MiniDSP 车载声学之一：麦克风技术和车内声学测试（Microphone Techniques for Measurements in Car Cabins）

MiniDSP关于车载声学的测试一共有四篇文章，本文是对第一篇的总结。主要阐述了六种车内声学测试的布置方式以及各自的优缺点和适用场景。原文链接放在最后。

麦克风注意事项

这里描述的方法没有绝对的对错之分，每种设置都有它的优缺点。本文将从实践的角度进行解释，而在校准和决策过程中，了解工作过程中的条件限制非常重要。

我们需要明白，每次测量的结果都只是对客观现实的一种估计。在测试上花费的时间精力，对准确度的要求以及是否需要测试人员位于车内都会影响结果。

方法A：固定麦克风（扫频，分析灵敏度、极性、延迟，推荐：UMIK-1 和 UMIK-2）

这是最简单的测量方法：将麦克风放在一个固定位置，并在测量期间保持这个位置。 （推荐UMIK-1 和 UMIK-2）。在调音过程中，来自该单点的数据可用于扬声器的灵敏度检查、播放链路的极性检查和对数扫频分析。

需要请注意的是使用固定单点麦克风的 DFT（离散傅立叶变换）扫频分析在其幅度数量级上是正确的，但频域中的声学分辨率是有限的！尤其是在近场，如汽车车厢内。这可以在滤波器重构测量中更好地理解，如下图所示。

用于验证声学测量链路的滤波器重建测量显示了带噪的结果，该带噪结果在频域中表现为纹波。测量的工作原理如下：基线测量 - EQ 频段中定义的变化的测量 = 所应用滤波器的重建（蓝色）。所应用的滤波器电信号另外显示在图表中（绿色）。重建滤波器距离应用的滤波器“距离”越远，测量的分辨率就越低。

This filter reconstruction measurement to verify an acoustic measurement chain shows a noisy result which is visible as ripple in the frequency domain. The measurement works like this: Baseline measurement – measurement with defined change in an EQ band = reconstruction of applied filter (blue). The applied filter electric signal is additionally displayed (green) in the graph. The further the reconstructed filter is “away” from the applied filter, the less resolution your measurement chain has.

由于单个数据点就存在 20 dBr 误差，因此通过这种方式获得的图表可能会产生误导且缺乏可复现性。错误主要发生在中频和高频，使得汽车中的 DSP 设置出错，从而导致平庸的听感。使用噪声作为输入的测量也同样带来频率分辨率的不足，当然这也受到 FFT 设置的影响。

频域分辨率的缺失不会影响从对数扫描中得出的其他结论，例如群延迟等。可以通过在可能的收听位置周围稍微变化的位置处对多个连续的固定就地测量进行空间平均来提高分辨率。但如果涉及适量的扬声器并且需要多次迭代调音，即使对于简单的汽车音响系统来说也是相当耗时的。此外，为每次重复测量匹配空间中的测量位置会非常困难。

不过，“固定麦克风”方法的真正含义是，测量工程师不必亲自处于声场中。为了提高频域分辨率并简化工作流程，可以尝试方法B：移动麦克风。
噪声测试

项目	得分
测试速度	4/5
可复现性	2/5
频域准确性	3/5
幅度准确性	2/5
人是否需要在车内	不需要

扫频测试

项目	得分
测试速度	4/5
可复现性	2/5
频域准确性	2/5
幅度准确性	4/5
人是否需要在车内	不需要

方法B：移动麦克风 (粉噪，实时频谱分析)

对于这种测量技术，麦克风在聆听空间周围缓慢移动 10 到 30 秒。测试刺激是噪声信号（粉红噪声或 Meyer Sound 的 m 噪声）。使用 FFT 实时分析仪 (RTA) 进行分析。 使用REW 的 RTA功能时，既可以将信号通过音频接口直接馈送到应用程序中，也可以将录制的文件拖放到 RTA 窗口中。

在频域中，移动麦克风方法的结果比固定位置的单一测量技术更准确，并且在重复时也更精确（同一声学事件的多次测量将给出相同的结果）。这种方法的一个缺点是测量需要您在车内，这在大声且长时间的测量过程中可能会出现问题。此外，您还可以通过呼吸、风噪声（通过移动麦克风产生）和电缆噪声来改变测量结果，这些都是潜在的问题。

如果您不熟悉 FFT RTA，请使用 REW 中的这些设置作为起点，并以粉红噪声作为输入。

启用“RTA”模式后，REW 进行电平校正测量并补偿 FFT 增益和粉红噪声造成的 3 dB/倍频程损失。因此，您可以在调整中瞄准您定义的目标曲线。使用这些设置完成测量大约需要 11 秒。在此时间内，将麦克风移动到您头部周围的聆听位置。

必须注意的是，移动麦克风的测量方法无法使用扫频信号作为测量输入。下面这个链接演示了该方法的操作过程 https://youtu.be/6RiuwqzjqlQ.

噪声测试

项目	得分
测试速度	4/5
可复现性	4/5
频域准确性	4.5/5
幅度准确性	1/5(FFT)，4/5(RTA)
人是否需要在车内	需要

方法C：麦克风阵列（粉噪和扫频 推荐： UMIK-X）

作为汽车声学测量的黄金标准，阵列测量可以追溯到 Earl Geddes 的工作，他在 1980 年代初期为福特工作时提出了“局部声功率法”（原始 AES 论文在这里：https://www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=11627)。 Geddes 发现，将六个等间距的麦克风放置在潜在听众的耳朵（从小到大的人，在所谓的“耳椭球体”中，见下图）的位置，并对它们的数据点进行平均，给出了最佳测量结果分辨率、准确性、再现性以及与个人感知的一致性。这种测量技术常见于汽车制造商和汽车音响品牌供应商。

六麦克风阵列可提供相当于 1/3 倍频程的可靠分辨率。miniDSP UMIK-X 专为测量汽车驾驶室而设计。一组 8 个 MEMS 麦克风形成一个座位的阵列，从而比 Geddes 提出的原始六点设置提高了分辨率：

如果您想进一步提高分辨率，您可以在 UMIK-X 的一个座位位置使用最多 16 个麦克风。有关汽车声音高阶阵列的更多信息，请参阅：https://pub.dega-akustik.de/DAGA_2010/data/articles/000235.pdf。

使用阵列可以在调整过程中提供最大的信心和可重复性。它可以与日志扫描和噪声一起使用。通过一些练习，阵列结果通常比单麦克风或双耳头结果更快地获得，并且更容易阅读和使用（特别是对于初学者和使用 REW 作为分析工具）。

由于阵列占据了听者的位置，因此您不必亲自处于声场中。请注意，当您使用阵列时，必须仅使用阵列中的单个麦克风进行延迟测量！通过阵列，可以实现高声学分辨率。

The measurement results from arrays are also a great starting point for mono bass optimization with Multi-Sub Optimizer (MSO).

噪声和扫频测试，全五分好评

项目	得分
测试速度	5/5
可复现性	5/5
频域准确性	5/5
幅度准确性	5/5(RTA)
人是否需要在车内	不需要

方法D：人头模型（粉噪和扫频输入，推荐miniDSP EARS、 Head Acoustics HII.3 、KEMAR）

汽车“声音”不仅包括通过扬声器产生的声音，还包括由汽车部件的物理特性决定的声音事件等不可预见不需要的声音。例如，进气噪音、发动机振动或内饰件发出嘎嘎声。这些声音事件由 NVH 工程师（噪声、振动、声振粗糙度）测量和影响。

一般来说，这些工程师的一项重要工具是双耳人工头，它用来模拟人的头部、躯干、耳廓和耳道。在这些耳道的末端放置了麦克风。这个想法是模仿人类捕捉声场的方法。

从声学分辨率的角度来看，人工头的结果比固定点位的单个麦克风方法更好。因为有两个麦克风信号通过延迟（麦克风之间的距离）具有（明确定义的）头相关传递函数（HRTF）并添加了声学阴影（通过躯干的形状）。 HRTF 和人工头在中高频的有限分辨率使得电声应用初学者很难在双耳头录音时做出决策，因为必须对测量应用合适的校正函数。

为了在汽车中进行精确测量，必须在漫长的过程中对多个头部位置进行平均。来自双耳人工头的信号可用于通过脉冲响应（扫描作为刺激）、噪声和参考轨道记录来参考和存储声音。

噪声测试

项目	得分
测试速度	5/5
可复现性	3/5
频域准确性	2/5
幅度准确性	2/5
人是否需要在车内	不需要

扫频测试

项目	得分
测试速度	5/5
可复现性	3/5
频域准确性	2/5
幅度准确性	2/5，（4/5如果使用校准文件）
人是否需要在车内	不需要

方法E：人耳测试（粉噪和扫频输入）

1. 如果预算实在有限，可以将自己当成人工头。
2. 当使用噪声作为测试输入，且在测量过程中移动头部时，这种方法很快就会给出大量数据点。
3. 与基于躯干的双耳头部录音一样，这里适用相同的原理：数据点的数量相对较少，并且添加了 HRTF。
4. 与躯干双耳头部录音相比，您可以更快、更轻松地移动、指向并到达不同的位置。
5. 推荐使用以下模式：直视前方，左后视镜、右后视镜、遮阳板和方向盘底部作为位置点，以更好地了解声场并尽可能覆盖耳朵周围的声场。
   

Sound Professionals MS-TFB2: https://soundprofessionals.com/product/MS-TFB-2/

DPA 4560 core: https://www.dpamicrophones.com/immersive/4560-core-binaural-headset-microphone

Or the Sennheiser Ambeo Smart Headset (discontinued, but still available): https://de-de.sennheiser.com/newsroom/ambeo-smart-headset-jetzt-auch-in-schwarz-erhaltlich-214698

噪声和扫频测试相同

项目	得分
测试速度	5/5
可复现性	4/5
频域准确性	4/5（噪声需要在RTA模式）
幅度准确性	3/5
人是否需要在车内	需要

方法F：多种结合设置（粉噪和扫频输入）

下面的照片是我个人的汽车测量设置。我使用 miniDSP UMA-16 作为中高频的基础阵列，由两个 Sonarworks Ref 麦克风、miniDSP EARS 和 UMIK-2 组成。所有这些设备都可以作为一个音频设备一起工作（目前只能在 macOS 下使用）。

UMIK-2 用于延时测量，并且可以轻松拆卸以进行移动麦克风测量。 miniDSP EARS 单独用于噪声和声音质量测量（例如，使用 MOSQITO，如本教程中所述：https://www.minidsp.com/applications/acoustic-measurements/psychoacoustic-measurements-with-mosqito）

下面的照片展示了另一种合适的组合，由一个 Head Acoustics 人工录音头和 UMIK-X组成，在人工头的两侧各提供了四个麦克风。人工头和 UMIK-X 的信号通过校准文件进行匹配，在 REW 中进行平均和分析。如果您想自己 3D 打印双耳头，您可以使用这个伟大的项目：https://www.thingiverse.com/thing:4691843

参考

https://www.minidsp.com/applications/car-audio/1-microphone-techniques-car-cabins