所有类型的互调失真,能全面反映产品的非线性失真。详细内容可参考:IEC60268-21声学标准测量 - 多音失真

脉冲失真测量可以用来检查产品的异常音(Rub&Buzz)、DSP处理好坏等问题。基于宽带激励的测量对这部分失真并不灵敏,而chirp或其他正弦激励信号能激发缺陷,通过麦克风信号及特殊信号处理技术来检测其症状。详细内容可参考:IEC60268-21声学标准测量 - 脉冲失真

4. 找到一个宽带激励RMS值Utest作为对应考虑性能限制时Max SPL的最大输入RMS值Umax的候选值。

5. 将宽带激励Utest应用于至少1个DUT进行100小时耐久性测试。

6. 检查耐久性测试后的DUT性能是否符合技术规范。

7. 如果检查失败,用较小的Utest重复测试。

8. 将最终认可的测试值指定为最大输入值Umax=Utest。

9. 使用Umax的宽带激励在自由场条件下确定评估点(例如,轴上1m)处的Max SPL。

【Max SPL的KLIPPEL测试方案】

步骤0:准备符合标准的声学条件

测试开始前,需要检查声学测试条件是否达到标准,如果没有良好的消声室,则需要用到原位补偿功能,利用扬声器的扫描测量数据创建一个房间修正曲线来模拟自由场/远场条件。--> TRF, ISC, NFS模块

IEC60268-21中的声学标准测量条件

IEC60268-21声学标准测量条件之原位补偿

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步骤1:远场/自由场测量 (多音)
将麦克风放在评估距离(如r=1m)进行多音测量,激励信号电压步进式增加,软件自动搜索幅度压缩或多音失真达到限制的最大电压候选值Utest和声压级候选Ltest。--> MTON模块
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步骤2:近场测量(chirp)
将麦克风放在靠近振膜处r<5cm,以获取最佳信噪比SNR。在0.1Utest和Utest之间增加电压来测量脉冲失真(最大脉冲失真比IDR和脉冲失真波峰系数CID)以及谐波失真(可选),同时检查是否达到限制。如果IDR和CID超出限制,则选择一个更低的Utest值。--> TRF Pro & STEP模块 

IEC60268-21声学标准测量 - 谐波失真

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步骤3:100小时长时测试(多音)
使用电压为Utest的多音信号对DUT进行长达100小时的功率测试。测试结束后需要让DUT静置24小时,然后检查DUT性能是否还符合规格,这里至少要用chirp信号检测一下DUT是否产生缺陷,如果通过的话,指定Umax=Utest以及maxSPL=Ltest。--> KET, TRF模块
Klippel耐久性测试:时间的考验(译文)
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【和其他标准评定Max SPL的比较】

上述IEC标准评定最大SPL主要取决于目标应用,给与设计者足够的自由度,而且是基于客观物理测量,对于主观方面的音质评价则超出了标准范围。其他标准其实也很类似,比如CEA标准,基于有固定限制的两个测试来计算最大SPL。虽然也进行了长时测试,但这里只有几分钟,使音圈发热来观察热压缩;另外还使用猝发信号来检查谐波失真。对于音质,该标准未完全定义,只是部分考虑了可能影响音质的重要方面。Meyer Sound的方案也一样,采用特殊的M-Noise信号来测量来自发热的长时压缩,也未考虑音质,甚至没有考虑THD、脉冲失真、异常音等。
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推荐观看整个系列:

符合IEC 60268-21标准的音响系统设备的声学测量

该系列总共有15个课题,介绍了如何使用IEC 60268-21声学测量标准来快速准确地测试现代音频设备(扬声器、耳机等)。

消费电子声学
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首次发布时间:2025-07-31
最近编辑:1天前
KLIPPEL_China
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