麥克風與喇叭電聲測試系統｜頻響、失真、SNR、Rub & Buzz 測試方案

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前言

頻響（Frequency Response）、失真（Distorsion）、SNR（訊噪比，Signal to Noise Ratio）以及異音（Rub&Buzz）是消費性電子產品的基礎電聲測試項目，想要對產品麥克風與喇叭的性能做這些基本評估，我們需要以下的測試系統配置（以網通產品電聲測試為例）：

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系統組成

完整的電聲量測系統（Electroacoustic Measurement System）是透過激勵訊號發送、環境聲學控制、物理電聲轉換、高精度訊號擷取與 DSP 演算法處理這五個核心環節建構而成。

以下說明五大組件各自的核心功能與所負責的關鍵任務：

一、 音頻分析儀 (Audio Analyzer / DAQ)

• 核心功能：整套量測系統的「硬體訊號樞紐與數模轉換中樞」。它負責連結軟體控制端與物理世界的聲學感測/發聲元件，提供極高動態範圍與極低底噪的訊號輸出（D/A）與擷取（A/D）。
• 負責任務：
  • 高精度數模/模數轉換：輸出超低失真的測試激勵波形，並以高取樣率（如 24-bit / 192 kHz）同步擷取麥克風傳回的微弱模擬訊號。
  • 感測器電源與訊號調理（Signal Conditioning）：內建或搭配前置放大器，提供量測麥克風所需的 IEPE / CCLD 恆流源、48V 幻象電源，或是為 MEMS 數位麥克風提供穩定的 VDD 直光供電與 PDM 時脈（Bit Clock）。
  • 多通道相位同步（Multi-channel Phase Synchronization）：在陣列麥克風或多聲道系統量測中，確保所有輸入/輸出通道間擁有極低的相位抖動（Jitter）與完全一致的時間軸。
    

二、 無響箱 / 屏蔽箱 (Anechoic / Shielding Box)

• 核心功能：為量測構建一個「純淨、可控且高度可重複的受控物理測試環境」。它負責消除外界環境背景雜訊對微弱聲學訊號的干擾，並抑制內部聲波反射。
• 負責任務：
  • 環境隔音（Acoustic Isolation）：阻絕廠房產線或實驗室外的機器運作聲、人聲與高頻噪音，確保系統能精確量測小訊號（如低底噪、微弱的 Rub & Buzz 異常雜音）。
  • 內部消音與防反射（Internal Absorption）：箱體內部鋪設吸音材料或吸音尖劈，消除內部金屬壁面的聲波反射（消除駐波與迴音），模擬近似自由音場（Free-field）的聲學狀態。
  • 射頻隔離（RF Shielding，針對音射頻雙隔離箱）：針對 TWS 藍牙耳機、Wi-Fi 網通產品，隔絕外界電磁波干擾，防止 RF 雜訊耦合至微弱的電聲訊號線路中。
  • 氣動定位與機械結構固定：搭配內部氣動治具與矽膠密封墊，精確鎖定待測物（DUT）與參考喇叭/麥克風之間的幾何距離與角度，確保每次量測的物理位置高度一致。
    

三、 參考喇叭 / 人工嘴 (Reference Speaker / Artificial Mouth)

• 核心功能：作為系統的「標準聲學激勵源（Standard Acoustic Stimulus Source）」。當待測物為麥克風（如 MEMS 麥克風、IP Camera 收音模組）或具備收音功能的設備時，參考喇叭負責提供未知待測物一個已知、精準的聲學輸入。
• 負責任務：
  • 提供平坦且低失真的聲壓：在指定頻段內（如 20 Hz – 20 kHz）發出預先經由軟體等化（Equalization）校準過的聲波訊號（如快掃頻 Chirp 或多音 Multitone）。
  • 仿真人聲輻射（若採用 ITU-T P.51 標準人工嘴）：精確重現人類嘴部附近的聲場分佈、輻射指向性與繞射效應，為待測麥克風提供標準的嘴部參考點（MRP, Mouth Reference Point）聲壓（如 94 dBSPL）。
    

四、 參考麥克風 (Reference Microphone)

• 核心功能：作為系統的「標準聲學感測基準（Standard Acoustic Measurement Sensor）」。當待測物為揚聲器、受話器或耳機時，參考麥克風作為「黃金標準耳朵」，將空氣中的聲壓波動精準還原為電訊號。
• 負責任務：
  • 待測物聲學特性量測：精確捕捉待測揚聲器發出的聲壓級（SPL）、頻率響應、總諧波失真（THD）與相位資訊。
  • 參考發聲源預校準（System Calibration）：在測試待測麥克風前，先放置於測試點（如 MRP），用於反向校準參考喇叭的頻響與輸出音壓，消除發聲端硬體的非線性偏差。
  • 極致的物理穩定性：採用 1/2 吋或 1/4 吋金屬振膜量測級麥克風（符合 IEC 61094 等級），具備極平坦的頻率響應、極低的自我底噪（Self-noise）以及極高的溫濕度穩定性。
    

五、 分析軟體 (Audio Analysis Software)

• 核心功能：整套系統的「軟體大腦與 DSP 演算中樞」。負責發射訊號的編程、數據擷取演算法執行、聲學指標運算，以及最終的 Pass/Fail 品管判定。
• 負責任務：
  • 測試波形生成與控制：產生 Log Sweep、Multitone、Step Level，或是開環測試（Open-loop）所需的導引（Pilot）訊號。
  • 高階 DSP 訊號處理：執行快速傅立葉轉換（FFT）、追蹤濾波（Tracking Filter）、降取樣（Decimation，如 PDM 轉 PCM 數位訊號處理）、時脈重取樣（Resampling，消除開環時脈漂移）以及高階諧波異音（Rub & Buzz）提取。
  • 指標運算與容差判定：即時計算頻率響應（FR）、總諧波失真（THD）、訊噪比（SNR）、聲學過載點（AOP）、相位與群延遲，並比對 Upper/Lower Limit 曲線。
  • 工廠自動化整合：透過 API / TCP/IP 介面與產線的 PLC 自動化控制器及工廠 MES 系統對接，實現 Barcode 掃碼綁定與測試數據的即時上傳。
    

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核心指標量測方法

• 頻率響應（Frequency Response, FR）： 分析儀輸出連續的對數快速掃頻訊號（Fast Log Sweep / Chirp）。由於時脈完全對齊，分析儀利用追蹤濾波器（Tracking Filter）或柱狀 FFT，可在小於 0.5 秒內計算出全頻段（20 Hz – 20 kHz）的幅值響應曲線。
• 總諧波失真（Total Harmonic Distortion, THD）： 在快掃頻過程中，分析儀同步對擷取到的訊號進行快速傅立葉轉換（FFT），精確提取基頻（f₀）與二階（2f₀）、三階（3f₀）等低階諧波能量，計算出能量百分比。
• 訊噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）： 分析儀先量測待測物輸出最大不失真訊號時的聲壓級（或電壓），接著關閉激勵訊號，量測系統與環境的殘留底噪（Residual Noise），兩者的分分貝差即為訊噪比。
• 異常雜音（Rub & Buzz）： 利用高階諧波演算法（如 10 階至 20 階以上的諧波能量總和），或分析時域波形的過零點與高頻包絡線。由於閉環系統無相位漂移，能以極高的靈敏度捕捉因音圈擦宜、膠水開裂或機殼共振產生的微弱高頻異音。

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參考配置

• 音頻分析軟體 BuildGO – AudioExpert Basic Module
• 整合式音頻分析儀 PM 6181
• 人工嘴 AM 581
• 客製化測試專用治具 FX 00
• 自由音場參考麥克風套件 HBK 4966
• 聲學與射頻屏蔽箱含工作櫃 AB 69+ D 69
• 客製化測試序列 CS 00

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