軟件頻譜分析儀SpectraLAB實(shí)戰(zhàn)指引

1、軟件頻譜分析儀SpectraLAB實(shí)戰(zhàn)指南作者：.簡(jiǎn)介音頻工作者對(duì)頻譜分析儀一定不陌生，這是一種用來對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻率及頻譜分析的重要 測(cè)量?jī)x器，廣泛應(yīng)用于電聲測(cè)量、音頻制作 4、信號(hào)分析乃至振動(dòng)測(cè)試等領(lǐng)域。隨著數(shù)字技術(shù)的 飛速發(fā)展，這種復(fù)雜儀器已經(jīng)可以在一臺(tái)普通的多媒體計(jì)算機(jī)上用軟件來實(shí)現(xiàn)，這就是本文所要 介紹的軟件頻譜分析儀SpectraLAB o首先讓我們來看看SpectraLAB的主界面（如圖一所示）。Mg fl 廠 P 能 MoldLMChMMlF i：T ip：l8O t|uu U 3Jyooo OQUJ5Tr,lDlxl, , ,- H 8rrrr.LMI Channel駛QO2

2、D業(yè)Rttii Thtii*441 DO Hz；, 16ML StMO1FFT. 1024 1*t Bltctonitn圖一：SpectraLAB的主界面SpectraLAB的基本工作原理是對(duì)所測(cè)量的音頻信號(hào)進(jìn)行FFT變換（Fast FourierTransform ,即快速傅立葉變換），把時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號(hào)，此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行各種分析。當(dāng) 然，模擬音頻信號(hào)先要從聲卡的 MIC端口或LINE IN端口輸入，在聲卡內(nèi)完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，變成數(shù) 字音頻信號(hào)以后，才能被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理。SpectraLAB的用途非常廣泛，它可以對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的分析，實(shí)時(shí)顯示出音頻信號(hào)的時(shí)域圖, 頻譜圖，相位圖，彩色聲

3、譜圖，以及3D頻譜圖，并可以實(shí)時(shí)計(jì)算出峰值振幅、峰值頻率、諧波失 真、互調(diào)失真、信噪比等聲頻參數(shù)。SpectraLAB軟件還有音頻信號(hào)發(fā)生器的功能，可以產(chǎn)生白噪 聲、粉紅噪聲、掃頻信號(hào)、三角波、方波、鋸齒波等聲學(xué)測(cè)量中常用的信號(hào)。有人可能會(huì)覺得，用軟件來作為測(cè)量?jī)x器，能行嗎？反應(yīng)速度跟得上嗎？性能怎么樣？其實(shí) 所有這樣的擔(dān)心都是多余的，SpectraLAB的性能相當(dāng)不錯(cuò)，實(shí)時(shí)響應(yīng)速度非?？?，功能很強(qiáng)大。 與硬件設(shè)備相比，它還具有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)：操作、顯示界面友好，幫助文件很詳盡，可以把測(cè)量結(jié) 果保存下來，還能顯示三維頻譜圖。.對(duì)系統(tǒng)的要求：SpectraLAB對(duì)系統(tǒng)的要求不高，最低要求是: 硬件：

4、IBM PC或兼容機(jī)80386 DX CPU或更高（推薦至少用486DX最少8 MB內(nèi)存256色以上VG端顯最少4M則盤空間16位聲卡軟件：Windows95/98 或 Windows 3.1 + Win32s ,或 WindowsNT.快速熟悉SpectraLAB工作模式的選擇使用SpectraLAB之前要先選擇它的工作模式，在頂部菜單Mode一欄中選擇，如圖二所示。共有三種工作模式，用途分別是：實(shí)時(shí)模式：（菜單Mode/Real Time）在輸入信號(hào)的同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，信號(hào)既可以是來自聲卡外 部的模擬音頻信號(hào)，也可以是計(jì)算機(jī)內(nèi)部正在播放的音頻流。錄音模式：（菜單Mode/Recorder）

5、,這時(shí)候的頻譜儀相當(dāng)于一臺(tái)錄音機(jī)，可以邊錄音邊實(shí)時(shí)測(cè)量，并把錄制的首頻信號(hào)保存下來。后處理模式：（菜單Mode/Post Process ）用于對(duì)已有的音頻波形文件進(jìn)行分析。選擇顯示界面在軟件上端的View菜單中可以選擇顯示界面。共有五種顯示界面，分別是：Time Series :時(shí)間序列，顯示音頻信號(hào)的時(shí)域波形曲線，即振幅 時(shí)間曲線，相當(dāng)于 示波器的顯示屏。圖三所示為白噪聲信號(hào)的時(shí)域波形。Tine Series圖三：白噪聲信號(hào)的波形Spectrum：頻譜，顯示音頻信號(hào)的頻譜曲線，即振幅 頻率曲線，圖四所示為1kHz音 頻信號(hào)的頻譜曲線，從圖中可以清楚地觀察到1kHz基音及其高次諧波的相對(duì)振幅

6、。SpactrvjfiPlotTop: -10.00 2)PlatRangecfsOQ業(yè)-10 0-20 0-30.0-100-50.0E -60 0 -10.0 -20 0-30 0-10.0-50.0-60 0Left C1 nnelRight Channel000Corr r r200600 1 Ok 2 Ok 4 Ok E Qk 10 Ok Frequency (Hi)300100Options . Idnrrr青11/2JA1Options圖四1kHz音頻信號(hào)的頻譜曲線Phase：相位，顯示音頻信號(hào)的相位相位，即相位 頻率曲線，可用于比較兩個(gè)通道信 號(hào)的相位差。如圖五所示。圖五雙通道

7、信號(hào)的相位比較Spectrogram ：彩色聲譜圖，即頻率時(shí)間曲線，顯示音頻信號(hào)隨時(shí)間變化的頻譜構(gòu)成, 并以不同的顏色來表示振幅。圖六所示為 1kHz鋸齒波信號(hào)的彩色聲譜圖。rOQ-10 0M&iru 號(hào) balrLeft ChannelRight Channel-20 0-30 0 .10 Q圖六1kHz鋸齒波信號(hào)的彩色聲譜圖3D Surface :三維表面，顯示音頻信號(hào)的三維頻譜曲面圖，即頻率 時(shí)間振幅 曲面，相當(dāng)于在二維頻譜曲線上再加上一條時(shí)間軸。圖七所示為1kHz鋸齒波信號(hào)的三維頻譜圖。圖七1kHz鋸齒波信號(hào)的三維頻譜圖選擇待測(cè)參數(shù)SpectraLAB可以根據(jù)測(cè)試的音頻信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算出信

8、號(hào)或電聲器件的各種指標(biāo)。在頂端的Utilities菜單內(nèi)選擇參數(shù)（如圖八所示），就會(huì)彈出相應(yīng)的小窗口，顯示出相應(yīng)的指標(biāo)來Utili ties Config Li Tfindow KelpSi gnal Generator. B BFilUizi/v UI工工Peak FrequeneyPeak Ampli tude Total PowerTotal Harmonic Distortion (THD)Total Hermonic Dist0rticn + Noise CTHD+N)Inter ns o dul ation Distort! on (IMD ) SialL to Noise Rat

9、io (SWR)Del名 FinderData Lcgging1圖八：選擇待測(cè)的指標(biāo)各參數(shù)含義如下：Peak Frequency :峰值頻率，即整個(gè)信號(hào)頻譜中最強(qiáng)成分的頻率。 Peak Freq.990.53 Hz990.53 Hz圖九：峰值頻率Peak Amplitude :峰值振幅，即整個(gè)信號(hào)頻譜中最強(qiáng)成分的振幅。了 吧 ak Ampl. . . &-11.61 dBVrms-10.57 dBV ms圖十：峰值振幅Total Power ：總功率,即整個(gè)信號(hào)的總均方根功率。Total Pwr-11.21 dBVrms-IO.16dBVms圖十一：總均方根功率Total Harmonic D

10、istortion (THD) :被測(cè)電聲設(shè)備的總諧波失真。TKD24,35773 % 2164143%圖十二：總諧波失真Total Harmonic Distortion + Noise (THD+N) :被測(cè)電聲設(shè)備的總諧波失真+噪聲，這個(gè) 值總是要大于THD25.5089 %257938 %圖十三：總諧波失真+噪聲5.Intermodulation Distortion (IMD):被測(cè)電聲設(shè)備的互調(diào)失真。IMD102.9877 %103.0788 %6.Signal to Noise Ratio (SNR)圖十四：互調(diào)失真：被測(cè)電聲設(shè)備的信噪比。site12.675 dB12705 d

11、B圖十五：信噪比7. Delay Finder :用于計(jì)算左右兩通道之間的延時(shí)。當(dāng)該項(xiàng)被選中時(shí)，會(huì)彈出如圖十六所示 的窗口，顯示兩個(gè)通道間的延時(shí)量。-137.574 msecOption.1-口Qlyto Pmeg-sing 口的|Il00 000 mse圖十六：兩通道間的延時(shí)顯然，由于所有被測(cè)信號(hào)都要先通過聲卡，所以聲卡的檔次也就決定了您這臺(tái)“頻譜分析儀”的精度和級(jí)別。當(dāng)然，聲卡本身的電聲指標(biāo)也可以用這臺(tái)頻譜分析儀測(cè)出來。3.4信號(hào)發(fā)生器SpectraLAB本身包含有信號(hào)發(fā)生器的功能，用來產(chǎn)生各種測(cè)試信號(hào)。按下 F11鍵，彈出信號(hào)發(fā)生器窗口如圖十七所示：G&nerator圖十七：信號(hào)發(fā)生器在

12、下拉列表框中可以選擇各種測(cè)試信號(hào)，點(diǎn)擊Run鍵就會(huì)發(fā)出信號(hào)聲。點(diǎn)擊 Details鍵可以設(shè)置測(cè)試信號(hào)的各種細(xì)節(jié)，點(diǎn)擊Level鍵設(shè)置信號(hào)的幅度。4軟件設(shè)置在軟件頂端的Options菜單下可以找到軟件的各種設(shè)置選項(xiàng)，如顯示界面、刻度等，可以根據(jù)需要設(shè)置。Options菜單分兩部分，上半部分用來設(shè)置軟件頻譜儀的整體參數(shù)，下半部分用來設(shè)置各顯示窗口的顯示參數(shù)。您并沒有必要去了解所有的設(shè)置項(xiàng)的含義，但下面介紹的一些選項(xiàng)很重要，最好對(duì)它們的意義有所了解。請(qǐng)按下F4鍵，或者選擇菜單命令 OptionsSettings ,會(huì)彈出如圖十八所示的設(shè)置窗口：圖十八：設(shè)置窗口左上方的“Frequency Range

13、 and Resolution ” 一欄用來設(shè)置信號(hào)的采樣頻率和 FFT點(diǎn)數(shù)，這兩 項(xiàng)參數(shù)決定了頻譜分析的分辨率：分辨率=采樣頻率/FFT點(diǎn)數(shù)。例如，采樣頻率為44100Hz, FFT點(diǎn)數(shù)為1024,則頻譜分辨率為43Hz左右。在采樣頻率一定的情況下，如果要提高分辨率，就要 加大FFT點(diǎn)數(shù)。但要注意，如果FFT點(diǎn)數(shù)過大的話，頻譜儀的實(shí)時(shí)性會(huì)變差。FFT點(diǎn)數(shù)的缺省值為1024點(diǎn)。采樣頻率可根據(jù)聲卡來設(shè)置。如果您不知道聲卡采樣頻率的范圍，在 Sampling Rate 一欄里填入 -1 ,然后按OK鍵，則會(huì)彈出下面的消息窗口，上面顯示出您的聲卡的采樣頻率范圍（圖十九）：圖十九：聲卡的采樣頻率范圍在

14、 1102544100Hz如果需要降低信號(hào)的采樣頻率，可以通過設(shè)置Decimation Ratio 一欄來實(shí)現(xiàn)。例如，您的聲卡支持的最低采樣頻率是11025Hz,把Decimation Ratio 設(shè)置為10,則采樣頻率將降為1102.5Hz。降低采樣頻率有什么用呢？在某些測(cè)試中，例如對(duì)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)測(cè)試，由于被測(cè)信號(hào)的頻率很 低，用不了太高的采樣頻率（根據(jù)采樣定理，采樣頻率只需大于被測(cè)信號(hào)最高頻率的兩倍即可） 這時(shí)就可以降低采樣頻率，這樣在 FFT點(diǎn)數(shù)相同的情況下可以提高頻譜分析的分辨率。在設(shè)置窗口右上方的Sampling Format一欄，可以設(shè)置采樣精度以及單/雙通道。在某些項(xiàng)目的測(cè) 試

15、中，例如雙通路的相位比較、計(jì)算延遲等測(cè)試中，必須設(shè)置為雙通道，這是要注意的。5.應(yīng)用實(shí)例下面介紹一個(gè)用軟件頻譜儀SpectraLAB實(shí)時(shí)測(cè)量音頻設(shè)備傳輸函數(shù)的實(shí)例。音頻設(shè)備的傳輸函數(shù)可以反映出設(shè)備總的頻率和相位響應(yīng)。設(shè)備連接圖如圖二十所示：聲卡*左通道/右通道w傳輸函數(shù)一（左晤）-圖二十：音頻設(shè)備的傳輸函數(shù)測(cè)試圖中，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)分為兩路，一路直接送到聲卡的右通道線路輸入，一路經(jīng)過待測(cè)設(shè)備以后再送入聲卡的左通道線路輸入。在頻譜分析儀的Spectrum和Phase兩個(gè)窗口可以觀察到待 測(cè)設(shè)備的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)。具體的測(cè)試步驟為：.設(shè)置軟件頻譜儀為實(shí)時(shí)模式（Real-Time ）.按下F1

16、1鍵，打開信號(hào)發(fā)生器，選擇掃頻正弦信號(hào)（Freq Sweep ,并按下Detail鍵，設(shè) 置起始頻率為20Hz,終止頻率為20kHz,其他參數(shù)如圖二H一所示。圖二十一：設(shè)置掃頻信號(hào).把掃頻信號(hào)接到待測(cè)設(shè)備的輸入端。.把待測(cè)設(shè)備的輸出端接到頻譜分析儀的左通道輸入（即聲卡的線路輸入）.把信號(hào)發(fā)生器的掃頻正弦信號(hào)直接接到頻譜分析儀的右通道輸入。.按下F4鍵，如圖二H一設(shè)置軟件參數(shù)，然后按 OKS。圖二十一：軟件參數(shù)設(shè)置.在View菜單下打開Spectrum和Phase兩個(gè)窗口。.點(diǎn)擊主界面上的Run山，您將聽到從低頻到高頻的掃頻信號(hào)， 并可以在Spectrum Ph Phase 窗口中觀察到頻率和相

17、位響應(yīng)曲線。用鼠標(biāo)在圖中任意位置點(diǎn)擊，并上下左右移動(dòng)，即可 得到曲線上任意點(diǎn)的精確數(shù)值。如圖二十二所示。El Lib Dxl t 骯依 lit! OptQUE 11T1111L IE：LlJOftnSS li JidQP Salp*： 1 73 r 修O.IEjJj JonJ3J2LO.加Cormgler Tr4nthi Fundlon (Lt啟窗igmU工削 1 和。7CD 1 im LQk 3 Dk 5 Uh 7 QK IQQk 2QQk Hu 由叫f(Hsjo o d- o o o o _n O5fl5ofij nV JB 4 - 4 3 1T 1- XI T ， 4_lf H3H:ud

18、恒Mtlrui國(guó)畫_| 三國(guó)|ra|國(guó)刑盤加苴風(fēng)加圖FtotWnt畫 0 Jj0 0I noW n力 i 14g. TOj 00餐JOO玩-10. ti9.Dkrok IQjDk 20.0kMO M) SOO 700 IjM 10k F wiu*fti:y (Htzj5可：馴FFT ?rU-R PR由 l2E*n圖二十二：設(shè)備傳輸函數(shù)顯示（上圖為相位響應(yīng)，下圖為頻率響應(yīng)）.您也可以在任意窗口上單擊鼠標(biāo)右鍵，在浮動(dòng)菜單上選擇View Data Values ,會(huì)彈出一個(gè)窗口，顯示出響應(yīng)曲線的數(shù)值表。如圖二十三所示。HZdegrees43.06S40.7345r64.599616 92678S.1328266966107