電子電聲產業Acoustic solution – Actran

聲音從混音開始，經過 DSP 、 DAC 、擴大器，再到揚聲器或耳機，最後到達人耳，每個環節都會對音質產生影響，例如頻率響應、相位響應、延遲表現、靈敏度、失真度以及信噪比等，都是用來描述音質的重要指標，也是音響領域常見的專業術語。

聲音的品質通常會從以下幾個主要維度進行評分，這些維度常用於音訊處理、錄音設備評估、語音通話測試，以及音樂製作等領域：

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1. 清晰度 ( Clarity )

• 聲音是否清楚、不含雜訊或失真。
• 衡量聲音的細節是否能被清晰地辨識。
• 影響因素：錄音環境、麥克風品質、音訊壓縮。

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2. 動態範圍 ( Dynamic Range )

• 聲音的最小音量與最大音量之間的範圍。
• 動態範圍大的音訊能表現出更自然的音量變化。
• 影響因素：壓縮器的使用、錄音設備的能力。

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3. 頻率響應 ( Frequency Response )

• 聲音是否涵蓋足夠廣的頻率範圍（低頻、中頻、高頻）。
• 頻率響應的平衡程度是否自然，不會有某些頻段過於突出或缺失。
• 影響因素：喇叭或耳機的設計、錄音品質。

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4. 背景雜訊 ( Noise )

• 背景雜音的程度，例如環境聲音或電子干擾。
• 雜訊會影響整體聆聽體驗。
• 衡量工具：信噪比 (Signal-to-Noise Ratio, SNR)。

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5. 失真 ( Distortion )

• 聲音是否因為設備或處理過程而失真。
• 包括音量過載、訊號剪切 (clipping)、或音頻壓縮造成的失真。

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6. 聲音的空間感 ( Spatial Quality )

• 聲音的立體感與位置感是否自然。
• 例如：音樂中的樂器定位是否清晰，或通話聲音是否有「空間」回響。
• 影響因素：立體聲或環繞音技術。

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7. 語音可懂度 ( Speech Intelligibility )

• 特別針對語音通話，評估是否容易聽懂講話內容。
• 影響因素：語速、清晰度、環境噪音。

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8. 溫暖與音色 ( Warmth and Tone )

• 聲音是否有豐富的共鳴，音色是否舒適自然。
• 例如，高品質的音樂錄音通常帶有「溫暖」的感覺。

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9. 同步性 ( Synchronization )

• 聲音與畫面或其他音軌之間的時間同步。
• 常見於影音製作或視訊通話。

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10. 音量平衡 ( Volume Balance )

• 各頻段或聲音來源之間的音量是否和諧。
• 例如，音樂中的人聲與背景音樂是否有適當的平衡。

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一般來說，在音樂播放的各個階段中，音箱和耳機最難實現平直的傳遞函數。 這是因為音箱和耳機的設計牽涉到空腔與振膜、箱體結構的聲振耦合作用，這種作用會改變喇叭在電路中的阻抗表現，進而影響電流和喇叭振膜的頻率響應，當振膜振動發聲後，聲音會透過音箱系統內部複雜蜿蜒的空腔通道傳播出來。 在這個過程中，有些頻率的聲音會被增強，而有些頻率的聲音可能會被削弱，導致頻率響應函數發生變化。

 

 

行 業 困 難 點 

將喇叭安裝在耳機或音箱中時，力學電路和聲學電路不僅需要體現喇叭驅動單元的結構，還需要考量喇叭安裝後的整體結構，包括材質、形狀以及空腔設計等。 因此，當一個簡單的驅動單元被安裝到音箱系統中後，聲場將不再均勻分佈，並且頻率響應函數也會呈現不平直的特性，這些都是音箱或耳機聲學設計中需要解決的挑戰。

今天我們就來研究一下音箱、耳機的結構（包括安裝殼體和聲腔通道）設計對頻響函數的影響。

 

我們先看一個簡單的例子。 一個電聲系統，施加電壓後，等效電路如下圖所示：

 

如果將ZE,VA一項展開，電路的表達如下圖。

從上圖可以看出，當電路中只有一個喇叭驅動單元時，力學電路和聲學電路都比較簡單。 相當於只需要考慮喇叭驅動單元中的防塵罩、振膜、線圈等結構和振膜上方的空氣流體的作用。 力學等效電路和聲學等效電路都比較簡單。

 

當把喇叭安裝在耳機或者音箱中，力學電路和聲學電路不僅要體現喇叭驅動單元的結構，還需要體現喇叭所安裝的音箱或耳機的結構（材質、形狀和空腔設計）。

這樣就可以很清楚地發現，即使是相同的喇叭驅動單元，一種是直接通電使用，另一種是安裝在音箱外殼內再通電，這兩種情況在電路中產生的電流大小是不同的。 因此，在相同的電壓條件下，喇叭線圈中產生的電磁力也會有所差異。 這種差異直接影響振膜的振動強度以及聲場的大小。 此外，音箱內部空腔的設計會進一步改變傳遞函數的特性，從而影響聲場的指向性和聲音輸出的頻響特性。

這些因素使得喇叭驅動單元在不同結構中的表現千差萬別，這也是為什麼在音響設計中，不僅需要精確計算驅動單元的特性，還需全面考慮音箱或耳機的結構對聲學表現的影響。

 

我們再來看，當一個喇叭安裝在障板上，它前方的聲場和聲學指向性是這樣的：

 

當把喇叭安裝在音箱中，它前方的聲場是這樣的：

感受到什麼是安裝效應了吧？把一個簡單的驅動單元安裝在音箱系統中，聲場不再均勻，而是呈現出空間中的不均勻以及頻響函數不再平直的特點。 這如同去聽一場音樂會，根據你買的票位置不同，價格也會相差數千元的原因。 以上的聲場圖片都是通過 Actran 模擬分析計算得到。

 

 

Actran 如何分析喇叭線圈中的電流與電磁感應力？

這裡我們可能會有一個疑問：Actran 作為一款振動與噪聲分析軟體，它是如何分析出喇叭線圈中的電流與電磁感應力的呢？  這就不得不提到 Thiele & Small（TS）參數。

Thiele&Small 參數是一組專門用來描述喇叭驅動單元在低頻範圍內電力特性的參數。 透過這些參數，電聲工程師可以對音箱或耳機的設計進行初步預測，特別是對振膜振動、輸入阻抗以及聲音輸出的特性進行分析。

在建模過程中，採用 Thiele&Small 參數中的 Re（直流阻抗）、Le（電感量） 和 Bl（磁場與振動力係數） 定義驅動單元的電力特性。 Actran 計算出音響結構與聲學流體的力學阻抗，並將這些結果反饋至等效電路模型。 藉此，模擬得到喇叭線圈中的等效電流與振膜的振動行為。

進一步，為 Actran 音響模型的線圈設定一個輸入電壓，便可以模擬出振膜的振動響應及整體音響系統的聲學響應，最終得出聲音與電壓之間的傳遞函數。

這樣的建模方法不僅使音響系統的設計過程更加精確，還能有效預測聲場表現和傳遞函數特性，為音響產品的優化提供科學依據。

 

 

如何在缺乏喇叭內部詳細設計資料的情況下進行分析建模？

對於許多企業來說，喇叭驅動單元通常是從供應商處直接採購的，而供應商往往不會提供內部詳細設計圖或材料參數。 那麼，如何在這種情況下進行有效的分析建模呢？

別擔心，Actran 提供了一種基於 Thiele & Small（TS）參數 的 Modal Driver 縮減模型方法，進一步簡化了喇叭驅動單元的建模過程。

 

這種方法的優勢

1. 僅需 Thiele&Small 等效參數
   在建模過程中，您只需要掌握驅動單元的 Thiele&Small 參數，例如 Re、Le 和 Bl 等，無需內部詳細結構或材料參數。
2. 簡單定義振膜形狀
   只需定義驅動單元的振膜形狀，便可在分析中考慮振膜前方音響流體域的作用，模擬出聲音的傳播特性和聲場響應。
3. 擺脫內部結構依賴
   即使無法獲得驅動單元的內部構造及材料參數，依然可以建立準確的等效模型，並進行聲學性能的預測和分析。

 

應 用 場 景

這種方法特別適合那些需要快速驗證喇叭安裝效應或聲場表現的項目，同時避免了因為缺乏詳細設計資料而導致的建模困難。 透過這種縮減模型方法，設計團隊可以更輕鬆地模擬喇叭與音箱系統的整體聲學響應，為產品開發提供重要支援。

這種方法已經被應用到進行電聲系統傳遞函數、敏感度以及聲場指向性的模擬分析中。 下面為大家展示的是 Volvo對汽車喇叭音響的研究。 我們想像一下，喇叭安裝到車門上，喇叭的聲場的指標還與當初的設計一致嗎？

喇叭通電後，振膜在振動時會受到車門內部腔體以及車門內板附近的空氣作用，所以它的振動應該與設計狀態不同，聲場也會產生變化。 至於如何變化，我們可以通過實驗和模擬來驗證。

車門結構採用模態方法來定義，車門內空腔以及門附近的空氣域採用聲學有限元單元來建模。 我們可以採用 Thiele&Small 參數完整模型或 Thiele&Small ModalDriver 縮減模型定義喇叭。 再施加必要的結構約束和電壓載荷，就可以進行喇叭在車門安裝狀態下的聲場分析。

讓我們來看一下模擬計算的結果，不管對於喇叭是採用完整模型還是 Modal driver 等效模型，傳遞函數相差並不大。 但是喇叭驅動單元本身（下圖綠色曲線）相對於考慮車門安裝效應後的傳遞函數（下圖紅色和藍色曲線），有非常明顯的變化。 這種變化就是車門（結構、腔體）以及外部空氣流體對整個電聲系統的影響。

將 Actran 模擬的結果與實驗資料進行對比，如下圖，吻合度非常好。 通過聲場雲圖、頻響函數的分析，我們可以更直觀的研究喇叭的安裝效應，提出更有效的改善聲場的方案。

為了提供更貼心的服務，Actran 新增了音頻製作功能。 這項功能可以將原始聲音文件通過傳遞函數處理後生成新的聲音文件，讓我們能夠用耳朵直接分辨不同音響系統設計（表現為不同傳遞函數）的效果，從而更精準地挑選適合目標客戶需求的設計方案。

其實，Actran 不僅僅停留在振動和聲學這些物理量的計算上，它更著眼於用戶體驗，從客戶的角度出發，不斷開發更多實用且貼心的功能，幫助設計者輕鬆打造符合市場需求的產品。

 

Actran 在電聲領域中的優勢

1. 分析模型中可以輸入電聲元件的 Thiele&Small 參數，方便喇叭的建模。
2. 有限元的振動聲學模型會考慮喇叭的安裝效應。
3. 可以模擬傳遞函數頻譜曲線，空間指向性，也可以對模擬的聲音進行播放。

 

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Actran 用 在 各 種 形 式 的 聲 學 模 型

 

Actran 常 見 應 用 的 產 業

• 航太:  經過駕駛艙和機身 、 發動機短艙內襯 、 機身和駕駛艙絕緣 、 ECS（環境控制系統） 、 APU 和 ECS 入口和出口消音器 、 後緣 、 聲納 、 直升機渦輪噪聲 、 起飛時火箭有效載荷的隨機動態響應的聲音傳輸 、 聲納。

• 車輛:  動力總成 、 裝飾設計 、 風噪聲 、 發動機部件 、 壓縮機 、 進氣歧管 、 空氣濾清器 、 閥蓋 、 擋板 、 電動機 、 揚聲器 、 消聲器 、 輪胎噪聲 、 消音器 、 高壓分配管道 、 馬達 、 齒輪箱。

 

• 消費品: 電話 、 免提電話通訊 、 耳機 、 揚聲器 、 助聽器 、 樂器 、 洗衣機 、 冰箱 、 吸塵器。

 

• 電子產品: 光碟硬碟等轉動裝置 、 手機 、 相機 、 液晶投影設備的風扇。

 

• 機械裝置: 渦輪機械 、 暖通空調 、 割草機和農業機械 、 排氣系統 、 馬達。

 

AI智慧聲學的新時代 – 2024 Actran 研討會

 

 

 

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