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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行音頻分析時用到的zui基本的技術(shù),。傅立葉變換是進(jìn)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(jī)為中心的測試系統(tǒng)中,，模擬信號進(jìn)入數(shù)字計算機(jī)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(jìn)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(jī)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(dú)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(zhǔn)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(zhǔn)時鐘同時計數(shù)，然后將兩者的計數(shù)值比較后乘以基準(zhǔn)時鐘的頻率就得到信號頻率,。隨著微處理芯片的運(yùn)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(biāo),，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(yáng)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(qiáng),；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(yán)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(yáng)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(rèn)為是高質(zhì)量的放音,；否則，揚(yáng)聲器所放出的聲音聽起來煩躁,、別扭,，則諧波失真已經(jīng)達(dá)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(biāo)。

　　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(biāo)連成一條曲線,，稱為諧波失真曲線。