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市面上一些音箱表现究竟如何?如何通过数据解读音箱的音质和声场表现?CEA2034A标准详解

前言:关于音箱频响曲线的研究历史以及CEA2034A标准的由来

长久以来,人们通常只使用轴向频响曲线描绘HiFi音箱和监听音箱。也只使用简单的RTA曲线测试并调音音箱在房间中的表现。但事情并没有这么简单。

1985年,时任加拿大国家研究委员会高级研究员的Floyd Toole博士首次定义“Spinorama”音箱测试方法。

上个世纪90年代,加入哈曼国际的Floyd Toole博士和Sean Olive在实验中进一步发现扬声器离轴性能对音质影响的重要性。但是,当时的人们研究只发现扬声器向不同方向辐射的声音均会对音质和主观听感产生影响,对于这些影响具体成何种定量关系则尚不明确。

上个世纪90年代末,21世纪初,美国CU(消费者报告)发布基于客观测试数据的音响评分,引起了行业不小的轰动,但评分的计算方式却并没有严格论证。这种感觉很像我最开始看到的RTINGS,只是单纯计算一个分数而没有心理声学实验验证,但是一些消费者觉得很专业。

鬼斧神工119:心理声学概述,客观与主观,两个世界的桥梁zhuanlan.zhihu.com图标
我的建议是,研究并找到一个更好的评分方法。这需要时间、人力和经费。公司的创始人兼CEO哈曼博士同意了。这是一个重要的决定。——Floyd Toole
造价约15万美元的音箱穿梭走廊,保证每次对比试听时音箱处于完全相同的位置

2004年Sean Olive博士将实验结果发表在国际音频工程协会AES。

自2000年左右起陆续有多款依照此标准设计的音箱问世,例如Revel Salon2、Revel F208、JBL M2等。

2015年该标准成为美国国家标准。

目前,已经有越来越多的HiFi音箱品牌和监听音箱品牌依照此标准设计音箱。例如KEF是哈曼国际以外的首个公开类似标准测试数据的品牌之一(2018年)。

测试设备:常见的可以测试2034A的设备和软件有Harman Audio Test System,SoundCheck 360,Klippel Near Field Scanner等。例如有人跟我说ASR最近购买了Klippel的NFS,其实NFS我已经玩了一年了。。。而Harman Audio Test System我已经玩了好几年了。

而我应该是国内第一批接触并使用NFS的声学工程师。

序章:如何解读音箱的CEA2034A频响曲线数据?

在介绍如何解读音箱的CEA2034A频响曲线数据之前,我先要着重强调关于这个标准的几个适用前提:

  1. 此标准并不适用于大信号、大功率的专业音箱;(这部分解释也只适用于常规音量,对于动态范围和最大声压级表现会在下文单独说明)
  2. 下文中此标准的解读仅限于音箱音质音色和主观听感表现,并不用于解释音箱的声场(空间印象表现),对于音箱的声场表现将在本文后半段描述;
  3. 对于数据的解读,预测模型的相关系数为0.86,说明通过数据解读音箱音质与实际听感可能存在一定范围内的浮动。综合数据表现相似的情况下,可能存在数据表现稍差的音箱实际主观评价中比数据表现稍好的音箱更好一点的情况。但通常,数据很好的音箱实际听感比数据较差的音箱好很多。并且对于数据预测分数解读部分仅限于播放音乐而不是电影。
预测分数与实际主观评分的浮动范围

4. 相似的预测分数只能说明声音的音质与听感评级是相似的,并不意味着声音是相同的。完全可能存在声音风格不同但综合音质评价相似的情况,这种情况可以解释为“调音风格”不同。


前情提要:Sean Olive博士的双盲听实验证明,对于传统音箱本身而言,更受欢迎的音箱倾向于拥有平均接近0(理想平衡)的平衡度评分。

鬼斧神工119:HiFi真的就不好听吗?“好听”和高保真的关系。zhuanlan.zhihu.com图标

而同年,Sean Olive博士发表了这一系列实验的第二部分。

首先是关于CEA2034A中这几条曲线代表什么进行简要解释(均为消声室内测试结果):

  • ON代表On Axis,即音箱的轴向频响曲线
  • LW:Listening Window. The listening window curve is a spatial average of the nine magnitude responses in the ±10º vertical and ±30º horizontal angular range. 0°, ± 10º vertical, ± 10º, ± 20º, ± 30º horizontal
  • ER:Early Reflections. The early reflections curve is an estimate of all single-bounce, first-reflections, in a typical listening room. Floor Bounce: 20º, 30º, 40º down • Ceiling Bounce: 40º, 50º, 60º up • Front Wall Bounce: 0º, ± 10º, ± 20º, ± 30º horizontal • Side Wall Bounces: ± 40º, ± 50º, ± 60º, ± 70º, ± 80º horizontal • Rear Wall Bounces: 180º, ± 90º horizontal
  • Sound Power. The sound power is the weighted rms average of all 70 measurements, with individual measurements weighted according to the portion of the spherical surface that they represent. Calculation of the sound power curve begins with a conversion from SPL to pressure, a scalar magnitude. The individual measures of sound pressure are then weighted according to the values shown in Appendix C and an energy average (rms) is calculated using the weighted values. The final average is converted to SPL.
  • Sound Power Directivity Index (SPDI). For the purposes of this standard the Sound Power Directivity Index is defined as the difference between the listening window curve and the sound power curve. An SPDI of 0 dB indicates omnidirectional radiation. The larger the SPDI, the more directional the loudspeaker is in the direction of the reference axis.
扬声器的指向性或者说指向性因数本身也是可以通过频响曲线计算的。
  • Early Reflections Directivity Index (ERDI). The Early Reflections Directivity Index is defined as the difference between the listening window curve and the early reflections curve.

而Sean Olive博士的实验表明,影响音箱音质和听感的主要因素为:

  1. 低频下潜
  2. 房间预测曲线(PIR)在100Hz~16kHz的平滑度
  3. 房间预测曲线在100Hz~12kHz的平均窄带偏差
  4. 轴向频响曲线在100Hz~12kHz的平均窄带偏差

关于上述所描绘的影响音箱音质与听感的重要因素的几点注释:

  1. 此处低频下潜定义为声功率(Sound Power)曲线相比于听觉窗口曲线在300Hz~10kHz的平均SPL为-6dB的频率;
  2. 房间预测曲线的解释本身存在一定的出入。这里以美国国家标准为准,房间预测曲线为12%的听觉窗口曲线(然而有时是轴向频响曲线,不过由于权重较小,影响不大,Floyd Toole书中也解释为听觉窗口曲线)+44%的早期反射声曲线+44%的声功率曲线的加权;
  3. 平均窄带偏差的计算方法为每一个1/2OCT的幅度平均值与相邻倍频程幅度的绝对值偏差,用来描述扬声器在中低Q值下的谐振;其实稍微有点调音经验的人都明白,在看dB的同时也要看Q值

关于频响曲线Q值可闻性的补充(因为这部分很重要,会单独再重新整理一篇文章)

首先,不同方向同步变化或者说均出现问题才是resonance,如果只是轴向频响曲线变化,很多情况只是箱体衍射或干涉造成的。

指向性、箱体衍射、resonance三者并不是同一回事。例如一些超高频部分离轴的衰减,通常是指向性导致的,而非resonance。除非轴向与离轴频响同步变化。通常只有多个方向均出现频响曲线的相似变化,才是resonance。如果只是轴向频响曲线的一些变化,尤其是高Q值,则很可能只是箱体衍射与干涉导致的,只要不刚好做到对应的空间中那一点就很难察觉(实际中很难做到那一点)。

而相比于高Q值resonance,低Q值resonance更容易被察觉。

察觉与前文提到的低频重要并不冲突,察觉与偏好以及音质和实际表现并不是完全一回事

相比于Pink Noise而言,音乐信号需要的察觉域更多一些。不难发现,如果是Q值很小的谐振,只需要很小的幅度就可以听出可闻区别。但在频响曲线中“看上去”的差别却很小。例如上图中Q等于1时,高频部分几乎“看不到”差异却可以听出差异。

而这对于一些不知道如何看频响曲线或者是没有多少调音经验的人来说,恰恰是他们所忽略的,或者认为不重要的。进而导致一些人认为“两个频响曲线”差别很小但是“一耳朵区别”,所以频响曲线不重要。其本质在于不知道如何看频响曲线,而不是频响曲线不重要。

仅示例

关于Q值的影响,我在一年半之前的第一篇测评里就有提到,后续一些测评也提到过。这个问题实在太过于基础,稍微调过曲线的,EQ也好,Acoustic也罢。都明白很多时候反而是范围越宽的,Q值越小的,“越不起眼”的对声音影响越大。虽然很基础,但这个问题实在太简单太基础,以至于我确实没怎么单独拿出来讲,然而很多“懂HiFi”的大湿却。。。

而另外一个问题,则在于高Q值谐振需要一定的时间或者说过程才能够触发可闻性。即音乐中必须要有内容在这个频率上,并且维持一定的时间,才能够使人听出可闻区别。这也许也是为什么音乐信号相比于Pink Noise需要更高的幅度(尤其是在高Q值)才能触发的重要原因之一。

而对于低Q值resonance,在很短的时间就可以触发。

所以从某种意义上,低Q值才更容易暴露一些瞬态问题。也就是那些频响曲线中“看似不起眼”的范围很宽的“隆起或者凹陷”。(缓降和凹陷并不是一回事,flat和smooth并不是完全一回事)

1kHz左右的全方向resonance可以通过EQ改善

而低Q值的resonance恰恰不容易在瀑布图中产生“振铃”

鬼斧神工119:耳机的瀑布图真的有意义吗?关于耳机的瀑布图,你需要知道的。zhuanlan.zhihu.com图标

瀑布图可以揭示共振的存在,但瀑布图却并不代表可闻性,而共振尾音的持续时间,除了低频以外,其他频段只是一个有趣的工程问题而已。至少在200Hz以上,谐振的察觉过程依靠的是频谱信息而不是瞬态特征。

(我正在筹备设备,争取把以后我测评中的主观评价部分也做成双盲听)


说完了一些对于音箱频响曲线必要的解释,下面来到了实测数据环节。不过,这里我还是要声明一下。这些数据有些是官方公布的,有些是第三方测试。并且测试精度并不是完全统一。所以部分数据仅供参考!(下文中的低频下潜均为Sean Olive预测模型中的-6dB,可能与部分官方公布的-10dB有所区别)

JBL ARENA 120,5寸无源书架音箱,低频下潜约为68Hz,1099元一对,2016年
JBL 305 Mark I
JBL 305P Mark II 摘自ASR,5寸有源书架音箱,2400元一对,注意纵坐标为20~80dB

既然有第三方测试我就不拿官方数据了,不过ASR对于数据的解读,如果你们仔细阅读前文和下文,不难发现是存在一些争议的。不过,我个人认为比RTINGS好很多了。。。


摘自ASR,雅马哈HS5,5寸有源书架音箱,低频下潜约为49Hz,2800元一对。注意纵坐标,此图为50~110dB
丹拿意境M20,6.5寸无源书架音箱,低频下潜约为40Hz,7000元一对,2015年,注意纵坐标,此图为50~90dB
纽曼KH120,5寸有源书架音箱,低频下潜约为44Hz,1.4万元一对
KEF R3,6.5寸无源书架音箱,1.7万元一对,2018年

从200~300Hz起整体呈现大约3dB的缓降。一些英国品牌确实喜欢这样的设计,声音会更柔和“耐听”一些,但我个人并不是很喜欢。但不失为两万元以内非常值得推荐的书架音箱之一。


JBL 705P,5寸有源书架音箱,低频下潜约为41Hz,1.7万元一对,2018年

这里再简单解释一下,其实仔细看过上面对频响曲线resonance的论述不难发现,705P中如此高Q值的凹陷(约4dB)其实对于音乐来说理论上是不可闻或极难察觉的。而这个凹陷实际上是倒相孔干涉而导致的。可以在不影响实际听音的基础上尽可能优化低频表现(下文还会提及低频部分)。

Revel M105,5寸无源书架音箱,低频下潜约为48Hz,1.8万一对,2012年
Martin Logan Vista,无源落地式静电音箱,2.6万元一对,2002年,4.96为其大量双盲听实验的主观评分
Revel M126Be,6.5寸无源书架音箱,低频下潜约为48Hz,3万一对
Revel F208,8寸无源落地音箱,低频下潜约为28Hz,4万一对,2012年
JBL 雅睿1400,14寸无源落地音箱,低频下潜约为29Hz,5万元一对,2005年


摘自ASR,真力8431A,6.5寸箱体有源书架音箱,低频下潜约为38Hz,6.6万元一对,注意纵坐标,此图为40~100dB,2017年

不难发现真力最新的监听音箱系列也依照哈曼国际/美国CEA2034A标准设计。实际上GLM房间校准的算法似乎也在近期更新到符合Floyd Toole博士理论的调音范围,日后会补充测评。

一款售价11000美元的静电音箱
JBL M2,15寸有源落地音箱,低频下潜约为28Hz,16万一对,2013年
Revel Salon2,无源落地音箱,低频下潜约为20Hz,18万一对,2007年
B&W 802N,无源落地音箱,约20万,2002年,已停产

一些现代设计音箱与vintage(古董)音箱对比。

JBL 708i(无源版)与雅马哈NS-10M跨越数十年的对比
上世纪70~80年代的古董音箱部分测试数据
上世纪80年代古董音箱部分测试数据
JBL 4345 轴向频响曲线
JBL 4355
JBL 4355轴向频响曲线
一些现代音箱

此部分不定期更新。


最大声压级与动态范围

以上只讨论了音箱在2m/2.83V的表现,而实际上即便这样的数据与播放音乐时的主观评分的相关系数以及高达0.86。然而,我们还需要考虑一些更大声压级的表现,不论是音乐还是电影。

最大声压级通常可以描绘音箱在大音量/大功率/大动态下的表现。但最大声压级需要全面的考察。

  1. 有时,音箱的低频会先于中频部分达到功率压缩。例如,虽然1kHz可以达到105dB,但60Hz只能达到100dB。这种现象经常出现在有源音箱,尤其是低频已经经过EQ boost的一些小尺寸有源音箱。
  2. 再比如,虽然音箱可以达到较大的声压级,但此时音箱已经有较高的非线性失真。而有时为了抑制这种失真,很多有源音箱会通过limiter的方式压制部分频段,而这就又出现了1中所描绘的不同频段功率压缩不同的情况。

官方数据亦可能存在不诚实因素,或者故意标出对自己有利的数值。有时并不能真的反应不同音箱在此方面的表现。(后续会补充实例)

通常,大口径/大尺寸或等效大尺寸的音箱在最大声压级的表现有先天优势。而这通常需要更高的成本。而在前文所示的部分音箱,频响曲线表现均优秀的情况下,通常越贵的音箱在最大声压级的表现越好,通常落地音箱和大书架音箱的表现比小书架音箱要好。通常大落地音箱也比小落地音箱表现要好。

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低音

低音的表现是预测模型存在一定浮动的原因之一。其影响因素除了低频下潜以外,还有几个需要考虑的因素:

  1. 空气动力学

由于目前市面上在售的大部分音箱低音均为倒相孔设计,而当音乐中,尤其是低频部分出现瞬间巨变时,例如敲鼓等情况。倒相孔内以及周围的空气(有时包括箱体内的其他区域)会出现湍流。进而产生失真或者异音。而这种情况通过常规的扫频信号是很难反映的。这涉及到空气动力学的问题。此时需要结合有限元仿真例如Comsol等仿真软件去辅助设计,需要主观评价进行辅助判断。


(密闭箱体可能存在因为瞬态而导致的失真,篇幅有限,暂不讨论)

2. 非线性失真

非线性失真并不重要,除非它达到了人类的听觉域限。

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大尺寸低音单元相比于小尺寸低音单元在非线性失真上的表现通常更优秀。例如JBL S4700, M2和4367所使用的2216Nd单元,在4367中即便在40Hz@95dB也只有0.127%的总谐波失真。

而小尺寸的音箱,例如真力8341在低频部分的谐波失真则相对较高。(66Hz约为6%)

摘自ASR

与此同时,部分小尺寸有源书架音箱会通过EQ boost低频,提高低频下潜表现,但是会进一步增加低频非线性失真,并且可能导致一定的功率压缩问题。

而对于13款同样是小尺寸低音单元相似设计的书架音箱。频响曲线与音质主观评分的相关系数是0.996。

由于本文重点在于讲解音箱本身,暂不论述音箱低音与房间的相互作用以及应对方法。


关于分频点与分频器类型

分频点与分频器的类型通常会影响音箱的声音表现。然而,经常会出现有人声称“两个音箱在分频点处的频响没什么差别或者几乎一致,但听起来人声不一样”的情况。除去前文已经解释的resonance以外,更多时候是因为离轴频响的不同而导致的,因为很多时候人们只测量了轴向频响曲线。

丹拿M20,2kHz辐射

不难发现,在分频点附近,丹拿M20与纽曼KH120在空间中不同方向辐射的声音并不相同。

纽曼KH120,2kHz辐射

而分频点和分频器不同导致的差异不论是客观上(音箱向空间中各个方向辐射的声音)还是主观评价中都可以印证。分频点和分频器的选择以及调节是音箱设计与调音的重要环节之一。应酌情选择分频点与对应的分频器类型(巴特沃斯、Linkwiz-riley等;2阶、4阶、6阶等)


音箱的声场表现(空间印象)

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前文的大部分内容均为关于音箱音质的讨论。而这一部分简单论述以下音箱的声场(空间印象)表现。

首先,音箱的声场表现与音质是相关联的,并不是完全孤立的。

而音质是基础,如果音质表现不好,那么声场表现并不重要。

或者说一个好音箱的前提是需要在一定范围内不同方向均有足够好的频响表现。然而,离轴频响曲线平直并不代表离轴频响曲线相同,因为不同声学设计的音箱离轴频响的能量或者更直白来说即SPL是不同的,而这一点可以通过指向性系数去描述,不过,指向性系数实际上也是不同方向频曲曲线计算而来的。

到目前为止我们讨论了很多频率响应问题,就好象它就是一切。实际上,差不多就是,如果测量中的频率响应不对,那别的就没有意义。前提是整个系统的非线性失真控制在较小的程度上。——Floyd Toole

而我个人的观点是,当音质达到足够优秀的前提下,更应该看重音箱或者说是音箱系统的声场表现。Wolfgang Klippel的实验印证了这一点。

但这里有两个变数:房间和人。

房间比较好理解,例如如果侧墙对应位置有吸声材料,那么可以吸收一定的早起反射声,进而使得一些指向性较宽的音箱声像还原更准确。

而另外一个变数则是听音者的听音经验。

很多实验都证明,一般听众相比于专业人士或听音经验丰富的听众,需要更多的反射声,亦或是偏向更宽的声像宽度。

就我个人经历而言,多年前我听普通的球顶单元也会有“声像不错”的感觉。而当我从事全职主观调音大约半年后,我就无法再严肃听音时接受较宽的声像。

这是没有回头路的。

通常,号角和同轴相比于平面障板球顶单元有更好的指向性控制。(其实同轴相当于把低音单元或中音单元作为高音单元的号角,不过这个“号角”是在不断运动的,所以有时同轴的实际声音与频响曲线并不是完全一致的,尤其是低音+高音的二分频同轴)

Waveguide既可以只控制音质,也可以同时控制音质与声场。通俗地讲,决定权在waveguide的深度。例如Revel M105的潜waveguide,而例如纽曼的KH120则更适合专业人士以及听音经验丰富或追求真实的声像还原的人群。指向性的区别很容易通过Beamwidth或者DI去描述。

丹拿M20
纽曼KH120
丹拿M20
纽曼KH120
JBL 708P

不难发现JBL 708P和纽曼KH120的指向性均强于丹拿M20。

纽曼KH120 Beamwidth
JBL 708P Beamwidth

不难发现JBL 708P不论在数值方向还是水平方向控制都比纽曼KH120更均匀,尤其是竖直方向。

简单的球顶单元+平面障板的设计通常不会有较好的指向性和离轴表现,较潜的waveguide设计例如JBL L100 Classic,更适合一般听众,而较深的waveguide以及号角、同轴等结构更适合专业人士以及听音经验丰富或追求真实的声像还原的人群。或者说对于不同指向性的音箱,需要结合听音者的听音经验以及听音态度(究竟是追求精准的声像还原还是较宽的声像)。

左侧高音为较潜的waveguide,右侧则为平面障板高音
较深的waveguide
号角,当然,有时也叫waveguide

而关于超高频指向性的额外解释。其实从Sean Olive博士的预测算法中不难看出,对于低Q值谐振的计算范围只到12kHz。而超高频部分的指向性对声音的影响究竟应该如何定义?

一种解释则是实际听音环境中超高频部分(例如大约10kHz左右以上)直达声占主要成分,所以主要考虑听觉窗口曲线或轴向频响曲线。更准确的说法是音箱在听音位置辐射的直达声即可。

另一种解释则是指向性的变化(非突变,且注意指向性绝对值)与一些乐器相符合。

(关于音箱指向性与声场的内容很重要,会再展开成一篇单独的文章)

而指向性通常是无法通过EQ改变的。所以EQ通常对音箱的声场表现改善不大。而对于更广义的DSP算法而言,需要类似于Lexicon SL-1的可调节指向性设计。


关于音箱的阶段性总结

在前文的一些音箱的测试数据中给出了从千元起到数十万的价格差距200倍以上的不同音箱的数据。结合本文给出的一些关于音箱测试数据与主观音质听感关系的解读,我们不难发现对于市面上在售的频响曲线表现在各个价格区间优秀的音箱而言:

  • 更贵的音箱往往可以获得更好的低频下潜
  • 更好的可承受功率/动态范围
  • 更好的功率压缩表现
  • 更好的非线性失真表现
  • 更好的谐振表现

而往往越现代设计的音箱,音质表现更好。即便也许市面上依然有一些“坑爹产品”,但总的来说行业在进步,音箱也许更存在“worth of price”,即便这种提升并不是线性的,或者说音箱需要一定的成本门槛与声学设计才能达到较好的水平。

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早在一年半以前的文章中,我就曾提到对于音箱单体而言,目前已经不需要过多的主观评价。主观评价更多的是集中在实际的声学系统(例如立体声音箱系统或多声道音箱系统)System Level,而评价的重点也在声场(空间印象)的表现(例如声像宽度,亦或是image shift问题等),以及音质与声场的综合表现,或者说音质与声场关系的平衡。对于音质本身而言,并不需要过多的主观评价,因为客观测试数据已经可以很大程度上反映问题。而有时,对于音质的主观评价也只是其决策作用。

而对于本文所描述的大部分内容,甚至可以说是这个专栏过去的很多内容,也只是我转行做主观调音工作第一周就了解和掌握的。

而其实如果你们认真读完了这篇文章就会感到,耳机市场有多么混乱,耳机本身多么简单与无聊,尤其是评价。为什么每天还在为了耳机骂来骂去各种歪曲事实断章取义。为什么不加入“Speaker Master Race”呢?

如果说连工程师都不了解这样的数据的话,其产品的品质就很值得怀疑了。资深玩家所描述的扬声器表现只是一些不恰当的褒贬。

Sean Olive and Floyd Toole have proven for decades that spec can be correlated with human hearing. One example of those proves is Sean Olive's target curves for headphones. Uncertainty in subjective evaluation of sound just audiophiles' point.

而写到这里,我打开我的蓝光播放器,播放喜欢的电影,亦或是打开CD机播放一张喜欢的CD,享受一个安静的黄昏。

网线一拔,恩怨去TM。

编辑于 2020-04-07

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