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声学检测、音频分析与DSSF3操作详解·4

2.3 FFT分析器

FFT分析器是DSSF3最重要的模块之一,它可以和信号发生器、示波器、录音机等模块同时运行,互相配合以完成检测分析工作,还可以检测媒体播放器、其它音频软件等发出的信号(前提是声卡和音频驱动的输入输出没有冲突),甚至在使用特殊传感器的前提下完成医学诊断、地质勘探、电子信号测量等工作。在使用话筒采集声音信号的时候,建议用户首先进行声压级和频响校准(具体操作见前文)。如果采用环路连接的方式检测声卡和外部音频硬件,则不要进行任何频响校准或其它补偿设置(解除使用校准模板)。另外,每次测量前,务必要检查连接走线和信号电平,避免出现测量事故。

FFT分析器操作主界面共分为4大区域,见图18所示。分别是:标签组、图示区、公共设置区1、公共设置区2。图示区用来实时显示当前正在检测的信号的各种响应图示(对应标签组中的不同声学项目),Lch代表左声道,Rch代表右声道。在该区域鼠标双击可最大化查看图示内容。公共设置区主要对检测模式和显示方式进行更加精细和复杂的设置,根据不同的图示内容,可供设置的选项也有所不同。

图18:实时检测系统—FFT分析器—操作主界面

•公共设置(图19)

图19:右上方的公共设置区

•【开始】:点击后开始测量。检测时间将实时显示在该按钮下方的文本框中。

•【校准】:点击后打开声压级、灵敏度校准和频响补偿设置对话框(新建、编辑或删除校准模板)。当前正在选用的校准模板显示在该按钮上方的文本框中。

•SPL :实时显示信号的峰值声压级(响度)。仅声功率谱、倍频程谱、瀑布图三种检测模式下显示该选项。L:左声道,R:右声道。声功率和倍频程模式下,鼠标左键在图示区点击,将实时显示鼠标指针所在位置的频率和其对应的响度值。鼠标右键点击,取消查看某个具体频率的响度,切换为整个信号的峰值声压级。

•频率:声功率和频程模式下,鼠标左键在图示区点击,将实时显示鼠标指针所在位置的频率。鼠标右键点击,取消显示具体的频率,切换为“ALL”。

•分辨率:频率显示(F)和时间显示(T)的最小单位。频率数值的显示分辨率单位为Hz,时间显示的分辨率单位为毫秒。

•【抓屏】:点击后弹出新窗口,显示当前时间点的图示内容。测量时可连续点击,以便进行不同时间点的检测对比。运行该功能后,使抓屏图像窗口处于激活状态,而后按Alt+Print Screen组合键,即将当前激活的窗口抓屏为图像数据并保存到操作系统剪贴板中,可将此数据粘贴到Word、Excel、写字板、画图等图文编辑软件。

•【数据记录】:该功能仅在倍频程模式下可用。点击后打开数据记录对话框,如果点击该按钮时正在进行测量,则以文本列表的方式自动显示出所检测到的数据。显示的数据可以保存为CSV文件(文本式表格文件,可用任何一种字处理程序打开处理,推荐使用Office Excel)。

•【输出CSV】:声功率和倍频程模式下可用。点击后将测量数据保存为CSV文件。

•左右分离:勾选后,图示区将分上下两部分对应显示左右声道的信号图谱。不勾选则将左右声道信号混合显示在一个图示区中。

•【退出】:关闭FFT分析器。

图20是FFT分析器界面下方的第二个公共设置区:

图20:FFT分析器主界面下方的公共设置区

•电平范围:设置要进行检测和图示的信号电平范围(图示区垂直轴的刻度范围)。上限:最大电平值。下限:最小电平值。勾选“自动”,软件将给出默认的电平范围。

•频率范围:设置要进行检测和图示的信号频率范围(图示区水平轴的刻度范围)。上限:最大频率值。下限:最小频率值。勾选“自动”,软件将给出默认的频率范围。

•采样率:所接收的信号进入声卡输入端口后,进行模数转换的数字音频采样率。通常设置为48KHz或声卡所能支持的最大采样率。

•FFT大小:进行FFT快速傅里叶变换计算的采样点集合,可设置的数值范围:1024~65536。软件给出的默认值适合于大多数情况下的信号检测与实时分析。该数值越大,频率响应方面的计算和检测结果越精确,但时间方面的误差也越大。因此,此数值并非设置的越大越好。要根据实际情况,如果偏重于频响方面的检测,则设置的大一些;如果偏重于时间方面的检测,则设置的小一些。

•时窗函数:基于概率论、统计学的计权与滤波算法。声音信号中,频率方面往往包含大量偶发性的意外数据,这些不可预知的额外数据对测量结果是没有任何帮助的。选用不同的时窗函数将减少或降低(过滤)这些意外频率。有6个函数可供选用,通常使用默认的Hanning函数即可。

•声道模式:共5种声道模式,不同的模式,图示区显示的结果不同。除双声道外,选择其余模式,图示区只有一个坐标图。混合单声道:相当于将左声道和右声道的信号叠加到一起,而后变成一个混合式的单声道信号(注意:并非所有的声卡都支持左右声道信号混合为一个单声道,特别是端口分离的专业音频卡)。双声道:同时检测并图示左声道信号和右声道信号,图示区变成上下两部分。上半部分为左声道(淡蓝色),下半部分为右声道(粉红色)。仅左声道(右声道):仅检测分析左声道或右声道的信号,忽略另一个声道的信号。差异:与混合单声道相反,该模式下仅检测左右两个声道有差异的部分,完全一致的部分将不予显示。

•频率计权:有4种计权方式,通常选择平直化(不计权)或C计权。如果用于环境噪声检测,或者与人耳听觉有关的信号检测,则建议选用A计权。

•平滑(T.C.): 计算并显示多长时间内的平均数据。

•移动平均:设置图示区显示多长时间范围内的检测结果。相当于一段时间之内,实时检测结果进行合并式显示。设置为无,则为名符其实的实时显示。设置为无穷,则等于仅显示峰值信息。

•频轴:设置水平轴频率刻度的显示方式。对数:以符合人耳听觉习惯的声能比率来显示频率刻度。线性:以十进制方式显示频率刻度。

•时间精度:图示区实时显示的刷新率(倍速),等于是每隔多长时间刷新并显示一次检测结果。数值越大,显示刷新率越快,检测曲线波动的越频繁。在瀑布图中,还确定Y轴的时间范围(瀑布图为3D坐标系,X轴为水平轴,显示频率;Y轴垂直于X轴并且与X轴共同构成水平面,显示时间范围;Z轴为垂直于水平面的向上轴,显示声压级)。

提示:平滑、移动平均和时间精度这三者的区别在于:平滑是计算多长时间内的平均数据,移动平均是多长时间内的检测结果叠加到一起,而时间精度则是显示结果的刷新率,也就是每隔多长时间给出一次检测结果。笔者的经验,如果检测房间或音频设备频响方面的特性,通常可设置为:平滑时间125毫秒,移动平均1秒,时间精度8X。

•峰值检波:仅在声功率和倍频程谱中有效。有两个选项。峰值:勾选后,将显示峰值标识线,包括峰值所在的频点和峰值数值。保持峰值:勾选后,峰值显示将保持一段时间。具体的保持时间值由自动重置中设置的时间来确定。或者使用人工重置(点击【重置】按钮)。

•时间范围:仅在声能谱中有效。设置声能图的时间显示范围(X轴刻度上限)。

•数据量:仅在瀑布图中有效。相当于单位时间内显示多少个截面。通常设置为12~24之间的数值。数值太大,截面显示越密集,不易分辨。

•轴向:仅在瀑布图和声能谱中有效。确定图形显示时的开始位置和移动方向(向前移动或向后移动)。

•缩放:仅在相关谱和倒谱中有效。确定时间轴的数值范围(图示的显示范围)。

•倍频频宽:仅在倍频程谱中有效。设置为1/12,则每个倍频程范围内有12个频响指示条。设置为1,则每个倍频程范围内只有一个频响指示条。

•声能颜色:仅在声能谱中有效,确定声能谱的显示颜色。彩色显示还是灰度显示。

•相关:仅在相关谱中有效。显示单个信号的自相关图示(ACF),还是两个信号的互相关图示(CCF)。

•自动停止:设置开始多少秒之后停止测量。数值为0则永不停止,直到点击操作主界面右上方的【停止】按钮为止。

•实时分析(图21)

图21:FFT分析器包含9个分析模块

FFT分析器包含9个实时分析模块,点击对应的标签项可切换到该模块的图示界面。

•功率(图22):以无间隔的点的形式实时显示信号的幅频响应情况,由于点太多太密,看起来就是一条起伏不定的线。横坐标为频率,纵坐标为电平(声压级、响度)。检测音频设备或声卡自测时,建议采用0dBFS满刻度电平,即最大电平为0dB,最小电平可设置为-110dB,同时不要应用任何校准模板。检测环境噪声、现实中的声音时,建议采用实际响度值(前提是已经进行了话筒信号的声压级校准),最大电平可为130dB,最小电平20dB(根据话筒特性和环境中最低底噪的响度值确定)。鼠标点击,将出现十字线,标识点击处的频点和峰值。

图22:实时检测系统—FFT分析器—声功率谱

•倍频(图23):以有间隔的竖条形式实时显示信号的倍频程幅频响应情况。横坐标为对数式倍频程频率(根据采样率自动设置,用户不可手工更改),纵坐标为电平,设置方法同声功率谱。图示最左侧的竖线为检测频段内的最大峰值。鼠标点击某竖条,其颜色变深,标识出具体频点和峰值。倍频程谱是平时用的较多的实时分析图示,使用时,根据实际情况确定是采用A计权显示,还是无计权显示。

一个小技巧:如果信号音量和频率构成比较平稳单纯,公共设置区中的“移动平均”时间可设置的大一些,反之,就设置为“无”。如果用户的声卡支持无损内录,或者采用直接环路的检测方式,做好端口设置之后,还可以实时分析外部媒体播放器所播放的声音,比如,有一首音乐作品的录音混缩质量很好,打算分析一下其幅频曲线,而后对比自己的作品,找出不足,以方便做均衡处理。

图23:实时检测系统—FFT分析器—倍频程谱

•瀑布(图24):以三维立体和纵截面的形式实时显示信号在一段时间之内的幅频响应情况。水平面中的横坐标为频率,水平面中的纵坐标为时间,垂直面的纵坐标为电平。电平和频率的设置方法同声功率谱。瀑布图相当于3D式的声功率谱。

图24:实时检测系统—FFT分析器—瀑布图

•相关(图25):显示信号的自相关(ACF)或互相关(CCF)特性,完全相关则为1(最大值),完全不相关则为-1(最小值)。自相关用于反映同一信号在不同时刻的相互关系,而互相关则表示不同信号在同一时刻的相互关系。

图25:实时检测系统—FFT分析器—相关图

•相位(图26):显示左右两个声道的信号相位关系。两个信号的相位差为零,则显示一条水平直线。下图所示的相位图,可以看出信号在50Hz附近没有相差,而其它频率,则有度数不等的相差,其中1KHz的相差达到了90度(如果某个频段的信号是同时发出的,那么根据频率与波长的关系和相差度数,可计算出两个信号的时差):

图26:实时检测系统—FFT分析器—相位图

•声能(图27):声谱图,显示一段时间内,信号中各个频率的电平(响度)变化情况。横坐标为时间,纵坐标为频率,不同的颜色代表不同的电平值。电平越大,颜色越偏红;电平越小,颜色越偏黑。电平由低到高对应黑蓝绿黄红这几种颜色。也可以将颜色设置为灰度显示,颜色越黑则电平越小;颜色越白,则电平越大。声谱图能大概估算出信号中某个频率的电平值,或者进行对比观察。下图是一个扫频信号的声谱图:

图27:实时检测系统—FFT分析器—声谱图

•互谱(图28):互功率谱,根据维纳•辛钦公式,互功率谱为互相关函数的傅立叶变换。该图示横坐标为频率,纵坐标为电平。

图28:实时检测系统—FFT分析器—互谱

•相干(图29):显示各声道模式下,信号的相干性。频率相同、有恒定的相位差、在叠加处振动方向相同的两列波称为相干波。该图示横坐标为频率,纵坐标为相干系数。

图29:实时检测系统—FFT分析器—相干图

•倒谱(图30):倒频谱,基于时域的声功率对数转换后进行傅里叶运算,而后取模的平方。该图示横坐标为时间,纵坐标为电平。

图30:DSSF3—实时检测系统—FFT分析器—倒谱

本章结束。下一章继续讲解DSSF3的实时检测系统。