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声学检测、音频分析与DSSF3操作详解·1

本文篇幅较长,完成于2010年5月。以笔者汉化制作的简体中文DSSF3 5.1版本为讲解蓝本(同样适合5.0.X版本。英文或日文版用户请对比参照),内容侧重于声学测量与音频分析这两大方面。杂志发表,篇幅所限,部分内容做了较大精简。很多方面或补一漏万,或意犹未尽,错谬和遗憾在所难免。真诚希望各位方家不吝赐教、批评指正。

第1章 DSSF3总览

1.1 三大模块

DSSF3由三大模块组成:实时检测(RA),噪声测量(EA)、声学分析(SA)。这三大模块亦可称为三大系统,分别对应三个程序文件,各自独立又互有关联。安装完成后,点击程序组中的对应项目或直接双击安装目录下对应的exe程序文件即可运行。

•实时检测系统(RA,见图1所示)包括信号发生器、FFT实时分析器、示波器、幅频响应、THD分析器、脉冲响应、自相关和互相关实时检测、录音机等多个模块,可以对各种类型的声音、振动波、音频设备、电子信号和房间声学特性进行科学测量和实时分析。测量数据可保存为文本或WAV格式的数字音频文件,供用户编写检测报告或在声学分析系统(SA)中进行更全面的统计分析。

图1:实时检测系统(RA)主界面

•噪声测量系统(EA,见图2所示)可对环境噪声进行测量分析(噪音污染监测),采用了比较前卫的声纹识别技术,能将数据类型自动分类。笔者在实际应用中摸索出,EA系统不仅可替代传统的环境噪声监测设备,甚至还可作为调查取证、声纹鉴别、安防监控等方面的辅助系统来使用,具有很高的实用价值。与实时检测系统一致,EA的测量结果同样可在SA中进行更深入的分析。

图2:噪声测量系统(EA)主界面

•声学分析系统(SA)是DSSF3中功能最为强大的模块,主要用于二次计算和统计分析实时检测系统(RA)和噪声测量系统(EA)中保存的三种类型的测量记录(脉冲响应、ACF自相关、IACF/CCF互相关数据、噪声记录),其使用较高的瞬态分辨率计算各声学指标的有效范围,结合听觉生理学和听觉心理学等方面的因素,根据不同的算法设置,基于时域、频域和空间这三大方面,可分析得出:符合安藤参数(声场特性)和ISO 3382标准的各项声学指标,并进行评价。包括每个倍频程范围内和各时间点的声压级、早反射、混响时间(Tsub、T20、T30、T60、早期衰减等等)、混响衰减曲线、吸声量、自相关、互相关与耳间函数、清晰度指标(包括STI男性和女性语音传输指数、RASTI快速语音传输指数、MTF调制传递特性)、各频点的声压级、声功率、幅频响应与相频响应指标等等。这些是综合衡量与全面评价声音音质与声场特性最严谨的指标与科学依据。

图3是SA根据脉冲响应信号分析某录音棚控制间混响特性的观察图示:

图3:分析某个脉冲响应的混响特性

要得到更加全面和准确的分析结果,依赖于SA中的二次计算(需合理设置计算条件),这是使用SA的重点与核心。分析出的图示和数据,除了可进行直观察看之外,还可以输出为单幅或多幅合一的PNG高清晰图像文件和文本格式的CSV表格文件。

1.2 运行机制

测量方面,DSSF3可分为基础测量和精确测量两大部分。噪声测量系统(EA)和实时检测系统(RA)中的示波器、幅频响应、THD分析器、录音机等模块可划为基础测量。实时检测系统的FFT分析器、脉冲响应、ACF函数这三个模块则可列为精确测量。

RA和EA这两大系统除了测量,还具有比较强大的统计分析、实时图示和数据管理等功能,而更加全面灵活的分析和图示则交由声学分析系统(SA)来担纲。

RA系统的信号发生器并无测量和分析的功能,仅作为示波器、ACF函数和FFT分析器等模块的信号来源与测量辅助性工具来使用。幅频响应、THD分析器、脉冲响应这几个模块,本身即可发出信号,无需并且一定不要再开启信号发生器为其提供信号来源。

以上描述正是DSSF3这套软件的运行机制,揭示了该软件各功能、模块的主要分工与互相关系。更直观的理解,请看图4:

图4:DSSF3系统运行机制图

1.3 设备连接

DSSF3和其它音频软件一致,基于计算机和A/D、D/A转换,因此,进出信号受声卡本身和音频驱动的控制和影响。软件的很多模块,本身也提供了对信号进出电平的控制。这类控制,直接联动Windows混音器的音量推子。注意:如果用户使用了专业声卡,并且该声卡的软件控制台覆盖替换了Windows混音器,则DSSF3中对信号电平的输出控制和总输入控制等功能将失效。DSSF3的信号进出流程见图5所示。

图5:信号流程和电平控制图示

信号进出与系统连接有以下四种常规模式(以物理端口为2进2出的声卡为例):

图6:系统连接模式1:话筒箱拾

图6为连接模式1(话筒箱拾)。信号由声卡输出端口发送给扬声器(音箱),话筒拾取扬声器发出的声音,而后将拾取到的信号发回计算机声卡的输入端口和DSSF3软件,以供检测分析或保存数据。同时,声卡的另一路进出做直接环路处理,这一路的信号便于和话筒拾取到的检测信号做对比参照。这种模式适合于室内声学各项指标的对比式测量和扬声器频响、分频、声压级等方面的性能测量,也是DSSF3系统最常用的连接模式。如果要进行两路信号的CCF互相关或者IACF耳间互相关分析,则需要两只相同的话筒做信号采集,这两只话筒采用AB或仿真人头式的立体声录音制式(心型或超心型话筒,也可采取X/Y录音制式。但需注意两只话筒的指向与角度,避免“中空”效应)。

系统连接模式2(话筒静录)见图7所示。话筒拾取外部的环境噪声(背景底噪)或各种类型的声音,拾取到的信号传送给声卡的输入端口,而后使用DSSF3系统进行测量分析。这种连接模式是DSSF3噪声测量分析系统(EA)所需的标准连接(此连接模式同样可使用双话筒立体声录音)。

图7:系统连接模式2:话筒静录

图8为连接模式3(设备路由),适合于测量调音台、话放、耳放、DI盒、其它电子设备、信号自激等外部硬件的性能与信号分析,等于在外部设备和计算机声卡与DSSF3软件这三者之间形成一个信号环路,声卡的输出端口将信号发送给外部的硬件设备,外部设备再将信号发回声卡的输入端口(自激类别的信号,比如声卡端口允许范围之内的电压信号、电波信号等等,这种情况下无需连接声卡的输出端)。

图8:系统连接模式3:设备路由

图9为第4种连接模式,信号在声卡进出端口之间进行直接环路,常用于非专业用户检测声卡本身。注意,和连接模式3一致,这两种连接务必要防止信号产生环路回馈。

图9:系统连接模式4:直接环路

在进行声学测量分析时,话筒和声卡本身的性能对结果的影响非常大。尽管DSSF3系统提供了幅频响应、声压级、灵敏度、信号电平、反向滤波等方面的增益补偿和校准归零等功能,但笔者还是建议使用高品质的全指向性声学话筒、频响宽泛、平直且信号失真率低的优质话放和专业级音频卡(外置音频接口)。信号建议全部采用平衡式线路进出的连接方式,线材和接插件也要采用优质高性能产品。这一点贯穿声学测量与音频分析的全过程。另外,所需的硬件设备中,还包括独立的分贝仪(噪声仪,主要用于A计权或C计权下的声压级校准)。

测量时需注意信号电平,太小或太大都会影响测量结果。过小,动态范围和信噪比不够,无法进行测量分析。而太大,则容易使信号失真和过载,严重时可能会烧毁外部设备。在连接模式3测量外部硬件的时候,还需注意信号阻抗的匹配问题。匹配不当也极有可能导致设备损毁或系统无法正常运作。具体情况可查阅设备说明书或咨询经销商。

正确连接之后,需对信号进出声卡所使用的端口及音频驱动进行指定。对使用普通多媒体声卡的用户来说,这项操作很简单,不提也罢。使用具有多进多出端口且支持MME、WDM、ASIO等多种音频驱动的专业声卡,这种情况下,则必须进行指定。见图10所示。

图10:实时检测系统—主窗口—设置信号进出所使用的声卡端口

软件安装之后,默认使用Windows控制面板中“声音和音频设备”中的有关设置,包括声卡录音端口、播放端口和音频驱动等常规性设置。任何情况下,笔者都不建议用户使用声卡的MIC输入端口,除非是自带话放和幻象供电的高品质专业音频接口。如果用户的声卡线路输入和线路输出只有2进2出,那么在实时检测系统(RA)主界面左上区域的“声卡端口”中直接进行确认即可。如果使用具有多进多出物理端口的专业音频卡(音频接口),则要根据实际情况进行指定。

DSSF3从5.1版本起开始支持ASIO音频驱动, 但令人遗憾的是,为了兼顾使用普通多媒体声卡的用户,DSSF3的声卡端口设置并不“专业”,主要体现在两个方面:一是无法对进出端口做分离式的单独设置,只能两两配对式的选择。二是虽然支持ASIO音频驱动,但只是笼统的支持,并不能任意指定使用ASIO驱动的具体端口。也就是,进出端口依然采用Windows操作系统所默认的,但该端口却使用ASIO音频驱动。当然,对只有2进2出的专业音频卡用户来说,DSSF3能支持ASIO还是令人欣慰的。

普通用户进行各种环境下的声学测量时,推荐使用的硬件搭配为(以便携和品质优良为第一要务):笔记本电脑,全指向性声学测量话筒或仿真人头式立体声录音话筒,自带话放和+48V幻象供电的高品质USB或火线接口的外置式专业音频卡,一只频响宽泛、曲线平直的有源监听音箱,分贝仪,信号线(音频线、话筒线),隔音耳罩。等等。