音频分析原理

在实际测量中，为方便起见，通常用带有噪声的信号总电压代替信号电压计算信噪比。
2、时域分析
时域分析通常是将某种测试信号输入待测音频设备，观察设备输出信号的时域波形来评定设备的相关性能。最常用的时域分析测试信号有正弦信号、方波信号、阶跃信号及单音突变信号等。例如将正弦信号输入设备，观察输出信号时域波形失真就是一种时域分析方法。
方波分析具有良好的突变性及周期性，通过观察设备对方波信号的输出信号波形能够很好的检测设备的各项性能，因此方波信号成为最常用的时域分析信号。图1是音频设备对方波的响应信号在半个周期(上升沿)内的具体描述。描述方波响应有上升时间、峰值振荡、过冲量及倾斜度等几个最主要参数。

阶跃信号分析比较简单，主要用来检测音频设备对于信号突变的响应灵敏度。阶跃信号分析的参数通常两个，就是阶跃响应信号的上升时间和脉冲宽度。上升时间越小，设备对于信号突变的响应越灵敏，瞬态特性越好;脉宽越小，设备的阻尼特性越好，系统越稳定。
正弦信号在某个时刻峰值突然升高，形成突变，就是单音突变信号。由于单音突变信号的能量集中在一个很窄的频率范围，因此常用单音突变信号检测音频设备在某个特定频率的响应情况。单音突变信号的主要用途是快速判定某些音频设备，例如扬声器的阻尼特性等。

3、频域分析
频域分析是音频分析的重要内容，频域分析的主要依据是频率响应特性曲线图。前面提到的正弦检测、脉冲检测及最大长度序列信号检测都能够得到设备的频率响应。频率响应曲线图反映了音频设备在整个音频范围内的频率响应的分布情况。一般来说曲线峰值处的频率成分，回放声压大、声压强；曲线谷底处频率成分声压小、声音弱。若波峰和波谷起伏太大，则会造成较严重的频率失真。
4、时频分析
时频特性描述了音频设备在时间轴上随着时间的变化其频域特性的变化情况。时频特性不仅在频率的变化过程中描述了音频设备的响应状态，而且还在时间的变化过程中描述了音频设备的响应状态，也就是从三维的角度全面地描述了音频设备的响应特性。对于放音设备而言，主观听感的评述，如低音是否干净，背景是否清晰，层次是否分明，音场的深浅等均与音频设备的时频特性均有密切关系。音频设备的时频特性是客观评价音频设备性能优劣的一个很重要的方面。
5、失真分析
音频设备的失真包括谐波失真、互调失真、相位失真及瞬态失真等几类。音频测量中最重要的是谐波失真，谐波失真，简单地说就是声音信号经音频设备重放后多出来的额外的谐波成分。从听众的角度看，不同的发声物体所发出的声音是由不同的基波和谐波构成的，听众可以根据声音的特性分辨出发声的物体。如果功率放大器将某种乐器所发出的乐音(乐音由基波和谐波组成)放大，经扬声器放音后，对基波和各次谐波的波形形状、幅值和相位均能无失真的重现出来，则可以认为是高质量的放音；否则，扬声器所放出的声音听起来烦躁、别扭，则谐波失真己经达到无法忍受，甚至使人无法分辨发声乐器的种类。因此，谐波失真是音频设备的重要性能指标。
谐波失真的测量方法有两种，一种是以正弦信号输入待测设备，然后分析设备响应信号的频率成分，可以得到谐波失真。另一种更简单的测量方法是首先利用带阻滤波器滤除响应信号中的基频成分，然后直接测量剩余信号的电压，将其与原响应信号作比较，就可以得到谐波失真。显然第二种方法得到的谐波失真是THD+N，由于采用了信号的总电压值代替了基频分量电压值，因此得到的谐波失真比实际值偏小，且实际的谐波失真越大，误差越大。
在实际的音频测量时，通常在一定的频率范围内选取若干个频率点，分别测量出各点的谐波失真，然后将各谐波失真数值以频率为横坐标连成一条曲线，称为谐波失真曲线。如图2是某功率放大器在100－1OKHz范围内的总谐波失真和2阶、3阶及4阶谐波失真的曲线图。

四、音频分析仪器
这里所说的音频分析仪器是指既能够测量话筒、音频功放、扬声器等各类单一音频设备的各种电声参数，也能测试组合音响、调音台等组合音频设备的整体性能的分析类仪器。目前市场上已经出现了可用于测量音频设备的各类分析仪器，例如失真度分析器、频谱分析仪、频率计数器、交流电压表、直流电压表、音频示波器等。这些基于各种功能电路的机架式硬件仪器使用简便、测量精度较高，目前己经获得了广泛的应用。音频设备生产厂家可以利用音频分析仪器检查设备的性能，发现存在的缺陷，从而对设备的设计制造进行改进，消费者也可以利用音频分析仪器对设备进行评估，选择合适的产品。
以组合音响为例，在评价其性能时常常用到术语“音色”，所谓音色就是指音响因高次谐波不同而引起的声音差异。而音响的所谓“平衡感”则是指音响在全频段重放的量感听起来自然的程度。音频分析仪器的作用就是将评价设备各种行业术语以各种量化的特征参数形式表示出来，“音色”所对应的特征参数就是谐波失真的测量，而“平衡感”则涉及到设备在整个音频范围内的频率响应的分布情况。
一般说来，一台功能较为齐全的音频分析仪器应能测量信号交直流电压、信号频率、谐波失真、信噪比等参数。功能强大的音频分析仪器提供频谱分析、1/3倍频程分析、倍频程分析、声压级测量等功能。如果要组建音频分析系统，还需要一台标准音频信号发生器作为激励信号源。

五、音频分析仪器的现状
早期专业的音频分析仪种类很少，在做音频测量时一般是利用万用电表、频率计、示波器及频谱仪等组合成一套音频测试系统。这种测试系统中间环节多，各环节之间接口匹配较为困难，使用起来比较麻烦，测量结果往往也不精确。
近年来出现的音频分析仪器也与仪器的主流发展趋势一致，朝着高度集成化、智能化的方向发展，这些仪器集成了复杂音频信号发生装置、功率放大装置等，具备了一些初步的图形化分析功能，使用户很容易组建音频测量系统。RS公司的“精灵系列”音频分析仪UP300&UP350就是这类仪器的典型代表，如图3所示。该仪器集成了交直流电压测量、频率测量、信噪比测量，也可以测量频率响应、电平线性度或者谐波失真，可测量双向信道串扰，可产生双音信号，用于调制失真分析和差频失真测量，且测量范围宽，精度较高。该仪器除具备一般的音频参数测量外，UP350还可分析数字音频信号，采样率高达192kHz，可用于数字音频设备测量和模拟/数字混合接口的相关应用。