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音頻分析儀原理(MAK-6630,VP7723D)

來源:深圳市深東金儀器有限公司   2012年10月23日 12:29  

音頻分析儀原理(MAK-6630,,VP7723D)

一般說來,,一臺(tái)功能較為齊全的音頻分析儀器應(yīng)能測量信號(hào)交直流電壓、信號(hào)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(jí)測量等功能,。如果要組建音頻分析系統(tǒng),,還需要一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)發(fā)生器作為激勵(lì)信號(hào)源。

音頻分析的原理主要涉及數(shù)字信號(hào)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(hào)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(hào)的采樣是進(jìn)行音頻分析時(shí)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(hào)的頻譜分析是指按信號(hào)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(hào)中,,周期信號(hào)通過傅立葉級(jí)數(shù)變換后對(duì)應(yīng)離散頻譜,,而對(duì)于非周期信號(hào),可以看作周期T為無窮大的周期信號(hào),,當(dāng)周期趨近無窮大時(shí),,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(hào)的頻譜是連續(xù)的。

 

  在以計(jì)算機(jī)為中心的測試系統(tǒng)中,,模擬信號(hào)進(jìn)入數(shù)字計(jì)算機(jī)前先經(jīng)過A/D變換器,,將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間信號(hào),稱為信號(hào)的采樣,。然后再經(jīng)幅值量化變?yōu)殡x散的數(shù)字信號(hào),。這樣,,在頻域上將會(huì)出現(xiàn)一系列新的問題,頻譜會(huì)發(fā)生變化,。由模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)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?cái)嗪托孤⒓哟芭c窗函數(shù)等一系列問題,。

2.音頻分析方法

  通常在對(duì)某音頻設(shè)備音頻測量分析時(shí),,該設(shè)備被看成是一個(gè)具有輸入端口和輸出端口的黑箱系統(tǒng)。將某種己知信號(hào)輸入該系統(tǒng),,然后從輸出端獲取輸出信號(hào)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(hào),,稱作激勵(lì)信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)可以是正弦,、方波等周期信號(hào),,也可以是白噪聲、粉紅噪聲等隨機(jī)信號(hào),,還可以是雙音,、多音、正弦突發(fā)等信號(hào),。zui常用的檢測分析方法有正弦信號(hào)檢測,、脈沖信號(hào)檢測、zui大長度序列信號(hào)檢測等,。

音頻測量一般包括信號(hào)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(shí)域分析,、頻域分析,、時(shí)頻分析等幾類。由于信號(hào)的諧波失真對(duì)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(shí)鐘作為基準(zhǔn)來測量信號(hào)的頻率,。測量頻率時(shí),,在一個(gè)限定的時(shí)間內(nèi)的輸入信號(hào)和基準(zhǔn)時(shí)鐘同時(shí)計(jì)數(shù),然后將兩者的計(jì)數(shù)值比較后乘以基準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率就得到信號(hào)頻率,。隨著微處理芯片的運(yùn)算速度的提高,,信號(hào)的頻率也可以利用快速傅立葉變換通過軟件計(jì)算得到。

 

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

 

  2-1

 

  在實(shí)際測量中,為方便起見,,通常用帶有噪聲的信號(hào)總電壓代替信號(hào)電壓計(jì)算信噪比,。

2、時(shí)域分析

  時(shí)域分析通常是將某種測試信號(hào)輸入待測音頻設(shè)備,,觀察設(shè)備輸出信號(hào)的時(shí)域波形來評(píng)定設(shè)備的相關(guān)性能,。zui常用的時(shí)域分析測試信號(hào)有正弦信號(hào),、方波信號(hào),、階躍信號(hào)及單音突變信號(hào)等。例如將正弦信號(hào)輸入設(shè)備,,觀察輸出信號(hào)時(shí)域波形失真就是一種時(shí)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(duì)方波信號(hào)的輸出信號(hào)波形能夠很好的檢測設(shè)備的各項(xiàng)性能,,因此方波信號(hào)成為zui常用的時(shí)域分析信號(hào)。

 

  階躍信號(hào)分析比較簡單,,主要用來檢測音頻設(shè)備對(duì)于信號(hào)突變的響應(yīng)靈敏度,。階躍信號(hào)分析的參數(shù)通常兩個(gè),就是階躍響應(yīng)信號(hào)的上升時(shí)間和脈沖寬度,。上升時(shí)間越小,,設(shè)備對(duì)于信號(hào)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(hào)在某個(gè)時(shí)刻峰值突然升高,,形成突變,,就是單音突變信號(hào)。由于單音突變信號(hào)的能量集中在一個(gè)很窄的頻率范圍,,因此常用單音突變信號(hào)檢測音頻設(shè)備在某個(gè)特定頻率的響應(yīng)情況,。單音突變信號(hào)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(hào)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(gè)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(huì)造成較嚴(yán)重的頻率失真,。

4,、時(shí)頻分析

  時(shí)頻特性描述了音頻設(shè)備在時(shí)間軸上隨著時(shí)間的變化其頻域特性的變化情況。時(shí)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(shí)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(duì)于放音設(shè)備而言,,主觀聽感的評(píng)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(shí)頻特性均有密切關(guān)系,。音頻設(shè)備的時(shí)頻特性是客觀評(píng)價(jià)音頻設(shè)備性能優(yōu)劣的一個(gè)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(hào)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(duì)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(hào)輸入待測設(shè)備,,然后分析設(shè)備響應(yīng)信號(hào)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(hào)中的基頻成分,,然后直接測量剩余信號(hào)的電壓,,將其與原響應(yīng)信號(hào)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(hào)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(shí)際值偏小,且實(shí)際的諧波失真越大,,誤差越大。

 

  在實(shí)際的音頻測量時(shí),,通常在一定的頻率范圍內(nèi)選取若干個(gè)頻率點(diǎn),,分別測量出各點(diǎn)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,。

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