扬声器系统的谐和性评测

张婧颖，孟子厚

(中国传媒大学 传播声学研究所，北京 100024)



扬声器系统的谐和性评测

张婧颖，孟子厚

(中国传媒大学 传播声学研究所，北京 100024)

为了探讨扬声器系统的传输特性对重放声谐和性的影响，借鉴音乐声学谐和性基础的已有研究成果，提出了一种针对扬声器系统的谐和性评测方法。包括谐和性评测信号和评测参量的设计，以及扬声器系统重放声信号的听感谐和性评价。针对两个典型扬声器系统的谐和性评测结果表明，该方法可以反映扬声器系统的主要失真特性及其对重放声听感谐和性的影响。

扬声器；谐和性评测；谐波不规则度

1 引言

扬声器可以看做是一类由线性和非线性两大部分构成的复杂传输系统。线性部分通常用纯音或粉红噪声信号测得的扬声器输出声压频响特性来表征，并且不同频段的输出声压幅度与重放声的清晰度、丰满度、明亮度等音质属性感知之间存在一定关联[1]。但是，这些结论是基于扬声器的频响特性这单一特性提出的，隐含着其它客观特性不变性的假设前提，而实际上扬声器的频响特性与其它客观特性，例如，失真特性、重放声压级、频响测试信号本身等之间是交互作用的，所以，这种主客观关联并非具有一一对应关系。

非线性部分则主要体现在扬声器的谐波失真等方面，常见的失真测量方法包括单个纯音信号的谐波失真系数测量，双纯音信号的互调失真测量，多频声信号的非线性失真测量[2-4]。这些针对扬声器失真特性的传统测量方法仅仅通过这些测量信号的频率成分变化来表征，一方面受到测试信号本身特性的局限，另一方面并未考虑人耳对声音失真的听感特性，所以，这些测试结果对于扬声器重放声的音质感知的估测无法提供较好的参考作用。另外，实际扬声器的失真类型很多，导致失真产物出现的原因也复杂，并且不同类型失真之间还会相互联系、伴随存在。

音响工程实践中，常会发现扬声器系统的失真特性从听感上来说并非都产生负面影响。例如，偶次谐波失真通常产生柔和的音质效果，而分谐波失真则会产生毛躁、刺耳的感觉，这与音乐中八度、纯五度等谐和音程比小七度等不谐和性音程听起来更加悦耳的现象具有内在关联性。因此，扬声器的客观失真特性并不能完全等同听感上的“失真”，甚至在某些情况下会提升听感的悦耳度，由此产生了对扬声器系统谐和性问题的探讨。

本文对音乐谐和性已有研究成果的梳理与分析[5-8]，提出了基于声音要素规则的谐和性基础，并以声音谐波结构的规则性测度，提出了一种针对扬声器系统的谐和性评测方法。选取了两种典型的扬声器系统，在此基础上对该评测方法进行了检验与分析。

2 谐和性评测与分析

2.1 谐和性评测信号

考虑到扬声器系统的失真特性和常见输入信号(语言声、音乐声等)的声学特性，参照乐器常用音域C～b5内十二平均律各音高，设计了一组与之音高相同的八阶等幅度谐波复合音(总共84个信号)，如表1所示。

表1 谐和性评测信号的音高与基频

2.2 谐和性评测参量

根据音乐中和声音程的谐和性基础，以各次谐波是否满足基频整数比的关系来衡量谐波频率的规则性，并用谐波频率不规则度来表示[9]。

(1)

其中，a(k)为第k次谐波幅度，f0为基频，f(k)为第次谐波频率，K为谐波总数目。

依据乐音幅度包络对其音色感知的重要性，以相邻谐波之间的幅度变化规律来衡量谐波幅度的规则性，并用谐波幅度不规则度ir表示[10]。

(2)

其中，a(k)为第k次谐波幅度，K为谐波总数目。

参考乐音音色感知中的重要属性，即尖锐度(或明亮度)，以谐波截止频率来度量谐波范围规则性，并用95%谐波能量截止频率fc表示[11]。

(3)

其中，a(f)为f频率的幅度，sr为采样频率。

2.3 评测结果分析

选取了两个典型扬声器系统，即平板扬声器L1和12寸扩声扬声器L2，作为实验对象。在消声室中对其进行谐和性评测，先将各评测信号分别输入给扬声器系统，再通过测量传声器拾取输出信号，最后利用计算机分析计算各输出评测信号的谐和性评测参量值。

(1)谐波频率不规则度

输入的谐和性评测信号为理想谐波，其均为零，而输出信号的如图1所示。其中，扬声器L2在低音CC#DF#GB和高音d3d3f4#a4a4#4上的明显较高。而这些输出信号的频谱中存在一系列与基频呈分数倍关系的互调失真和二次失真频率成分。这表明谐波频率不规则度评测可以反映出扬声器系统的谐波失真特性。

图1 扬声器系统的谐波频率不规则度评测结果

(2)谐波幅度不规则度

输入评测信号的各次谐波幅度相等，其均为零，而输出信号的如图2所示。其中扬声器L1的值整体较高些，并且在Begd1g1d2g2d3g3d4g4d5g5这几个相距八度的音高上较大，而这些音高中的某些谐波频率正好与L1频响曲线中的明显凹谷点(1180Hz、3070Hz、4kHz、6150Hz、10kHz和11.5kHz)的频率非常靠近。所以，谐波幅度不规则度评测方法可以反映出扬声器系统的幅度失真特性对输出信号谐和性的影响。

图2 扬声器系统的谐波幅度不规则度评测结果

(3)谐波能量截止频率

输入评测信号的截止频率fc等于其最高谐波的频率。输出信号的fc则发生较大变化，它除以其基频均近似为整数，这实际上就是谐波的截止阶次，输入和输出信号的谐波截止阶次如图3所示。低、中音区输出信号的谐波截止阶次明显增大了，尤其是L1的输出谐波由原本的8阶提升至24阶。而这一结果与扬声器L1的低频处存在明显高次谐波失真这一传输特性密切相关。

通过谐和性评测信号的三种谐波结构不规则度评测，可以反映扬声器系统传输特性上的谐和性。

3 听感谐和性评价

心理声学中对影响听感悦耳度的心理属性进行了研究，由此提出了听感不谐和的观点，其中声音的粗糙感(Roughness)、尖锐感(Sharpness)、音调强度(Tonalness)和响度(Loudness)是影响听感谐和性主

图3 扬声器系统输入与输出信号的截止谐波阶次

要心理属性。所以，本文利用听感谐和性心理感知模型，分别计算扬声器系统输入和输出评测信号的粗糙度、尖锐度和音调强度，并以输出与输入的相对差值评价系统的听感谐和性响应。

3.1 粗糙度响应

图4为扬声器系统输出与输入信号的粗糙度相

对差值。音高C～b中，两个扬声器输出信号的粗糙度都明显提升了，并且L1的提升量较大；音高c1以上则输出与输入基本无明显差异。这表明两个扬声器的低频特性均存在明显频率失真，并且失真程度不同，其中L1的失真会导致更多“拍音”产生，导致重放声信号的粗糙感加重。

图4 扬声器系统的粗糙度响应

3.2 尖锐度响应

两个扬声器系统的尖锐度响应如图5所示，低音区C～b1内，两系统输出信号的尖锐度均提升了，并且随着音高的递增相对差逐渐减小。中音区c2～b2内，两个系统的输入与输出尖锐度相当。高音区c3～b5内，输出信号的尖锐度会稍微降低，并且L1较为明显。这反映了扬声器系统的尖锐度响应特性在低、中、高频段上存在较大差异。

3.3 音调强度响应

扬声器系统的音调强度响应如图6所示，最低两八度音区C～b内，两个扬声器输出信号的音调强度均降低了，这与两系统的输出声压低频特性和低频截止频率有关。其它音高下两系统输出信号的音调强度呈小幅度提升，但是在音高d2d3f3f4#a5上明

图5 扬声器系统的尖锐度响应

显降低，这与两者在这些音高上的频率不规则度较高相一致。

扬声器系统的粗糙度响应反映了系统的频率失真特性是否会引起输入信号相邻谐波的频率关系产生“拍音”。从粗糙度响应与谐和性评测结果的对比来看，两个扬声器在低音区C～c内的谐波频率不规则度均较高，这一点与该音区输出信号粗糙度提升现象一致。L1的谐波幅度不规则度要大于L2，而其粗糙度增量也高于L2，这反映了谐波幅度不规则性与粗糙度之间也具有关联。扬声器系统的尖锐度响应反映了输出信号中高次谐波的相对幅度会产生尖锐、刺耳听感的程度，这一点正好与95%谐波能量截止频率评测结果具有明显一致性，截止频率越高，尖锐感越强。音调强度响应反映了输出信号中能够产生清晰、稳定音高感的谐波成分的幅度大小，两个扬声器输出信号在最低音高C～b上的音调强度均降低了，这与扬声器系统的输出声压低频响应和谐波频率不规则度较大有关。

图6 扬声器系统的音调强度响应

4 结论

本文针对传统的扬声器系统传输特性测量方法中存在的问题，以及扬声器失真特性与重放声听感谐和性之间的内在关联，提出了一种针对扬声器系统的谐和性评测方法，并以两个典型扬声器系统作为实验对象，对其谐和性问题进行了探讨。1)设计了一组等幅度谐波复合音作为谐和性评测信号，并以谐波频率不规则度、谐波幅度不规则度和95%谐波能量截止频率作为谐和性参量。对两个扬声器系统的评价结果得到这种谐和性评测方法可以反映扬声器系统的重要失真特性。2)利用影响听感谐和的三个心理感知属性，评价了扬声器系统重放评测信号的听感谐和性响应，结果得到它们与谐和性评测结果之间具有明显关联性。由此，验证了本文提出的谐和性评测方法的有效性。

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(责任编辑：王谦)

Harmony Measurement for Loudspeaker System

ZHANG Jing-ying，MENG Zi-hou

(Communication Acoustics Laboratory，Communication University of China，Beijing 100024，China)

The methord of harmony measurement for loudspeaker system based on the musical consonance and distortion characteristics of loudspeaker is proposed，in which a set of test signals and three harmonic irregularity indicators designed，and three psychoacoustic consonance attributes are used for evaluating the auditory pleasurement of replay sound .The harmony measurement results of two typical loudspeaker verified this method.

loudspeaker；harmony measurement；harmonic irregularity

2016-06-03

张婧颖(1987-)，女(汉族)，湖北孝感人，中国传媒大学博士研究生.E-mail：zhangjingying_29@163.com

TN912.11

A

1673-4793(2016)06-0052-07