全指向性声源的技术设计挑战

在建筑物和室内声学测量中,全指向性声源是被描述和使用最多的声源。通常,很少有人考虑它,但是这种看似简单的装置却有着许多不为人知的有趣的方面。在这里,我们重点介绍在设计和构建全向声源时遇到的一些技术挑战。

方向性
声音的方向性是建筑声学和室内声学对声源的核心要求。ISO 140(建筑声学)和ISO 3382-1(室内声学)规定了在任何方向上平均声压随频率的最大偏差。每个标准都有不同的限制,ISO 3382-1比ISO 140更加严格。

符合ISO 3382的4292-L型OmniPower声源的方向性:滑动30°弧时与平均值的最大偏差。上下曲线为ISO 3382公差。

声源的方向性主要由其外壳的形状决定,而在较小程度上由扬声器确定。构造最均匀的形状是规则的多面体或柏拉图立体:四面体、立方体、八面体、十二面体和二十面体。

具有十二个面的十二面体非常适合ISO标准中的方向性要求。十二面体的近亲是三十二面体,它有12个五边形面和20个三角形面。这些小的三角形面减小了整体外径,并为连接器、把手、螺纹孔和橡胶底脚提供了空间,从而使设备更符合人体工程学要求并且美观。尽管比十二面体更难制造,但这些优点证明了选择4292-L型三十二面体是合理的。

Grip Rubber feet Mounting hole

频谱
ISO 140要求1/3倍频程频段最小频率范围是100 Hz至3150 Hz,并可以扩展到50 Hz和5000 Hz频段。ISO 3382-1的最小频率范围是从125 Hz到4 kHz的整个倍频程频段,对于语音传输指数(STI)测量,还需要8 kHz的整个倍频程频段。覆盖所有这些标准和应用的最终范围是1/3倍频程从50 Hz至10 kHz。为此,信号源需要宽带扬声器。为低频添加低音扬声器有时会很有用,但这会使信号源复杂化,并使它变得不同轴。首选是用12个宽带扬声器覆盖整个范围。

W 130 SN:与Visaton GmbH紧密合作专门开发的扬声器

除了频谱范围外,ISO 140还规定,在给定声源的房间内,相邻的1/3倍频程频段的幅值差异不应超过6 dB。这个要求不能仅靠声源来保证,因为它也取决于房间本身的声学特性。因此,可能需要对源信号进行均衡。Brüel & Kjær的2734型功率放大器中的“eq”噪声信号已针对4292-L型进行过“预均衡”,从而在实际测量中将相邻频段之间的幅值差超过6 dB的可能性降到最低。

稳定性
尽管在任何标准中均未作规定,但输出电平和频谱随时间的稳定性是非常重要的属性,并且通常会被忽略。4292-L型OmniPower声源能够在不改变频谱和输出电平的情况下以高功率工作数小时。

冷却取决于各个扬声器的设计以及声源外壳的结构。OmniPower配备了专门为此应用开发的扬声器。该扬声器中使用的轻质钕磁铁比传统的铁磁铁小得多,这也意味着它们的散热面积要小得多。在使扬声器的重量远低于传统设计的同时,增加了一个散热器来解决该问题。通过使用三相插头增加了额外的自冷却能力,从而可以改善音圈周围的气流。

最终,扬声器发出的热量必须接近于环境,金属外壳对于将热量从外壳内部传递到外部至关重要。4292-L型使用铝来优化重量和导热性。

OmniPower声源的最初设计呈现了一个有趣的现象,甚至使扬声器制造商也感到惊讶。做工方面,有些外壳是完全气密的。随着外壳内部的空气变热,内部气压也随之上升。反过来,这限制了振动膜的移动,从而减少了音圈的自然冷却。在高功率下,这会迅速导致温度失控,只有音圈烧毁才能停止!因此增加了一个小排气孔以平衡气源内部和外部的压力。

连接器上方带有排气孔的安装件

声级
通常,对于隔音测量,需要非常高的输出电平才能确保该电平充分高于接收室中的背景噪声。这会在扬声器上施加很大的应力,该应力会导致发热,直到与周围环境达到热平衡,或者直到扬声器的音圈融化为止。

有效的冷却可确保扬声器在初始音圈加热后尽快达到热平衡。音圈的电阻会随温度升高而上升,从而导致声源的声音输出下降。这种所谓的压缩发生得非常迅速,通常在施加高功率信号后的10秒钟内发生,此时输出电平可能下降了约0.1 dB。随着音圈继续加热直至达到热平衡,输出功率的下降应降至最小,尤其是在测量过程中。

维护
与其他测量设备一样,重要的不仅是声源在新的情况下仍能发挥功能,而且在使用多年后仍能继续发挥作用。为此,Brüel & Kjær为4292-L型提供认证服务。在认证过程中,首先要通过常规的生产测试来检查声源,在其中进行可能需要的任何维修。然后,由独立实验室对其进行测量并检查其是否符合规格。