音頻分析原理

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。最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，因此方波信號成為最常用的時域分析信號。圖1是音頻設(shè)備對方波的響應(yīng)信號在半個周期(上升沿)內(nèi)的具體描述。描述方波響應(yīng)有上升時間、峰值振蕩、過沖量及傾斜度等幾個最主要參數(shù)。

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、脈沖檢測及最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。音頻測量中最重要的是諧波失真，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，則諧波失真己經(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(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。如圖2是某功率放大器在100－1OKHz范圍內(nèi)的總諧波失真和2階、3階及4階諧波失真的曲線圖。

四、音頻分析儀器
這里所說的音頻分析儀器是指既能夠測量話筒、音頻功放、揚(yáng)聲器等各類單一音頻設(shè)備的各種電聲參數(shù)，也能測試組合音響、調(diào)音臺等組合音頻設(shè)備的整體性能的分析類儀器。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了可用于測量音頻設(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便、測量精度較高，目前己經(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，從而對設(shè)備的設(shè)計制造進(jìn)行改進(jìn)，消費(fèi)者也可以利用音頻分析儀器對設(shè)備進(jìn)行評估，選擇合適的產(chǎn)品。
以組合音響為例，在評價其性能時常常用到術(shù)語“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起來自然的程度。音頻分析儀器的作用就是將評價設(shè)備各種行業(yè)術(shù)語以各種量化的特征參數(shù)形式表示出來，“音色”所對應(yīng)的特征參數(shù)就是諧波失真的測量，而“平衡感”則涉及到設(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。

五、音頻分析儀器的現(xiàn)狀
早期專業(yè)的音頻分析儀種類很少，在做音頻測量時一般是利用萬用電表、頻率計、示波器及頻譜儀等組合成一套音頻測試系統(tǒng)。這種測試系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)多，各環(huán)節(jié)之間接口匹配較為困難，使用起來比較麻煩，測量結(jié)果往往也不精確。
近年來出現(xiàn)的音頻分析儀器也與儀器的主流發(fā)展趨勢一致，朝著高度集成化、智能化的方向發(fā)展，這些儀器集成了復(fù)雜音頻信號發(fā)生裝置、功率放大裝置等，具備了一些初步的圖形化分析功能，使用戶很容易組建音頻測量系統(tǒng)。RS公司的“精靈系列”音頻分析儀UP300&UP350就是這類儀器的典型代表，如圖3所示。該儀器集成了交直流電壓測量、頻率測量、信噪比測量，也可以測量頻率響應(yīng)、電平線性度或者諧波失真，可測量雙向信道串?dāng)_，可產(chǎn)生雙音信號，用于調(diào)制失真分析和差頻失真測量，且測量范圍寬，精度較高。該儀器除具備一般的音頻參數(shù)測量外，UP350還可分析數(shù)字音頻信號，采樣率高達(dá)192kHz，可用于數(shù)字音頻設(shè)備測量和模擬/數(shù)字混合接口的相關(guān)應(yīng)用。