QSC Audio公司的工程師們測試那些在私人聚會、美式足球場以及其它各種場所使用的音響系統(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)字音頻處理器和揚聲器在私人聚會、影院、會議、音樂會、體育賽事等場合提供音效。QSC公司的產(chǎn)品為悉尼歌劇院、阿拉巴馬大學美式足球場等場所提供音效。

　　在QSC公司位于Costa Mesa的總部，工程師們開發(fā)和評測本公司的產(chǎn)品。他們還為公司的生產(chǎn)線提供測試工程支持，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)期間才可能做的測試。在公司的聲音實驗室里，這些產(chǎn)品內(nèi)部的揚聲器和換能器也要經(jīng)歷一系列測試。

　　測試工程師Shaw Somarel支持的是放大器和數(shù)字音頻處理器的生產(chǎn)測試。他開發(fā)并維護一些自動測試站，它們對每件放大器或數(shù)字音頻處理器執(zhí)行100多項測量。這些測試站就像生產(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。條形碼識別這塊板，以便執(zhí)行零件安放、測試、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個不同放大器型號，并且無須為每塊板做設(shè)置。所有型號的所有材料隨時可供使用。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。

　　當放大器電路板進入生產(chǎn)線時，焊膏被絲網(wǎng)印刷到PCB的焊盤。取放機然后在板上組裝各個表面貼裝部件，速度約為每秒10個零件。接下來，通孔機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，它就要進入回流爐。Andersen說：“我們在設(shè)計電路板時，會使它們都能使用同一種回流熱量安排。”波峰焊機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箱中，然后就可以接受測試了。

　　放大器經(jīng)歷的第一項測試是熱測試，檢驗放大器的過熱關(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，直到它達到某個設(shè)定的溫度點，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。當放大器冷卻到設(shè)定溫度點之下時，放大器將恢復(fù)正常，重新開始工作。

　　自動測試

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

　　放大器測試站由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，以便配置負載電阻和AC干線電源。它還控制一些繼電器，它們設(shè)定通往受測放大器的音頻信號路由。負載電阻通過定制的揚聲器電纜連接到放大器的輸出端。

　　高達4000W的功耗需要幾個并聯(lián)的功率電阻。圖1表明功率電阻如何組成8Ω、4Ω和2Ω負載，用于測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負載。

　　每一項最終測試都包含100多項測量，比如頻率響應(yīng)、額定輸出功率、THD、SNR、CMRR、輸出信號相位、輸出短路電流。音頻分析儀執(zhí)行所有輸出信號測量。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）測量AC干線電壓、放大器的電源電流、放大器在有負載時的輸出電流。每次測試期間，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)定在受測放大器的額定線路電壓。

　　測試站配備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提供更詳細的跡線顯示。”

　　Somarel正在開發(fā)一種新型放大器測試站，用于那些不需要示波器的放大器。他計劃用一個APx585型號取代目前的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。與雙通道型號相比，新型分析儀有8條通道，將會縮短測試時間，這是由于該分析儀將能一次測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，新型測試站能使測試時間縮短至少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)控制整個音頻系統(tǒng)。每個Q-Sys控制器都能在放大器和諸如麥克風之類的音頻源之間的一個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，這是因為Audio Precision APx585只能讀取兩條AES音頻信號通道。”

　　揚聲器發(fā)聲

　　沒有揚聲器的音響系統(tǒng)是不完整的，而QSC Audio公司在Costa Mesa制造多種揚聲器。大多數(shù)揚聲器測試是在兩個實驗室完成：4-pi實驗室和2-pi實驗室。在這些實驗室中，工程師們評測完整的揚聲器和換能器。
在4-pi實驗室，揚聲器工程師John Brodie測試完整的揚聲器及其外殼的內(nèi)部波導(dǎo)管。房間足夠大，Brodie可以測量揚聲器的首次響應(yīng)——反射發(fā)生前，從揚聲器直接傳到耳朵的聲音。在4-pi實驗室，首次響應(yīng)音頻在反射聲音出現(xiàn)之前大約15ms時到達兩個麥克風。

　　每個麥克風均掛在天花板上，彼此成90°角。受測揚聲器置于轉(zhuǎn)盤上，而后者置于商用升降器上。升降器把揚聲器升到麥克風的高度。墻上的激光器使Brodie能把受測揚聲器對準麥克風。

　　在測試揚聲器時，Brodie用放大的對數(shù)掃頻正弦信號或多音信號激勵它。麥克風連接到測試系統(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的聲音數(shù)字化。”

　　Brodie指出：測試系統(tǒng)需要一些設(shè)置時間。它有一個步驟庫，這些步驟定義了聲卡、測試場校準數(shù)據(jù)、揚聲器阻抗。這個庫使測試系統(tǒng)能對記錄的音頻執(zhí)行FFT等等數(shù)學運算，并生成刺激信號。

　　作為揚聲器評測的一部分工作，Brodie需要測量揚聲器的最大功率和頻率。他測試揚聲器時，它的各個端子電壓高達100Vrms，然后從該點逐步降至–12dB。他隨后計算電平的相對變化，來發(fā)現(xiàn)壓縮量。他說：“如果揚聲器回音管太小，就會產(chǎn)生風湍流，你就必須重新設(shè)計它。”

　　Brodie還利用兩個麥克風的響應(yīng)來描述揚聲器的擴音情況的特征。“揚聲器的波導(dǎo)管設(shè)計可能是用于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)揚聲器。

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

　　換能器測試

　　如果你抬頭看看4-pi實驗室中的一面墻，你會看到一組木板，位于中央的木板安裝了換能器。在這些板后面，Luis Esparza在2-pi實驗室中評測換能器。2-pi實驗室位于4-pi實驗室地板上方很高的位置，來使反射量最小。

　　圖2描繪了Esparza用于測量換能器散射模式的設(shè)置。一個麥克風得到0.5”銅管總成的支撐，能圍繞距離它1m遠的換能器旋轉(zhuǎn)90°。Esparza從2-pi實驗室內(nèi)部移動這根管，相對于受測換能器來改變麥克風的角度。他以5°增量來移動麥克風，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。它由一個信號調(diào)節(jié)箱組成，后者連接到24位PCI聲卡。他用這塊卡產(chǎn)生步進式正弦掃頻和中長序列(MLS)測量，后者測量換能器的轉(zhuǎn)移函數(shù)。

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

　　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)此確定揚聲器的交叉網(wǎng)絡(luò)應(yīng)在何處從其低頻換能器（低音揚聲器）交叉到其高頻換能器（高音揚聲器）。在圖3描繪的例子中，Esparza會把交叉頻率設(shè)在大約2kHz。

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

　　圖3，波導(dǎo)管沿一個方向傳輸來自換能器的所有聲音，以便測量。

　　 2-pi實驗室也配備了Esparza用來測量換能器或揚聲器外殼物理振動的激光振動計。激光掃描揚聲器錐體或殼壁表面。Esparza說：“我們想看到錐體如何移動。我們曾經(jīng)在一種6”錐體上，在3kHz處遇到了頻率響應(yīng)問題。錐體的外沿移動量大于它的內(nèi)沿。由于開展了這種測量，因此我們讓壓縮驅(qū)動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在測試外殼時也使用振動計。他為外殼設(shè)計者提供測量數(shù)據(jù)，來改進外殼構(gòu)造并優(yōu)化支架位置。
2-pi實驗室還配備了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，它測量物理運動（它是輸入電流的函數(shù)），由此計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實驗室和4-pi實驗室中執(zhí)行測量后，QSC公司的工程師們能確定揚聲器是否可以接受可靠性測試。此時公司揚聲器系統(tǒng)部經(jīng)理Chris Davies開始接手工作。

　　Davies部門的工程師們以揚聲器或換能器的全部額定功率或更高功率來運行它，以便發(fā)現(xiàn)它能處理多大功率，由此測試它的可靠性。QSC公司的可靠性實驗室由大樓后面的兩個鋼制箱體組成，人可在其中直立行走。其中一個箱體容納了一個雙層隔音室，受測揚聲器和換能器在其中以全功率或更高功率工作100多個小時。第二個箱體容納控制設(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編寫的軟件運行。配線板使Davies能把放大器連接到隔壁箱體中的受測揚聲器。

　　Davies用定制軟件來選擇輸入源（CD播放器或多種噪音信號的任何一種），并以數(shù)字方式把它的輸出信號傳輸?shù)竭m當?shù)姆糯笃鳌y試期間，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)視受測揚聲器的電壓和電流，并把所有故障都通知設(shè)計團隊。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量分流電阻的電壓，由此測量電流。

　　測試歷時可能僅為2小時，也可能長達100多個小時。在2小時測試后，系統(tǒng)會讓揚聲器休息，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)計會出現(xiàn)故障，這是因為我們使揚聲器超出了設(shè)計極限，想看看它們何時失靈。”

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