QSC Audio公司的工程師們測(cè)試那些在私人聚會(huì)、美式足球場(chǎng)以及其它各種場(chǎng)所使用的音響系統(tǒng)和部件

　　你也許沒有聽說過QSC Audio公司，但你肯定已經(jīng)聽過它提供的音效。該公司的放大器、數(shù)字音頻處理器和揚(yáng)聲器在私人聚會(huì)、影院、會(huì)議、音樂會(huì)、體育賽事等場(chǎng)合提供音效。QSC公司的產(chǎn)品為悉尼歌劇院、阿拉巴馬大學(xué)美式足球場(chǎng)等場(chǎng)所提供音效。

　　在QSC公司位于Costa Mesa的總部，工程師們開發(fā)和評(píng)測(cè)本公司的產(chǎn)品。他們還為公司的生產(chǎn)線提供測(cè)試工程支持，放大器和數(shù)字音頻處理器在這里要經(jīng)歷許多只是在開發(fā)期間才可能做的測(cè)試。在公司的聲音實(shí)驗(yàn)室里，這些產(chǎn)品內(nèi)部的揚(yáng)聲器和換能器也要經(jīng)歷一系列測(cè)試。

　　測(cè)試工程師Shaw Somarel支持的是放大器和數(shù)字音頻處理器的生產(chǎn)測(cè)試。他開發(fā)并維護(hù)一些自動(dòng)測(cè)試站，它們對(duì)每件放大器或數(shù)字音頻處理器執(zhí)行100多項(xiàng)測(cè)量。這些測(cè)試站就像生產(chǎn)線的一樣，必須支持公司的許多電子產(chǎn)品。

　　該公司的生產(chǎn)線是一條高度混合的中等批量按單定制生產(chǎn)線。例如，放大器最初是一塊沒有安裝零件的PCB。條形碼識(shí)別這塊板，以便執(zhí)行零件安放、測(cè)試、最終組裝和裝箱。QSC公司制造業(yè)務(wù)副總裁Eric Andersen解釋說：該生產(chǎn)線支持84個(gè)不同放大器型號(hào)，并且無須為每塊板做設(shè)置。所有型號(hào)的所有材料隨時(shí)可供使用。聯(lián)網(wǎng)的組裝系統(tǒng)根據(jù)條形碼，按照需要從數(shù)據(jù)庫下載安裝程序。

　　當(dāng)放大器電路板進(jìn)入生產(chǎn)線時(shí)，焊膏被絲網(wǎng)印刷到PCB的焊盤。取放機(jī)然后在板上組裝各個(gè)表面貼裝部件，速度約為每秒10個(gè)零件。接下來，通孔機(jī)添加軸向和徑向引線零件。組裝者然后手工添加大型電容和電感，高功率放大器經(jīng)常需要這些零件（QSC公司功率最大的放大器在雙通道的每條通道上都可產(chǎn)生4000W）。

　　一旦電路板配備了表面貼裝部件，它就要進(jìn)入回流爐。Andersen說：“我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路板時(shí)，會(huì)使它們都能使用同一種回流熱量安排。”波峰焊機(jī)把通孔零件焊接到板子上。波峰焊期間，夾具使部件固定在位，來使彎曲和引線應(yīng)力最小化。波峰焊之后，組裝者們向功率晶體管添加散熱片。他們隨后把零件齊備的板子安裝到機(jī)箱中，然后就可以接受測(cè)試了。

　　放大器經(jīng)歷的第一項(xiàng)測(cè)試是熱測(cè)試，檢驗(yàn)放大器的過熱關(guān)閉電路是否好用。夾具把放大器的輸出端短路，而機(jī)箱周圍的容器則限制氣流。放大器一直產(chǎn)生熱量，直到它達(dá)到某個(gè)設(shè)定的溫度點(diǎn)，后者激活過熱關(guān)閉電路，該電路使放大器的輸出端停止輸出。當(dāng)放大器冷卻到設(shè)定溫度點(diǎn)之下時(shí)，放大器將恢復(fù)正常，重新開始工作。

　　自動(dòng)測(cè)試

　　熱測(cè)試之后，放大器就可以接受最終測(cè)試了。此時(shí)，自動(dòng)測(cè)試站從公司網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器下載放大器的測(cè)試程序。Somarel用Visual Basic .NET編寫了測(cè)試站的控制軟件。

　　放大器測(cè)試站由PC、PLC、自耦變壓器、Fluke DMM、Fluke示波器、Audio Precision分析儀">音頻分析儀、開關(guān)模塊組成。測(cè)試站還包含一些功率電阻，它們能處理放大器的功率輸出。PLC控制著接觸器，以便配置負(fù)載電阻和AC干線電源。它還控制一些繼電器，它們?cè)O(shè)定通往受測(cè)放大器的音頻信號(hào)路由。負(fù)載電阻通過定制的揚(yáng)聲器電纜連接到放大器的輸出端。

　　高達(dá)4000W的功耗需要幾個(gè)并聯(lián)的功率電阻。圖1表明功率電阻如何組成8Ω、4Ω和2Ω負(fù)載，用于測(cè)試線性放大器和開關(guān)（D類）放大器。

　　圖1，成組的功率電阻在雙通道的每條通道上都產(chǎn)生8Ω、4Ω、2Ω負(fù)載。

　　每一項(xiàng)最終測(cè)試都包含100多項(xiàng)測(cè)量，比如頻率響應(yīng)、額定輸出功率、THD、SNR、CMRR、輸出信號(hào)相位、輸出短路電流。音頻分析儀執(zhí)行所有輸出信號(hào)測(cè)量。它使用一條專有通信總線，后者與電腦中的PCI卡通信。DMM（通過GPIB連接它）測(cè)量AC干線電壓、放大器的電源電流、放大器在有負(fù)載時(shí)的輸出電流。每次測(cè)試期間，PC（它通過RS-232連接來控制自耦變壓器）使自耦變壓器的輸出穩(wěn)定在受測(cè)放大器的額定線路電壓。

　　測(cè)試站配備100MHz模擬示波器，后者不受電腦控制。技術(shù)人員用它來調(diào)節(jié)放大器頻率交叉點(diǎn)位置的偏置尖峰。Somarel說：“我們多半可以使用數(shù)字示波器，但模擬示波器一般會(huì)提供更詳細(xì)的跡線顯示。”

　　Somarel正在開發(fā)一種新型放大器測(cè)試站，用于那些不需要示波器的放大器。他計(jì)劃用一個(gè)APx585型號(hào)取代目前的Audio Precision System One音頻分析儀，前者在其應(yīng)用軟件中集成了示波器。與雙通道型號(hào)相比，新型分析儀有8條通道，將會(huì)縮短測(cè)試時(shí)間，這是由于該分析儀將能一次測(cè)試放大器的所有通道（QSC Audio公司的放大器有8條通道）。Somarel預(yù)計(jì)，新型測(cè)試站能使測(cè)試時(shí)間縮短至少50%。

　　Somarel已把8通道音頻分析儀集成到了QSC公司數(shù)字音頻產(chǎn)品專用測(cè)試站 中。其中一種數(shù)字產(chǎn)品名為Q-Sys，能通過以太網(wǎng)控制整個(gè)音頻系統(tǒng)。每個(gè)Q-Sys控制器都能在放大器和諸如麥克風(fēng)之類的音頻源之間的一個(gè)512x512矩陣中設(shè)定數(shù)字化音頻的路由。

　　QSC公司的數(shù)字音頻產(chǎn)品用CobraNet（運(yùn)行在100Mbps以太網(wǎng)上的音頻協(xié)議）發(fā)送數(shù)字化24位音頻。QSC公司的工程師改造了該公司目前的某種數(shù)字產(chǎn)品，它把CobraNet音頻轉(zhuǎn)換成AES數(shù)字流，使得音頻分析儀能處理數(shù)字音頻。

　　Somarel說：“CobraNet音頻流被解多路復(fù)用，并被轉(zhuǎn)換成I²S數(shù)字流，用于數(shù)字信號(hào)處理。數(shù)字流然后被送往數(shù)字收發(fā)器，它把I²S轉(zhuǎn)換成AES音頻流。每次只處理CobraNet音頻流的兩條通道，這是因?yàn)锳udio Precision APx585只能讀取兩條AES音頻信號(hào)通道。”

　　揚(yáng)聲器發(fā)聲

　　沒有揚(yáng)聲器的音響系統(tǒng)是不完整的，而QSC Audio公司在Costa Mesa制造多種揚(yáng)聲器。大多數(shù)揚(yáng)聲器測(cè)試是在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室完成：4-pi實(shí)驗(yàn)室和2-pi實(shí)驗(yàn)室。在這些實(shí)驗(yàn)室中，工程師們?cè)u(píng)測(cè)完整的揚(yáng)聲器和換能器。
在4-pi實(shí)驗(yàn)室，揚(yáng)聲器工程師John Brodie測(cè)試完整的揚(yáng)聲器及其外殼的內(nèi)部波導(dǎo)管。房間足夠大，Brodie可以測(cè)量揚(yáng)聲器的首次響應(yīng)——反射發(fā)生前，從揚(yáng)聲器直接傳到耳朵的聲音。在4-pi實(shí)驗(yàn)室，首次響應(yīng)音頻在反射聲音出現(xiàn)之前大約15ms時(shí)到達(dá)兩個(gè)麥克風(fēng)。

　　每個(gè)麥克風(fēng)均掛在天花板上，彼此成90°角。受測(cè)揚(yáng)聲器置于轉(zhuǎn)盤上，而后者置于商用升降器上。升降器把揚(yáng)聲器升到麥克風(fēng)的高度。墻上的激光器使Brodie能把受測(cè)揚(yáng)聲器對(duì)準(zhǔn)麥克風(fēng)。

　　在測(cè)試揚(yáng)聲器時(shí)，Brodie用放大的對(duì)數(shù)掃頻正弦信號(hào)或多音信號(hào)激勵(lì)它。麥克風(fēng)連接到測(cè)試系統(tǒng)。“我們使用Listen公司的一種稱作SoundCheck的系統(tǒng)。SoundCheck把24位PC聲卡用作數(shù)字化儀，通過前置放大器把麥克風(fēng)的聲音數(shù)字化。”

　　Brodie指出：測(cè)試系統(tǒng)需要一些設(shè)置時(shí)間。它有一個(gè)步驟庫，這些步驟定義了聲卡、測(cè)試場(chǎng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、揚(yáng)聲器阻抗。這個(gè)庫使測(cè)試系統(tǒng)能對(duì)記錄的音頻執(zhí)行FFT等等數(shù)學(xué)運(yùn)算，并生成刺激信號(hào)。

　　作為揚(yáng)聲器評(píng)測(cè)的一部分工作，Brodie需要測(cè)量揚(yáng)聲器的最大功率和頻率。他測(cè)試揚(yáng)聲器時(shí)，它的各個(gè)端子電壓高達(dá)100Vrms，然后從該點(diǎn)逐步降至–12dB。他隨后計(jì)算電平的相對(duì)變化，來發(fā)現(xiàn)壓縮量。他說：“如果揚(yáng)聲器回音管太小，就會(huì)產(chǎn)生風(fēng)湍流，你就必須重新設(shè)計(jì)它。”

　　Brodie還利用兩個(gè)麥克風(fēng)的響應(yīng)來描述揚(yáng)聲器的擴(kuò)音情況的特征。“揚(yáng)聲器的波導(dǎo)管設(shè)計(jì)可能是用于90°散射模式。倘若結(jié)果是80°或100°，那么我們將重新設(shè)計(jì)波導(dǎo)管。”為了獲取散射模式，Brodie以5°增量用轉(zhuǎn)盤來旋轉(zhuǎn)揚(yáng)聲器。

　　音頻分析軟件需要場(chǎng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以便能用數(shù)學(xué)方式消除來自被測(cè)聲音的反射和其它效應(yīng)。為了獲取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，Brodie把揚(yáng)聲器放到外面，并使其音量足夠大，以便在沒有反射的情況下獲取測(cè)量值。他然后利用這些基準(zhǔn)測(cè)量值，并減去反射量來幫助完成校準(zhǔn)。

　　換能器測(cè)試

　　如果你抬頭看看4-pi實(shí)驗(yàn)室中的一面墻，你會(huì)看到一組木板，位于中央的木板安裝了換能器。在這些板后面，Luis Esparza在2-pi實(shí)驗(yàn)室中評(píng)測(cè)換能器。2-pi實(shí)驗(yàn)室位于4-pi實(shí)驗(yàn)室地板上方很高的位置，來使反射量最小。

　　圖2描繪了Esparza用于測(cè)量換能器散射模式的設(shè)置。一個(gè)麥克風(fēng)得到0.5”銅管總成的支撐，能圍繞距離它1m遠(yuǎn)的換能器旋轉(zhuǎn)90°。Esparza從2-pi實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部移動(dòng)這根管，相對(duì)于受測(cè)換能器來改變麥克風(fēng)的角度。他以5°增量來移動(dòng)麥克風(fēng)，并記錄換能器的離軸響應(yīng)。Esparza使用Audiomatica公司的一種基于PC的音頻分析儀，名為Clio。它由一個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)箱組成，后者連接到24位PCI聲卡。他用這塊卡產(chǎn)生步進(jìn)式正弦掃頻和中長(zhǎng)序列(MLS)測(cè)量，后者測(cè)量換能器的轉(zhuǎn)移函數(shù)。

　　圖2，銅管總成使工程師能在受測(cè)換能器周圍的一個(gè)1m弧線內(nèi)移動(dòng)麥克風(fēng)。

　　Esparza用轉(zhuǎn)移函數(shù)的曲線圖來發(fā)現(xiàn)換能器的方向性響應(yīng)，他據(jù)此確定揚(yáng)聲器的交叉網(wǎng)絡(luò)應(yīng)在何處從其低頻換能器（低音揚(yáng)聲器）交叉到其高頻換能器（高音揚(yáng)聲器）。在圖3描繪的例子中，Esparza會(huì)把交叉頻率設(shè)在大約2kHz。

　　Esparza還執(zhí)行平面波測(cè)量，此時(shí)他測(cè)量壓縮驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)（壓縮驅(qū)動(dòng)器是高效率換能器，產(chǎn)生高頻聲波）。正常情況下，壓縮驅(qū)動(dòng)器被設(shè)計(jì)用來以平面波形式發(fā)射聲音。為了開展這些測(cè)量， Esparza把壓縮驅(qū)動(dòng)器連接到波導(dǎo)管，后者把所有聲音傳輸?shù)禁溈孙L(fēng)（圖3）。他能測(cè)量直接來自換能器的平面波，并且散射不會(huì)影響用掃頻正弦信號(hào)或MLS信號(hào)開展的測(cè)量。他說：“我們同時(shí)獲取相 位和振幅測(cè)量值，并能用相同的測(cè)試夾具測(cè)量失真和功率壓縮。”

　　圖3，波導(dǎo)管沿一個(gè)方向傳輸來自換能器的所有聲音，以便測(cè)量。

　　 2-pi實(shí)驗(yàn)室也配備了Esparza用來測(cè)量換能器或揚(yáng)聲器外殼物理振動(dòng)的激光振動(dòng)計(jì)。激光掃描揚(yáng)聲器錐體或殼壁表面。Esparza說：“我們想看到錐體如何移動(dòng)。我們?cè)?jīng)在一種6”錐體上，在3kHz處遇到了頻率響應(yīng)問題。錐體的外沿移動(dòng)量大于它的內(nèi)沿。由于開展了這種測(cè)量，因此我們讓壓縮驅(qū)動(dòng)器制造商改變了它的幾何結(jié)構(gòu)，這就糾正了它的頻率響應(yīng)。”

　　Esparza在測(cè)試外殼時(shí)也使用振動(dòng)計(jì)。他為外殼設(shè)計(jì)者提供測(cè)量數(shù)據(jù)，來改進(jìn)外殼構(gòu)造并優(yōu)化支架位置。
2-pi實(shí)驗(yàn)室還配備了Klippel公司制造的一種換能器失真分析儀。Klippel公司這種分析儀是基于激光的儀器，它測(cè)量物理運(yùn)動(dòng)（它是輸入電流的函數(shù)），由此計(jì)算換能器的非線性行為，這使Esparza能發(fā)現(xiàn)有多少輸入能量來自換能器。系統(tǒng)測(cè)量換能器的錐體總成、磁鐵和結(jié)構(gòu)的非線性程度。

　　在2-pi實(shí)驗(yàn)室和4-pi實(shí)驗(yàn)室中執(zhí)行測(cè)量后，QSC公司的工程師們能確定揚(yáng)聲器是否可以接受可靠性測(cè)試。此時(shí)公司揚(yáng)聲器系統(tǒng)部經(jīng)理Chris Davies開始接手工作。

　　Davies部門的工程師們以揚(yáng)聲器或換能器的全部額定功率或更高功率來運(yùn)行它，以便發(fā)現(xiàn)它能處理多大功率，由此測(cè)試它的可靠性。QSC公司的可靠性實(shí)驗(yàn)室由大樓后面的兩個(gè)鋼制箱體組成，人可在其中直立行走。其中一個(gè)箱體容納了一個(gè)雙層隔音室，受測(cè)揚(yáng)聲器和換能器在其中以全功率或更高功率工作100多個(gè)小時(shí)。第二個(gè)箱體容納控制設(shè)備——CD播放器、QSControl.net聯(lián)網(wǎng)音頻系統(tǒng)（帶有I/O和放大器）、 Agilent Technologies公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。所有設(shè)備均依靠用National Instruments LabView編寫的軟件運(yùn)行。配線板使Davies能把放大器連接到隔壁箱體中的受測(cè)揚(yáng)聲器。

　　Davies用定制軟件來選擇輸入源（CD播放器或多種噪音信號(hào)的任何一種），并以數(shù)字方式把它的輸出信號(hào)傳輸?shù)竭m當(dāng)?shù)姆糯笃?。測(cè)試期間，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)視受測(cè)揚(yáng)聲器的電壓和電流，并把所有故障都通知設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量分流電阻的電壓，由此測(cè)量電流。

　　測(cè)試歷時(shí)可能僅為2小時(shí)，也可能長(zhǎng)達(dá)100多個(gè)小時(shí)。在2小時(shí)測(cè)試后，系統(tǒng)會(huì)讓揚(yáng)聲器休息，然后再次開始。功率電平起初很低，然后逐漸增加。Davies說：“我們預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)故障，這是因?yàn)槲覀兪箵P(yáng)聲器超出了設(shè)計(jì)極限，想看看它們何時(shí)失靈。”

　　QSC Audio公司的工程師們?cè)趯?shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)過程中測(cè)試音頻產(chǎn)品，來確保人們從音樂家和DJ的表演以及電影、會(huì)議和音樂會(huì)聽到最好的音效，而音樂家和DJ則在舞臺(tái)上使這些產(chǎn)品經(jīng)歷真正的測(cè)試。在影劇院、會(huì)議中心和體育場(chǎng)等永久設(shè)施，所有人都能聽到這些努力帶來的效果。