专业音频系统测试

　　你也许没有听说过QSC Audio公司，但你肯定已经听过它提供的音效。该公司的 放大器 、 数字音频处理器 和扬声器在私人聚会、影院、会议、音乐会、体育赛事等场合提供音效。QSC公司的产品为悉尼歌剧院、阿拉巴马大学美式足球场等场所提供音效。

　　在QSC公司位于Costa Mesa的总部，工程师们开发和评测本公司的产品。他们还为公司的生产线提供测试工程支持，放大器和数字音频 处理器 在这里要经历许多只是在开发期间才可能做的测试。在公司的声音实验室里，这些产品内部的扬声器和换能器也要经历一系列测试。

　　测试工程师Shaw Somarel支持的是放大器和数字音频处理器的生产测试。他开发并维护一些自动测试站，它们对每件放大器或数字音频处理器执行100多项测量。这些测试站就像生产线的一样，必须支持公司的许多电子产品。

　　该公司的生产线是一条高度混合的中等批量按单定制生产线。例如，放大器最初是一块没有安装零件的PCB。条形码识别这块板，以便执行零件安放、测试、最终组装和装箱。QSC公司

制造业务副总裁Eric Andersen解释说：该生产线支持84个不同放大器型号，并且无须为每块板做设置。所有型号的所有材料随时可供使用。联网的组装系统根据条形码，按照需要从数据库下载安装程序。

　　当放大器电路板进入生产线时，焊膏被丝网印刷到PCB的焊盘。取放机然后在板上组装各个表面贴装部件，速度约为每秒10个零件。接下来，通孔机添加轴向和径向引线零件。组装者然后手工添加大型电容和电感，高 功率放大器 经常需要这些零件（QSC公司功率最大的放大器在双通道的每条通道上都可产生4000W）。

　　一旦电路板配备了表面贴装部件，它就要进入回流炉。Andersen说：“我们在设计电路板时，会使它们都能使用同一种回流热量安排。”波峰焊机把通孔零件焊接到板子上。波峰焊期间，夹具使部件固定在位，来使弯曲和引线应力最小化。波峰焊之后，组装者们向功率晶体管添加散热片。他们随后把零件齐备的板子安装到机箱中，然后就可以接受测试了。

　　放大器经历的第一项测试是热测试，检验放大器的过热关闭电路是否好用。夹具把放大器的输出端短路，而机箱周围的容器则限制气流。放大器一直产生热量，直到它达到某个设定的温度点，后者激活过热关闭电路，该电路使放大器的输出端停止输出。当放大器冷却到设定温度点之下时，放大器将恢复正常，重新开始工作。

　　自动测试

　　热测试之后，放大器就可以接受最终测试了。此时，自动测试站从公司网络服务器下载放大器的测试程序。Somarel用Visual Basic .NET编写了测试站的控制软件。

　　放大器测试站由PC、 PLC 、自耦变压器、Fluke DMM、Fluke示波器、Audio Precision音频分析仪、开关模块组成。测试站还包含一些功率电阻，它们能处理放大器的功率输出。PLC控制着接触器，以便配置负载电阻和AC干线电源。它还控制一些继电器，它们设定通往受测放大器的音频信号路由。负载电阻通过定制的扬声器电缆连接到放大器的输出端。

　　高达4000W的功耗需要几个并联的功率电阻。图1表明功率电阻如何组成8Ω、4Ω和2Ω负载，用于测试线性放大器和开关（D类）放大器。

　　图1，成组的功率电阻在双通道的每条通道上都产生8Ω、4Ω、2Ω负载。

　　每一项最终测试都包含100多项测量，比如频率响应、额定 输出功率 、THD、SNR、CMRR、输出信号相位、输出短路电流。音频分析仪执行所有输出信号测量。它使用一条专有通信总线，后者与电脑中的PCI卡通信。DMM（通过GPIB连接它）测量AC干线电压、放大器的电源电流、放大器在有负载时的输出电流。每次测试期间，PC（它通过RS-232连接来控制自耦变压器）使自耦变压器的输出稳定在受测放大器的额定线路电压。

　　测试站配备100MHz 模拟 示波器，后者不受电脑控制。技术人员用它来调节放大器频率交叉点位置的偏置尖峰。Somarel说：“我们多半可以使用数字示波器，但模拟示波器一般会提供更详细的迹线显示。”

　　Somarel正在开发一种新型放大器测试站，用于那些不需要示波器的放大器。他计划用一个APx585型号取代目前的Audio Precision System One音频分析仪，前者在其应用软件中集成了示波器。与双通道型号相比，新型分析仪有8条通道，将会缩短测试时间，这是由于该分析仪将能一次测试放大器的所有通道（QSC Audio公司的放大器有8条通道）。Somarel预计，新型测试站能使测试时间缩短至少50%。 [p]

　　Somarel已把8通道音频分析仪集成到了QSC公司数字音频产品专用测试站中。其中一种数字产品名为Q-Sys，能通过以太网控制整个 音频系统 。每个Q-Sys控制器都能在 放大器 和诸如麦克风之类的音频源之间的一个512x512矩阵中设定数字化音频的路由。

　　QSC公司的数字音频产品用CobraNet（运行在100Mbps以太网上的音频协议）发送数字化24位音频。QSC公司的工程师改造了该公司目前的某种数字产品，它把CobraNet音频转换成AES数字流，使得音频分析仪能处理数字音频。

　　Somarel说：“CobraNet音频流被解多路复用，并被转换成I2S数字流，用于 数字信号处理 。数字流然后被送往数字收发器，它把I2S转换成AES音频流。每次只处理CobraNet音频流的两条通道，这是因为Audio Precision APx585只能读取两条AES音频信号通道。”

　　扬声器发声

　　没有扬声器的音响系统是不完整的，而QSC Audio公司在Costa Mesa制造多种扬声器。大多数扬声器测试是在两个实验室完成：4-pi实验室和2-pi实验室。在这些实验室中，工程师们评测完整的扬声器和换能器。
在4-pi实验室，扬声器工程师J

ohn Brodie测试完整的扬声器及其外壳的内部波导管。房间足够大，Brodie可以测量扬声器的首次响应——反射发生前，从扬声器直接传到耳朵的声音。在4-pi实验室，首次响应音频在反射声音出现之前大约15ms时到达两个麦克风。

　　每个麦克风均挂在天花板上，彼此成90°角。受测扬声器置于转盘上，而后者置于商用升降器上。升降器把扬声器升到麦克风的高度。墙上的激光器使Brodie能把受测扬声器对准麦克风。

　　在测试扬声器时，Brodie用放大的对数扫频正弦信号或多音信号激励它。麦克风连接到测试系统。“我们使用Listen公司的一种称作SoundCheck的系统。SoundCheck把24位PC声卡用作数字化仪，通过前置放大器把麦克风的声音数字化。”

　　Brodie指出：测试系统需要一些设置时间。它有一个步骤库，这些步骤定义了声卡、测试场校准数据、扬声器阻抗。这个库使测试系统能对记录的音频执行FFT等等数学运算，并生成刺激信号。

　　作为扬声器评测的一部分工作，Brodie需要测量扬声器的最大功率和频率。他测试扬声器时，它的各个端子电压高达100Vrms，然后从该点逐步降至–12dB。他随后计算电平的相对变化，来发现压缩量。他说：“如果扬声器回音管太小，就会产生风湍流，你就必须重新设计它。”

　　Brodie还利用两个麦克风的响应来描述扬声器的扩音情况的特征。“扬声器的波导管设计可能是用于90°散射模式。倘若结果是80°或100°，那么我们将重新设计波导管。”为了获取散射模式，Brodie以5°增量用转盘来旋转扬声器。

　　音频分析软件需要场校准数据，以便能用数学方式消除来自被测声音的反射和其它效应。为了获取校准数据，Brodie把扬声器放到外面，并使其音量足够大，以便在没有反射的情况下获取测量值。他然后利用这些基准测量值，并减去反射量来帮助完成校准。

　　换能器测试

　　如果你抬头看看4-pi实验室中的一面墙，你会看到一组木板，位于中央的木板安装了换能器。在这些板后面，Luis Esparza在2-pi实验室中评测换能器。2-pi实验室位于4-pi实验室地板上方很高的位置，来使反射量最小。

　　图2描绘了Esparza用于测量换能器散射模式的设置。一个麦克风得到0.5”铜管总成的支撑，能围绕距离它1m远的换能器旋转90°。Esparza从2-pi实验室内部移动这根管，相对于受测换能器来改变麦克风的角度。他以5°增量来移动麦克风，并记录换能器的离轴响应。Esparza使用Audiomatica公司的一种基于PC的音频分析仪，名为Clio。它由一个信号调节箱组成，后者连接到24位PCI声卡。他用这块卡产生步进式正弦扫频和中长序列(MLS)测量，后者测量换能器的转移函数。

　　图2，铜管总成使工程师能在受测换能器周围的一个1m弧线内移动麦克风。

　　Esparza用转移函数的曲线图来发现换能器的方向性响应，他据此确定扬声器的交叉网络应在何处从其低频换能器（低音扬声器）交叉到其高频换能器（高音扬声器）。在图3描绘的例子中，Esparza会把交叉频率设在大约2kHz。 [p]

　　Esparza还执行平面波测量，此时他测量压缩驱动器的响应（压缩驱动器是高效率换能器，产生高频声波）。正常情况下，压缩驱动器被设计用来以平面波形式发射声音。为了开展这些测量， Esparza把压缩驱动器连接到波导管，后者把所有声音传输到麦克风（图3）。他能测量直接来自换能器的平面波，并且散射不会影响用扫频正弦信号或MLS信号开展的测量。他说：“我们同时获取相位和振幅测量值，并能用相同的测试夹具测量失真和功率压缩。”

　　图3，波导管沿一个方向传输来自换能器的所有声音，以便测量。

　　2-pi实验室也配备了Esparza用来测量换能器或扬声器外壳物理振动的激光振动计。激光扫描扬声器锥体或壳壁表面。Esparza说：“我们想看到锥体如何移动。我们曾经在一种6”锥体上，在3kHz处遇到了频率响应问题。锥体的外沿移动量大于它的内沿。由于开展了这种测量，因此我们让压缩驱动器制造商改变了它的几何结构，这就纠正了它的频率响应。”

　　Esparza在测试外壳时也使用振动计。他为外壳设计者提供测量数据，来改进外壳构造并优化支架位置。
2-pi实验室还配备了Klippel公司制造的一种换能器失真分析仪。Klippel公司这种分析仪是基于激光的仪器，它测量物理运动（它是输入电流的函数），由此计算换能器的非线性行为，这使Esparza能发现有多少输入能量来自换能器。系统测量换能器的锥体总成、磁铁和结构的非线性程度。

　　在2-pi实验室和4-pi实验室中执行测量后，QSC公司的工程师们能确定扬声器是否可以接受可靠性测试。此时公司扬声器

系统部经理Chris Davies开始接手工作。

　　Davies部门的工程师们以扬声器或换能器的全部额定功率或更高功率来运行它，以便发现它能处理多大功率，由此测试它的可靠性。QSC公司的可靠性实验室由大楼后面的两个钢制箱体组成，人可在其中直立行走。其中一个箱体容纳了一个双层隔音室，受测扬声器和换能器在其中以全功率或更高功率工作100多个小时。第二个箱体容纳控制设备——CD播放器、QSControl.net联网音频系统（带有I/O和 放大器 ）、 Agilent Technologies公司的数据采集系统。所有设备均依靠用National Instruments LabView编写的软件运行。配线板使Davies能把放大器连接到隔壁箱体中的受测扬声器。

　　Davies用定制软件来选择输入源（CD播放器或多种噪音信号的任何一种），并以数字方式把它的输出信号传输到适当的放大器。测试期间，数据采集系统监视受测扬声器的电压和电流，并把所有故障都通知设计团队。数据采集系统测量分流电阻的电压，由此测量电流。

　　测试历时可能仅为2小时，也可能长达100多个小时。在2小时测试后，系统会让扬声器休息，然后再次开始。功率电平起初很低，然后逐渐增加。Davies说：“我们预计会出现故障，这是因为我们使扬声器超出了设计极限，想看看它们何时失灵。”

　　QSC Audio公司的工程师们在实验室和生产过程中测试音频产品，来确保人们从音乐家和DJ的表演以及电影、会议和音乐会听到最好的音效，而音乐家和DJ则在舞台上使这些产品经历真正的测试。在影剧院、会议中心和体育场等永久设施，所有人都能听到这些努力带来的效果