音頻分析儀介紹

1、一、音頻分析儀一般說(shuō)來(lái)，一臺(tái)功能較為齊全的音頻分析儀器應(yīng)能測(cè)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(cè)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)我們能夠聽(tīng)見(jiàn)的音頻信號(hào)的頻率范圍大約是 20Hz-20kHz,其中語(yǔ)音大約分布 在300Hz-4kHz之內(nèi)，而音樂(lè)和其他自然聲響是全范圍分布的。 各種特定頻率范圍的音頻分析有各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，對(duì)于300 4kHz之間的語(yǔ)音信號(hào)的分析主要應(yīng)用于語(yǔ)音識(shí)別，其用途是確定語(yǔ)音內(nèi)容或判斷說(shuō)話者的身份；而對(duì)于2020kHz之間的全范圍的

2、語(yǔ)音信號(hào)分析則可以用來(lái)衡量各類音頻設(shè)備的性能。所謂音頻設(shè)備就是將實(shí)際的聲音拾取到將聲音播放出來(lái)的全部過(guò)程中需要用到的各類電 子設(shè)備，例如話筒、功率放大器、揚(yáng)聲器等，衡量音頻設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)有頻率響應(yīng) 特性、諧波失真、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍等二、音頻分析方法通常在對(duì)某音頻設(shè)備音頻測(cè)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)。最常

3、用的檢測(cè)分析方法有正弦信號(hào)檢測(cè)、脈沖信號(hào)檢測(cè)、最大 長(zhǎng)度序列信號(hào)檢測(cè)等 三、音頻參數(shù)測(cè)量及分析音頻測(cè)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(cè)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(cè)量和音頻分析?；緟?shù)測(cè)量音頻測(cè)量中需要測(cè)量的基本參數(shù)主要有電壓、頻率、信噪比。電壓測(cè)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(cè)量中最基本的參數(shù)之一。通常利用高頻精密時(shí)鐘作為基準(zhǔn)來(lái)測(cè)量信號(hào)的頻率。測(cè)量頻率時(shí)，在一個(gè)限定的

4、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(guò)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(cè)量中，為方便起見(jiàn)，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。時(shí)域分析時(shí)域分析通常是將某種測(cè)試信號(hào)輸入待測(cè)音頻設(shè)備，觀察設(shè)備輸出信號(hào)的時(shí)域波形來(lái)評(píng)定設(shè)備的相關(guān)性能。最常用的時(shí)域分析測(cè)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

5、良好的突變性及周期性，通過(guò)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(cè)設(shè)備的各項(xiàng)性能，因此方波信號(hào)成為最常用的時(shí)域分析信號(hào)。階躍信號(hào)分析比較簡(jiǎn)單，主要用來(lái)檢測(cè)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(cè)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。

6、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(cè)、脈沖檢測(cè)及最大長(zhǎng)度序列信號(hào)檢測(cè)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(lái)說(shuō)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。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(guò)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(guò)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

7、而言，主觀聽(tīng)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(chǎng)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。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(cè)量中最重要的是諧波失真， 諧波失真，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是聲音信號(hào)經(jīng)音頻設(shè)備重放后多出來(lái)的額外的 諧波成分。從聽(tīng)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(tīng)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(lè)器所發(fā)出的樂(lè)音（樂(lè)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(wú)失真

8、的重現(xiàn)出來(lái)， 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(tīng)起來(lái)煩躁、別扭，則諧波失真已經(jīng)達(dá)到無(wú)法忍受，甚至使人無(wú)法分辨發(fā)聲樂(lè)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(cè)量方法有兩種，一種是以正弦信號(hào)輸入待測(cè)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(jiǎn)單的測(cè)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(cè)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

9、測(cè)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(cè)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。四、音頻分析儀器這里所說(shuō)的音頻分析儀器是指既能夠測(cè)量話筒、音頻功放、揚(yáng)聲器等各類單一音頻設(shè)備各種電聲參數(shù)，也能測(cè)試組合音響、 調(diào)音臺(tái)等組合音頻設(shè)備的整體性能的分析類儀器。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了可用于測(cè)量音頻設(shè)備的各類分析儀器，例如失真度分析器、頻譜分析儀、頻率計(jì)數(shù)器、交流電壓表、直流電壓表、音頻示波器等。這些基于各種功能電路的機(jī)架式硬件儀器使用簡(jiǎn)便、測(cè)量精度較高，目前已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。音頻設(shè)備生產(chǎn)廠家可以利用音頻分析儀器檢查設(shè)備的性能，發(fā)現(xiàn)存在的缺陷，從而對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造進(jìn)行改進(jìn)，消費(fèi)者也可以利用音頻分析儀器對(duì)設(shè)備進(jìn)行評(píng)估，選擇合適的產(chǎn)品。以組合音響為例，在評(píng)價(jià)其性能時(shí)常常用到術(shù)語(yǔ)音色”，所謂音色就是指音響因高次諧波不同而引起的聲音差異。而音響的所謂平衡感”則是指音響在全頻段重放的量感聽(tīng)