音頻分析儀原理（MAK-6630，VP7723D）

音頻分析儀原理（MAK-6630，VP7723D）

一般說來，一臺功能較為齊全的音頻分析儀器應(yīng)能測量信號交直流電壓、信號頻率、諧波失真、信噪比等參數(shù)。功能強大的音頻分析儀器提供頻譜分析、1/3倍頻程分析、倍頻程分析、聲壓級測量等功能。如果要組建音頻分析系統(tǒng)，還需要一臺標準音頻信號發(fā)生器作為激勵信號源。

音頻分析的原理主要涉及數(shù)字信號處理的基本理論、音頻分析的基本方法以及音頻參數(shù)測量和分析內(nèi)容，其中數(shù)字信號處理是音頻分析的理論基礎(chǔ)。

1．音頻分析技術(shù)基礎(chǔ)

　　傅立葉變換和信號的采樣是進行音頻分析時用到的zui基本的技術(shù)。傅立葉變換是進行頻譜分析的基礎(chǔ)，信號的頻譜分析是指按信號的頻率結(jié)構(gòu)，求取其分量的幅值、相位等按頻率分布規(guī)律，建立以頻率為橫軸的各種“譜”，如幅度譜、相位譜。信號中，周期信號通過傅立葉級數(shù)變換后對應(yīng)離散頻譜，而對于非周期信號，可以看作周期T為無窮大的周期信號，當(dāng)周期趨近無窮大時，則基波譜線及譜線間隔（ω=2π/T）趨近無窮小，從而離散的頻譜就變?yōu)檫B續(xù)頻譜。所以，非周期信號的頻譜是連續(xù)的。

 

　　在以計算機為中心的測試系統(tǒng)中，模擬信號進入數(shù)字計算機前先經(jīng)過A/D變換器，將連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間信號，稱為信號的采樣。然后再經(jīng)幅值量化變?yōu)殡x散的數(shù)字信號。這樣，在頻域上將會出現(xiàn)一系列新的問題，頻譜會發(fā)生變化。由模擬信號變成數(shù)字信號后，其傅立葉變換也變成離散傅立葉變換，涉及到采樣定理、頻率混疊、截斷和泄漏、加窗與窗函數(shù)等一系列問題。

2．音頻分析方法

　　通常在對某音頻設(shè)備音頻測量分析時，該設(shè)備被看成是一個具有輸入端口和輸出端口的黑箱系統(tǒng)。將某種己知信號輸入該系統(tǒng)，然后從輸出端獲取輸出信號進行分析，從而了解該系統(tǒng)的一些特性，這就是音頻分析的一般方法。輸入音頻設(shè)備的信號，稱作激勵信號。激勵信號可以是正弦、方波等周期信號，也可以是白噪聲、粉紅噪聲等隨機信號，還可以是雙音、多音、正弦突發(fā)等信號。zui常用的檢測分析方法有正弦信號檢測、脈沖信號檢測、zui大長度序列信號檢測等。

音頻測量一般包括信號電壓、頻率、信噪比、諧波失真等基本參數(shù)。大部分音頻參數(shù)都可以由這幾種基本參數(shù)組合而成。音頻分析可以分為時域分析、頻域分析、時頻分析等幾類。由于信號的諧波失真對于音頻測量比較重要，因此將其單獨歸類為失真分析。以下分別介紹各種音頻參數(shù)測量和音頻分析。

1、基本參數(shù)測量

　　音頻測量中需要測量的基本參數(shù)主要有電壓、頻率、信噪比。電壓測試可以分為均方根電壓（RMS）、平均電壓和峰值電壓等幾種。

 

　　頻率是音頻測量中zui基本的參數(shù)之一。通常利用高頻精密時鐘作為基準來測量信號的頻率。測量頻率時，在一個限定的時間內(nèi)的輸入信號和基準時鐘同時計數(shù)，然后將兩者的計數(shù)值比較后乘以基準時鐘的頻率就得到信號頻率。隨著微處理芯片的運算速度的提高，信號的頻率也可以利用快速傅立葉變換通過軟件計算得到。

 

　　信噪比是音頻設(shè)備的基本性能指標，是信號的有效電壓與噪聲電壓的比值。信噪比的計算公式為：

 

　　2-1

 

　　在實際測量中，為方便起見，通常用帶有噪聲的信號總電壓代替信號電壓計算信噪比。

2、時域分析

　　時域分析通常是將某種測試信號輸入待測音頻設(shè)備，觀察設(shè)備輸出信號的時域波形來評定設(shè)備的相關(guān)性能。zui常用的時域分析測試信號有正弦信號、方波信號、階躍信號及單音突變信號等。例如將正弦信號輸入設(shè)備，觀察輸出信號時域波形失真就是一種時域分析方法。

 

　　方波分析具有良好的突變性及周期性，通過觀察設(shè)備對方波信號的輸出信號波形能夠很好的檢測設(shè)備的各項性能，因此方波信號成為zui常用的時域分析信號。

 

　　階躍信號分析比較簡單，主要用來檢測音頻設(shè)備對于信號突變的響應(yīng)靈敏度。階躍信號分析的參數(shù)通常兩個，就是階躍響應(yīng)信號的上升時間和脈沖寬度。上升時間越小，設(shè)備對于信號突變的響應(yīng)越靈敏，瞬態(tài)特性越好;脈寬越小，設(shè)備的阻尼特性越好，系統(tǒng)越穩(wěn)定。

 

　　正弦信號在某個時刻峰值突然升高，形成突變，就是單音突變信號。由于單音突變信號的能量集中在一個很窄的頻率范圍，因此常用單音突變信號檢測音頻設(shè)備在某個特定頻率的響應(yīng)情況。單音突變信號的主要用途是快速判定某些音頻設(shè)備，例如揚聲器的阻尼特性等。

3、頻域分析

　　頻域分析是音頻分析的重要內(nèi)容，頻域分析的主要依據(jù)是頻率響應(yīng)特性曲線圖。前面提到的正弦檢測、脈沖檢測及zui大長度序列信號檢測都能夠得到設(shè)備的頻率響應(yīng)。頻率響應(yīng)曲線圖反映了音頻設(shè)備在整個音頻范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)的分布情況。一般來說曲線峰值處的頻率成分，回放聲壓大、聲壓強；曲線谷底處頻率成分聲壓小、聲音弱。若波峰和波谷起伏太大，則會造成較嚴重的頻率失真。

4、時頻分析

　　時頻特性描述了音頻設(shè)備在時間軸上隨著時間的變化其頻域特性的變化情況。時頻特性不僅在頻率的變化過程中描述了音頻設(shè)備的響應(yīng)狀態(tài)，而且還在時間的變化過程中描述了音頻設(shè)備的響應(yīng)狀態(tài)，也就是從三維的角度全面地描述了音頻設(shè)備的響應(yīng)特性。對于放音設(shè)備而言，主觀聽感的評述，如低音是否干凈，背景是否清晰，層次是否分明，音場的深淺等均與音頻設(shè)備的時頻特性均有密切關(guān)系。音頻設(shè)備的時頻特性是客觀評價音頻設(shè)備性能優(yōu)劣的一個很重要的方面。

5、失真分析

　　音頻設(shè)備的失真包括諧波失真、互調(diào)失真、相位失真及瞬態(tài)失真等幾類。音頻測量中zui重要的是諧波失真，諧波失真，簡單地說就是聲音信號經(jīng)音頻設(shè)備重放后多出來的額外的諧波成分。從聽眾的角度看，不同的發(fā)聲物體所發(fā)出的聲音是由不同的基波和諧波構(gòu)成的，聽眾可以根據(jù)聲音的特性分辨出發(fā)聲的物體。如果功率放大器將某種樂器所發(fā)出的樂音（樂音由基波和諧波組成）放大，經(jīng)揚聲器放音后，對基波和各次諧波的波形形狀、幅值和相位均能無失真的重現(xiàn)出來，則可以認為是高質(zhì)量的放音；否則，揚聲器所放出的聲音聽起來煩躁、別扭，則諧波失真已經(jīng)達到無法忍受，甚至使人無法分辨發(fā)聲樂器的種類。因此，諧波失真是音頻設(shè)備的重要性能指標。

 

　　諧波失真的測量方法有兩種，一種是以正弦信號輸入待測設(shè)備，然后分析設(shè)備響應(yīng)信號的頻率成分，可以得到諧波失真。另一種更簡單的測量方法是首先利用帶阻濾波器濾除響應(yīng)信號中的基頻成分，然后直接測量剩余信號的電壓，將其與原響應(yīng)信號作比較，就可以得到諧波失真。顯然第二種方法得到的諧波失真是THD+N，由于采用了信號的總電壓值代替了基頻分量電壓值，因此得到的諧波失真比實際值偏小，且實際的諧波失真越大，誤差越大。

 

　　在實際的音頻測量時，通常在一定的頻率范圍內(nèi)選取若干個頻率點，分別測量出各點的諧波失真，然后將各諧波失真數(shù)值以頻率為橫坐標連成一條曲線，稱為諧波失真曲線。