低音炮的客观测试和主观听感:解读消声室中测试的频率响应曲线

HiFi秀 | 2016-12-14

《家庭影院技术》2007年第六期用相当多的篇幅刊登了对于海外十四款著名品牌的有源超低音箱进行的测评,并将结果公之于众。这一举动受到了音响爱好者的欢迎,它无疑为低音炮产品提供了一个公正、透明的展示平台,另一方面也能敦促厂家在做好产品上多下些功夫。

不同于以往的测评,这次特别做了在消声室里的频率响应测试,相当专业,也相当客观。测试曲线公开以后,许多读者和网友表示了强烈的兴趣,但是对于曲线本身所代表的意义又不能理解:不同形状的曲线与产品的技术指标有什么对应关系?和我们的听感又有什么对应关系?

我多年从事音频科技研究,在消声室里测试扬声器是我的日常工作之一。此次受杂志社邀请,对已经发表的这些曲线进行评论,同时也就我所知向朋友们提供一些分析方法。

下面首先引入几个基本概念: 

什么是消声室?

消声室并不是没有声音的房间,而是消除了室内反射声、隔绝了室外环境声的房间,它的用途,就是在闭合空间内建立起一个自由声场。所谓“自由声场”就是声音从一个声源发出以后不再回头,在任何方向都不会遭遇反射的声能分布状态。只有在这样环境中测试的结果,才能客观地反映电声设备的发声特性。为了消除反射,消声室的室内六个表面(四壁、地板、天花板)都要敷设吸声系数特别大的结构,吸声系数应该大于0.99。

但是低音的吸收仍然是非常困难的,即使采用“吸声尖劈”这样一种特殊结构,也存在一个“低频截止频率”,低于截止频率的声音就不能很好地被吸收。细心的读者会看到,本刊这次测试产品的消声室截止频率为60Hz。

是不是60Hz以下的数据就没有意义了?

不是,按照一定的规律对于测试系统进行补偿,就可以达到准确测量的需求,而这个补偿工作在消声室及其测试系统交付使用的时候已经完成。由于强吸声的环境消除了反射干扰,所以在这种条件下的测试数据比起非消声环境的测试要准确得多,也精确得多。

频率特性曲线

又叫“幅频特性曲线”或者“频率响应曲线”,它反映出来的是声压级(SPL,sound pressure level)随频率(Frequency)而改变的关系。在这里“声压级”是一个客观的测试量,单位是“分贝”(dB),是用对数形式表达的声压,能比较好地反映“音量”的大小,声压级越高,音量就越大。

有源音箱的测试目前没有国家标准,因此有些判断方法上参照了国内外同行的做法。比如“±3dB”有效频率范围的简易判断方法,在SPL曲线的顶端划一条水平线,在这条水平线的下方间隔6dB再划一条水平线,这就形成了一个判断有效频率响应的基准线(这个基准线的取得比起“1/3oct取点平均”的办法容易得多,其最后结果相差不大)。SPL曲线与基准线相交的点就可以分别读出频率响应的低端和高端,对于低音炮,通常我们只对最左边的那个交点感兴趣,它就是我们想要通过判断得出的“-3dB截止频率”。

对于不同声压水平的SPL曲线族,在判定有效频率范围的时候通常选择声压水平低的那一条,以避免谐波声压的干扰。这一点是与功率放大器不同的,在那里需要额定功率下测试。

不同的产品,频率响应曲线会有些大小不同的峰和谷,总的说来曲线越平坦越好。

谐波失真

需要强调的一个非常重要的指标就是谐波失真,这是一种音响系统自己产生的与原信号不一样的频率成分。必然的规律是,在低音区,频率越低谐波失真也就越严重,进入超低音区(40Hz以下)失真很快加剧。这是因为扬声器的锥盘振动幅度随着频率的降低而加大,一般的情况是,到了超低音,已经远远超过了扬声器的线性区。为减少这种失真,长冲程的扬声器被普遍地采用在高档的低音炮上。

好的产品设计可以将谐波失真控制到一定程度,而劣质产品制造者多半不知道有谐波失真这事儿,“有声音就算”,这就是区别。

让我们来看一看一个实际例子(见图2),它描述了某著名品牌的低音炮在不同声压曲线下的谐波失真。

谐波失真和声压级本身关联密切,音量稍微开大一些,谐波失真就接近100%的产品是屡见不鲜的。这个例子中,“105dB”那条曲线,频率低于40Hz(该曲线在此频率的实际声压级还不到95dB),而失真便接近了百分之百。谐波又分为二次谐波、三次谐波以及更高次数的谐波,这些成分的比例不同,听音时也有不同的感觉,比如低音“假”(偶次谐波为主)、“混浊”(奇次谐波为主)、“捶胸口”(声压很高的奇次谐波),如果听的时间长了,生理上也有“头晕”、“恶心”等反应。  

事实上,正是谐波失真这个指标成了超低音重放的最大问题!像图2这样的例子是非常普遍的,在超低音区域发出的都是失真了的声音,并且失真到了根本就没有基频存在的程度!也正是由于这个问题,造成了许多人对于低音炮的误会,甚至反感。 

遗憾的是,这次的消声室测试结果也没有给出谐波失真曲线,这种情况要想对一个低音炮作出全面、细致的评价仍然比较困难,因为很难发现隐藏在频率特性测试中那一条简单的“SPL曲线”后面的诸多问题。

“最大声压级”

我在这里加了引号,是“所谓”的意思。在很多地方都可以看得到商家特别强调这个指标,但是并不告诉你这个最大声压级出现在什么频率上。这就给了推销员自由发挥的余地,他们会让你相信在整个超低音区域都可以达到这个声压级!

这次消声室测试的曲线已经无情地将谎言戳穿。实际上最大声压级不过就是一个顶点,其他频率,尤其是超低音声压级非常低。请注意,十四种产品中,只有REVEL的Performa B15做到了最高声压级出现在30Hz~40Hz。

虽然不在超低音范围内,但还勉强说得过去的是EarthQuake 的 MKV-15,和DynAudio 的SUB500,它们的最高峰出现在55Hz;还有Velodyne 的CHT-10R,最高峰65Hz。

其余的都与超低音相去甚远!以它们的单元口径来看,在70Hz~100Hz做出一个高峰,并且做到超过100dB的声压级没有任何困难,实际上甚至普通落地式音箱也能做到。还有更利害的,迪斯科舞厅音箱做出的高峰比它们哪一个都要高,但是,我们需要这样的高峰吗?

消费者千万不要被这个“最大声压级”所诱惑。

“天书”可以读懂

从下面的具体分析中,消声室测出的有效频率范围可能会与厂家公布的指标相差很多,有很多的原因,我们不在这里讨论。在此仅就几个典型的测试曲线进行分析。

1、图3的频率响应测试表明,这款低音炮的有效频率范围48Hz~140Hz,看来它是不能重放任何超低音的。 “下潜深度”较差,并且80Hz的巨大隆起是个麻烦,容易产生“低音肥大”的感觉,并引起物体共振。曲线在40Hz以下急剧下跌,不一定是坏事,不能做好的事情干脆不做,免得添乱。

使用建议,把交接频率调节到它的最低设置值“50Hz”位置,虽然声压级降低了不少,曲线却变得比较平坦了,适合于配合小型音箱在不大的场合使用,但不要奢望它能够对低音鼓有好的表现。

 

2、图4表明的是Velodyne的 CHT-10R测试结果,10吋单元,375W,倒相结构。关于这个型号,可以多说一些,因为找到了它的谐波失真测试曲线,并且它是我国市场上销售的比较多的产品之一。曲线表明它的有效频率范围在34Hz~135Hz,曲线较为平坦,最大声压出现在60Hz~70Hz,处于特低定音鼓及大提琴最低的基频。它的交叉频率调节分得很细,也比较有效。让我们来分析一下它的失真曲线(见图5),数据来自于英国非盈利的 “AV:TALK” 。由于该网站的曲线是把频响和失真分开了的,为了对照方便,这里把这两张曲线图放在一起。

频响曲线和在惠威消声室的测试吻合得比较好,不过横坐标被展宽了,而且它的刻度范围反而小了些,所以看上去似乎很不一样。失真曲线也有四种不同颜色分别对应于不同声压级的频响曲线,这样就可以对照着找出不同声压级的失真情况。

从失真曲线可以看出,在高声压下,直到30Hz谐波失真都还是可以接受的,至少有一半超低频频段失真较低,因此它在超低音的重放上有一定的优势,表现为控制能力比较强。25Hz最高只能达到76dB的不失真声压级,说明它的下潜能力是有限的。要想均衡地重放超低音,最好在小房间里发挥作用,比如不超过20m2,有可能达到影院的震撼效果。最高声压的中心频率相对比较低,表现在与其他音箱搭配上相对容易。

3、如图6所示的频率响应测试结果可以看出,这款有源音箱的有效频率范围在42Hz~180Hz,最大声压出现在70Hz~80Hz。看到这个测试曲线的第一感觉是:上期杂志的标题“有源低音音箱大型集体评测”没有错。原以为编辑疏忽,少了一个“超”字,现在看来它在这里等着呢,这里头就没有“超低音”什么事情,它的主要威力在低音区,甚至涉足到了中音区,评委调侃地说它“低频定位准确”!

我们知道,优秀的低音炮是不应该被“定位”的,就是说不能听出它在房间的什么地方,原因是人的耳朵对于超低音没有定位能力。但是如果有大量的中频成分从音箱里发出来,那么闭着眼睛都能找到它。

可是,用它来作什么合适呢?也许用在那些迷你的时尚造型音箱比较合适,因为那些音箱的中、低音本来就很缺少,它去了正好可以弥补上,“捎带脚”还可以发出一些男中音或者是女中音,但是能不能起到正面的作用就不好说了,因为这样的箱体设计,本不是为了发中音。

我们还注意到该产品有一个“Low Pass Filter”调节旋钮,把它打到最左边的40Hz,情况有所改善,可以抑制中频,但是声压级只能达到87dB(50Hz)左右的水平,更低频率的声压还是上不去,和图3所示的例子相同,它最好配合小型音箱在小房间使用。

至于它在频率响应曲线上40Hz以下的那些东西是什么成分,手头没有谐波失真曲线,不能妄加判断,但不容乐观。

4、图7所表现的是一款被动辐射体结构低音炮的测试结果。有效频率范围在37Hz~170Hz。从曲线上可以看得出来,以这样的结构,没有刻意去追求超低频下潜深度,也许是它设计上的明智表现。最高声压出现得很不是地方,频率太高,虽然这样做容易讨好一些人的耳朵产生所谓的“速度感”(果然,有评委在“瞬态速度”的项目给出了满分10分),但是它毕竟不应该是有源超低音箱追求的目的。所以我认为对于低音炮来说,“瞬态速度”这个项目的设立值得商榷。

5、图8的频响曲线是DynAudio 的SUB500,12吋单元,250W,密封结构。有效频率范围在25Hz~100Hz,并且比较平坦,最大声压出现在50Hz~60Hz。从“AV:TALK”测试的失真曲线(图9)来看,谐波失真随着声压的增高而上升的趋势很明显,也很典型。不过在它的90dB声压级的那条曲线可以看出,25Hz以上的频率,其谐波失真程度是可以接受的,并且25Hz的声压级可以达到85dB(THD=10%)。这组数据说明,只要声音不太大,就可以较好地完成超低音的重放工作,用来在小房间聆听交响乐效果会相当的好,配合主音箱可以真实地还原出各种低音乐器的演奏效果,比如低音提琴、低音大管、大三角钢琴等等。

以上这些数据分析可能会令很多人失望,听上去已经表现得相当不错了,客观测试指标竟然不如想象的那么高?实事求是地讲,这才是产品的本来面目。超低音毕竟是一个非常特殊的频段,能做到这样的指标已经很不容易了。

6、再来看看图10所表现的频率响应,这个产品的有效频率范围在35Hz~95Hz,最大声压出现在55Hz。

最不能容忍的是的,厂家给出的频响范围是——11Hz~ !这是迄今为止见到的在这个指标上“胆子”最大的。不知道写这个指标依据的是什么,是厂家的设计人员不懂?或者根本没有测试过,拍脑袋写出来的数据?或者纯粹是在“忽悠”?

拜托了山姆大叔,别这样好吗,音响市场秩序已经够混乱的了!

7、REVEL的 Performa B15,15吋单元,1000W,密封结构。有效频率范围在22Hz~76Hz,最大声压出现在30Hz~40Hz,见图11。毫无疑问,它是这次测试中表现最好的,不但下潜深度到达了几乎最低端,而且最大声压的位置完全落在了超低音范围内!像这样的频响曲线,可以适配各种尺寸的音箱,因为无论是弥补低音的不足,或是作为LFE声道的声音重放它都可能是称职的。20Hz以下的谐波失真可能会急剧上升,但可以说它们基本上不会影响到正常的听音乐或者看大片的需求,节目源中的超低音能够落到这个范围以下的成分毕竟很少。

什么样的低音炮好?

客观测试指标和主观听感存在对应关系,测试指标不好的音箱一定不好听。对于低音炮来说关系最密切的是下潜深度、谐波失真和声压级三者兼顾的一个衡量标准,那就是总谐波失真(THD)不超过一定值(通常10%)的条件下, 20Hz重放的最大声压级: SPL(dB)@20Hz THD(%),用“下潜能力”来表述这个客观衡量标准可能是比较恰当的,——在声音的最低频率20Hz,在同样的失真条件下,看重放的声压级水平。

这次评测产品中有两款低音炮正好在“AV:TALK”也给出了数据,依据那些可贵的谐波失真测试曲线得出的客观“下潜能力”指标如下:

1、DynAudio的SUB500,它做到了85dB @20Hz(14%),相当不错。2007第四期杂志的“集体评测”,在评委给出的“下潜能力”(主观听感)这个指标上它获得了唯一的满分10分;

2、又比如Velodyne的CHT-10R,指标不怎么好,只达到64dB @20Hz(30%),失真已经很严重,主观“下潜能力”只得了7、8分。

我认为,客观测试的“下潜能力”指标,最能体现有源超低音音箱实力,能把20Hz做到比较好的水平,那么做好那些比它高的频率就不在话下。现在国外许多评论家也已经采用了这个指标,但仅限于高档产品上,品质差的产品这个指标应该是空缺的,因为还没有等它“下潜”到20Hz,谐波失真已经严重得一塌糊涂,恶声一片。

特别需要说明的是,“声压级”是一个以10为底的对数,它的变化实际上反映的是声压的数量级改变,它的提高意味着需要付出比较大的代价。比如说要想以增加功率的办法提高3dB的声压级,那功率就要增加一倍!还有一点容易被忽视:同样的声压级数量增加,在20Hz比1KHz产生的主观音量提升也要加倍。可见客观测试的“下潜能力”——SPL(dB)@20Hz(10%)指标中的那个“dB”多么有用、多么可贵!

在这个指标上有据可查的10吋低音炮(数据来自于“AV:TALK”),佼佼者是:

B&W  ASW2500      76dB@20Hz(15%)

REL  Stadium III      82dB@20Hz(15%)

B.K. Electronics  XLS200DF Mk2     77dB@20Hz(10%)

这家论坛所公开的10吋低音炮中“下潜能力”最好的是:

Velodyne  HGS-10     85dB@20Hz(10%)

写在后面

以上对于测试曲线的解读,限于篇幅只选用了其中比较典型的几款产品,而且对于没有谐波失真测试支持的情况,分析就不会透彻。

测试结果公开以后,也有读者认为这样的测试非常苛刻,非常残酷。

他们所以产生如此想法,与我们音响市场长期以来信息不对称、产品指标虚高的现象有关。

超低音频的魅力是不可阻挡的,稍微多一丁点儿的改善都会使人们感到欢欣鼓舞,在没有客观的测试手段条件下,他们只能凭想象,认为所听到的音箱已经达到了很不得了的下潜深度,这个时候当然容易相信厂家给出的虚高指标。到如今,一旦把它们的真实水平展现出来的时候,人们反而有些接受不了。

其实所公布的只不过是电声产品一个最常用的分析手段的测试结果,就像商店里的二锅头酒度数一样,是一个基本指标,该是多少就是多少,尽管它许多的内涵不能简单地用技术指标描述。所不同的是有数千年历史的酒文化,饮酒者对于酒里掺没掺水是“心知肚明”的。而40Hz以下超低音重放的市场需求不过十几年历史,人们对它的认识还非常不到位,实际上“基本指标”很难达到要求,甚至大多数人从来没有听过音箱里发出的真正的超低音。
这里需要向朋友们说明:电声技术的现状是,根本不可能把超低音的频响曲线做得像中音、高音甚至低音那样的平坦和低失真,并且达到中高音扬声器所能达到的高声压级。明白了这一点,相信对超低音音箱的产品指标会有一个基本的判断。

《家庭影院技术》的这次评测活动,其产生的效果无疑是非常正面的,无论对于消费者或是商家以及厂家都是公正的,对于规范市场秩序起到了积极的作用,希望类似的活动再多一些,成为影音媒体的一大“亮点”。

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