音頻分析儀原理

       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(tái)等組合音頻設(shè)備的整體性能的分析類儀器。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。

     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、音頻分析儀器基本參數(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：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).

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(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

    音頻分析儀器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)備重放后多出來額外的諧波成分。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。

 音頻分析儀器的原理主要涉及數(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)。

    信噪比是音箱回放的正常聲音信號(hào)與無信號(hào)時(shí)噪聲信號(hào)(功率)的比值。用dB表示。例如，某音箱的信噪比為80dB，即輸出信號(hào)功率比噪音功率大80dB。信噪比數(shù)值越高，噪音越小。