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声学检测、音频分析与DSSF3操作详解·3

第2章 实时检测(上)

2.1 主 界 面

图1为DSSF3实时检测(RA)模块的主界面。


图1:实时检测主界面

•声卡端口:采用下拉列表选择的方式,设置测量信号进出声卡时所使用的输入端口与输出端口。此处还可以选择声卡所采用的音频驱动。默认为Windows声音与音频设备中的设置,如果声卡支持ASIO,可以在此选用(DSSF3 5.1以上版本支持ASIO音频驱动,低版本不支持)。

•输入设备:选择输入的信号类型。推荐使用声卡的线路输入。下面的音量推子可以对输入信号的电平进行增益,该操作关联Windows混音器中的音量推子(使用专业音频卡,此处音量控制功能失效,对信号的电平控制推荐在该音频卡的软件控制台中进行)。

•监视峰值电平:实时显示信号进出的电平。

•下面一排按钮,点击后打开实时检测系统各模块的操作主界面,比如信号发生器、FFT分析器、脉冲响应测量等等。点击【退出】按钮则关闭本软件。点击【预置】按钮后,弹出“预置”对话框,如图2所示。这个对话框的功能非常强大,它用来保存用户当前的使用状态,包括模板的使用、进出端口和信号电平的设置、所打开的模块及其位置等等。在多个用户同时使用本软件,或者同一用户使用不同的硬件组合、测量不同的信号时,使用预置功能非常有用,将节约软件操作和进行各种设置的时间,避免出错,以腾出更多的精力把重点放到测量上,大大提高工作效率。

图2:实时检测—用户预置

主界面最上方为软件标题栏(显示字样为“实时检测系统 [RA]”)和Windows应用程序关闭按钮(X),其下为系统的菜单项,依次为:

•文件菜单:该菜单下只有一个菜单项,点击后退出程序。

•工具菜单:该菜单下也是只有一个菜单项,点击后打开程序字体设置对话框。字体设置影响各模块的对话框大小、图示区域大小和文字大小。使用中文操作系统的用户,建议将字体设置为9(无需下拉选择,直接输入数字9即可)。点击【默认】按钮,所有模块的字体将统一设置为8。

•窗口菜单:点击各菜单项后打开相应模块的操作主界面。这里有两个比较特殊的模块,一是滤波器,二是当前时间。图3为滤波器模块的操作界面。

图3:实时检测—滤波器模块

该模块相当于一个均衡器,可以作用到输入信号,也可以作用到输出信号。这个均衡器有四种滤波模式:低通(仅信号中的低频部分通过)、高通(仅信号中的高频部分通过)、带通(仅某个频段的信号通过)和带阻(切除某个频段的信号),具体的频点可在“切除频率”中指定,每种模式又有10种不同的作用类型(滤波序列,相当于均衡器中的Q值)。同时,每种模式还有3种不同的作用曲线(规格)。要使滤波器对信号产生作用,就打开该模块。而后再打开实时检测系统的其它模块进行测量分析。关闭滤波器,则滤波作用失效。

点击“窗口”菜单下的“时间”菜单项,将弹出一个没有标题栏和状态栏,并且始终在前台显示的小窗口,实时显示当前的日期和时间。在该窗口上单击鼠标右键,将弹出快捷菜单,可关闭之,或者设置字体大小、时间构成和窗口透明度。在声学测量时,手头经常需要一个时钟,打开该窗口即可。

•帮助菜单:给出操作本软件所需的有关信息。有些菜单项点击后将链接到开发者的官方网站,英文或日文较好的读者,可到该网站上查阅更多信息。

2.2 信号发生器

信号发生器操作界面如图4所示,分为两大部分:一是左侧的信号类型与设置,二是公共设置。

图4:实时检测—信号发生器

输出增益用推子的方式控制信号输出的电平,不勾选“关联”选项,可以对左右两个声道的信号进行分别控制。如果选择了ASIO音频驱动,该控制暗显失效(原因是ASIO音频驱动本身无法对进出信号的电平进行控制)。和实时分析系统的其它模块一致,此处直接联动Windows混音器的音量推子。

点击【开始】按钮,信号自动生成并发送到声卡的输出端口,信号发出后持续的时间将显示在【开始】按钮下方的文本框中。采样率用于设置生成数字音频信号的采样格式,通常采用48KHz或声卡所支持的最高采样格式。信号电平用于控制本模块所生成信号的电平大小。点击【退出】按钮关闭本模块。

DSSF3软件默认使用16Bit数字音频采样精度,该采样精度下,单位时间内最大采样值范围为-32767~32767。有些声卡的性能不佳,在接收到DSSF3生成的最大信号后会出现失真、过载或各项音频指标均有降低等现象,因此笔者不推荐使用最大值。建议将推子设置到4/5处,留有一定的余地。

注意:信号电平和输出增益中的电平控制不同,信号电平用于设置所生成的原始信号的音量,而输出增益则是对生成之后的信号进行音量控制,两者虽然都可以控制发送到声卡输出端口的信号音量(电平),但是原理和控制环节却不同。

•定频信号

用于生成频率单一且固定的信号。首先选择频率范围。选择之后,鼠标拖动频率推子或直接输入具体的频率值。勾选“锁定”可以关联左右声道,也就是左右声道的信号频率一致。为以后使用方便,可以将当前设置的频率预置到推子下方的四个按钮上,以后直接点击按钮就可以调出该频率了(预置当前频率的办法是:首先确定频率,而后点击【设置】按钮,接着点击要预置到的按钮,点击哪个按钮就保存到哪个按钮上,一共可以预置4个)。

接下来是设置左右声道的信号相位差(本文简称“相差”),单位:度。±180°将完全反相。点击【0】按钮相差为0°。图5-图8直接的解释了两个信号的相差及度数关系:

图5:两个波形的相差为0°

图6:两个波形的相差为180°(反相)

图7:两个波形的相差为-90°

图8:两个波形的相差为90°

声波:确定生成信号的波形类型,一共有5种:正弦波、三角波、方波、齿波和用户自定义的波形。用户自定义波形在信号发生器的“波形”标签项下进行设置和管理,可以自定义5种任意类型的波形。图9-图12是各种类型的振动波在示波器中的图示:

图9:正弦波 图10:三角波

图11:方波 图12:齿波

•噪声信号

用于生成全频段白噪、粉噪及褐噪。

噪声:确定要生成的噪波类型。

模式:信号发生器所生成的噪波全部是左右两个声道的立体声信号,此处设置单声道的意义其实是左右声道的两个信号混合为一个信号。立体声:左右声道的信号形成一定宽度的声场、并且人耳可明显分辨出。反相:左右声道的两个信号相位完全相反。

时差:模式选择单声道或反相之后,该选项可用。首先在下拉列表中选择大概的时间范围,而后用推子或其右侧带有上下箭头的数值框微调,点击【0】按钮,时差为0。

时差用于设置两个声道的信号在时间上的前后关系。完全相同的两个信号,如果开始发声的时间不一致,也就是如果有时差,那么这两个信号一定有相位差。定频信号设置中,相差以度为单位,此处则以时间为单位(毫秒)。

注意:因为不同频率的声波波长是不同的,因此对固定频率的信号设置相差可以用度为单位,但是对全频段的信号,这个办法就行不通了,必须以时间为单位来设置。也就是说,相同时差的两个非固定频率的信号,其中每个频点的相差都是不同的。

为了更好的理解“相差”这个概念,可同时打开FFT分析器的相位谱进行检测。发出一个单声道噪波(其实是左右声道两个完全一致的信号混合到一起),如果这个噪波中两个信号的相差(时差)为0,那么FFT分析器相位谱中显示的将是一条水平的中轴线(证明两个信号相差为零)。在噪波生成器中改变时差数值,可以看到,相位谱中的线条将变得越来越复杂。见图13所示:

图13:两个相同信号的相差图(2毫秒时差)

因为噪声属于可调相差的全频段音频信号且频率中每个倍频程范围内的声功率保持不变或平稳增益,因此常常用来检测房间或音频设备的幅频响应和相频响应情况。这两个参数是衡量一款音频设备的重要指标。

•扫频信号

生成频率或音量由高到低或由低到高连续变化的信号。该信号的频率变化呈对数式渐变,这样可以保证信号频率的每个倍频程范围内,声能变化的总量始终相同。

频率和增益:设置信号频率的起止频点和音量的起止点。

扫描时间:扫频信号的时间长度,也即扫频的速度。

循环:是否循环发出扫频信号。

声波:设置扫频信号的波形类型。

发出扫频信号的同时打开FFT分析器的声功率谱、幅频谱或瀑布图进行观察(注意要设置为对数式频率刻度),如图14所示,可以看到,扫频信号的图谱反映出一个波峰由左至右平缓移动,这个波峰的最高声能始终是稳定的。因此,扫频信号常用来测量扬声器(音箱)等音频设备的频响与分频性能,房间中的驻波等等。

图14:扫频信号在FFT分析器声功率谱和瀑布图中的实时检测图示

•脉冲信号

生成指定时间的常规性脉冲信号,包括脉冲信号的数量、间隔时间、极性等物理属性。在测量室内脉冲响应特性(混响时间)或扬声器(音箱)极性指标时,脉冲信号是必不可少的(更精确的测量脉冲响应,则不推荐使用本模块来生成脉冲信号,后文有述)。

脉冲带宽:设置脉冲信号的时间长度(单次振动的波形振幅宽度,单位:毫秒)。

脉冲数量:设置生成几个脉冲信号。勾选“重复”项目,脉冲信号将持续发出,直到用户按下【停止】按钮为止(请慎用)。

时值:两个脉冲信号之间的时间间隔,单位:毫秒。

极性:设置脉冲信号单次振动的极性(即相对于波形中轴线,振幅的上下位置)。见图15所示。

图15:从左至右:极性为+,极性为-,极性为+-交替

可打开实时检测系统的录音机模块,触发录音。反复试验不同的脉冲信号设置,观察录音机中记录到的脉冲信号,这样可以有一个直观、感性的认识。图16是录音机模块记录的一个带宽为0.023毫秒、时值10毫秒、极性为+的脉冲信号:

图16:脉冲信号的实际波形(右侧为时间轴放大16倍之后的波形图)

提示:信号发生器中生成的各类信号,都可以用录音机记录下来(触发式录音),或者在生成信号的同时打开FFT分析器、示波器等模块进行实时检测和观察。

•复音合成

生成由基频和谐频构成的复合式音阶信号。合成式复音是一种比较悦耳、谐波丰富的单音阶信号,在现代电子音乐中,合成式复音是音乐家使用最多的音色。

同一个基频,不同的谐波频率构成,使得音色的听觉感受差异巨大。在信号发生器中设置这种信号,首先选择基频频点,也就是决定音高的基准频率,而后设置谐波的阶次(1次谐波、2次谐波、3次谐波……等等,一共可以设置基频的8个阶次的谐波,具体的阶次可手工指定)、该谐波的振幅(电平),最后设置整个波形的生成类型(正弦波、三角波、方波、齿波或用户自定义的波形)。

频率成份:设置基频的谐波阶次(谐波频率),输入2则为基频的2次谐波,3则为基频的3次谐波,依此类推,一共可以设置8个阶次的谐波频率。

音量推子:设置该次谐波的信号电平。也可手工输入电平值(相对于基频的百分比)。

基频:设置复音信号的基准频率,该频率决定信号的音高。可以调整推子的左右位置,也可以手工输入具体的频率值。

声波:确定信号的波形类型。

通常,复音信号中的偶次谐波较丰富,人的听觉感受就是相对厚实、温暖;奇次谐波较多,听觉感受则生硬、冰冷。

•音阶信号

用于生成固定频率的单音阶信号(音调)。该操作界面上方是一个88键键盘,鼠标点击对应的键可直接生成该音阶的音调信号,勾选“播放模式”,在鼠标点击键盘的时候,实时发声。通常,音乐中的标准定调方法为第四组A音阶振动频率为440Hz(音高与声波的振动频率直接相关,频率越高,音调越高)。可在“参照音高”中指定定调方式。

也可以直接点击音高唱名(C~B),而后设置不同的“倍频”区间(此处的倍频相当于音乐中的八度),比如A4比A3高一个八度,频率反映方面则是增加了一个倍频(由440Hz变为880Hz)。如果对所有音阶的标准频率都不满意,还可以在“频率”文本框中输入具体的频率值。

•创造波形

自定义振动波形。可定义5个不同类型的振动波。首先选择要定义的波形序号(1~5),而后设置波形的基准频率,点击【编辑】按钮,出现图17所示的对话框,使用鼠标点击和拖拽的方式,手工画出波形:

图17:实时检测系统—信号发生器—自定义波形—创造波形

点击+-缩放图标可以横向放大或缩小波形显示范围,点击↔显示完整波形。

位置(X、Y):确定振幅顶点在坐标轴中的绝对位置。

编辑模式:添加顶点或选择已有顶点。选择顶点后,可以点击【删除顶点】按钮将之删掉。勾选“平滑起伏”,则波形振幅的波峰和波谷平顺化,否则就是齿形的振幅。

设置完成,点击【确定】按钮。返回自定义波形操作界面。按照这个办法,可自定义5种类型的波形,已经定义好的波形,可在信号发生器的多个模块中调用。

自定义波形相当于创造某种类型的声音(音色),不同振动类型的声波给人的听觉感受差别很大,声音的音高(音调)由振动频率所决定,而音量则由振动幅度来决定。也就是说,声波的振动类型、振动频率和振动幅度,这三者之间没有必然的关系,只是共同确定人类对声音进行基本判断的三项重要指标。而此处的自定义波形只是确定波的振动类型,并非定义波长(即频率高低),也不是定义波的振动幅度(音量)。