音頻分析儀

1、音頻分析儀音頻分析儀一、音頻信號(hào)及音頻分析音頻是多媒體中的一種重要媒體。我們能夠聽見的音頻信號(hào)的頻率范圍大約是20Hz2OkHz，其中語音大約分布在300Hz4kHz之內(nèi)，而音樂和其他自然聲響是全范圍分布的。聲音經(jīng)過模擬設(shè)備記錄或再生，成為模擬音頻，再經(jīng)數(shù)字化成為數(shù)字音頻。這里所說的音頻分析就是以數(shù)字音頻信號(hào)為分析對(duì)象，以數(shù)字信號(hào)處理為分析手段，提取信號(hào)在時(shí)域、頻域內(nèi)一系列特性的過程。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

2、，對(duì)于300－4kHz之間的語音信號(hào)的分析主要應(yīng)用于語音識(shí)別，其用途是確定語音內(nèi)容或判斷說話者的身份；而對(duì)于20－20kHz之間的全范圍的語音信號(hào)分析則可以用來衡量各類音頻設(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的全部過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、音頻分析原理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

3、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)用到的最基本的技術(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

4、線及譜線間隔(ω=2πT)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AD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?、加窗與窗函數(shù)等一系列問題。2音頻

5、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、脈沖檢測及最大長度序列信號(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

6、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

7、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。音頻測量中最重要的是諧波失真，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

8、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

9、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THDN，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。如圖2是某功率放大器在100