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声学检测、音频分析与DSSF3操作详解·6

3.3 THD分析器

THD分析器用于检测信号中的总谐波失真程度,更严格的说,是待检信号相对于原始信号出现的谐波失真的总量或总比率。THD(总谐波失真),Total Harmonic Distortion的首字母缩写。它属于非线性失真的一种,由于音频系统非完全线性所造成。信号输出后,所经过的电路和元器件不可避免的振荡或其它谐振而产生二次、三次谐波,这些谐波与原始信号叠加,产生最终的输出信号。所有谐波失真的总量称为总谐波失真。

通常,1KHz频率处的总谐波失真最小,因此很多产品均以该频率的正弦波作为检测总谐波失真的标准信号。但总谐波失真不仅仅只与一个频率有关,必须在20~22KHz范围内进行全面测量。该指标测量值在1%以下时人耳无法分辨;超过10%则可以明显听出信号失真。总谐波失真的数值越小,表明该设备的还原率与保真度越高。

DSSF3的THD分析器与幅频响应类似,工作时无需配合其它模块,它本身可发出三种用于测量总谐波失真的原始信号:频率和电平均固定的信号、电平固定的扫频信号、频率固定但电平变化的连续信号。操作界面见图9所示。

图9:实时检测系统—THD分析器—操作主界面

最上面是切换检测信号的标签项,其下是检测图示区,右侧是公共设置区,下方是信号设置区。图示区纵坐标为失真量,横坐标则依据不同的信号类型而有所不同。定频模式下,横坐标代表谐波的阶次(几次谐波);扫频模式下,代表频率范围;电平模式下,代表电平范围。

公共设置区,有些选项与其它模块完全一致,不再赘述。有所不同的:

•最大阶次:设置要测量最大谐波阶次。数值越高,测量范围越大,精确度越高,但占用系统资源也越厉害。

•缓冲时间:设置原始信号输出后多久再进行失真测量。

•刻度:按百分比(谐波失真总比率)或者dB(谐波失真总量)进行计算并查看。

•最大、最小:设置纵坐标(失真率或失真量)数值范围。

定频模式下的信号设置区:

•测量频率:设置原始信号的固定频率。拖拽推子、转动鼠标滚轮或手工输入均可。

•测量增益:对输出信号的电平进行控制。

•平均:勾选后,图示从开始测量到当前时间的平均失真量,等于是一段时间之内的平均值。取消勾选,则实时显示。

•左、右:分别显示左右声道的失真量。

扫频模式下的信号设置区见图10所示。

图10:实时检测系统—THD分析器—扫频—信号设置

•开始:设置扫频信号的开始频率。

•结束:设置扫频信号的结束频率。开始与结束共同确定测量THD的频率范围。

•测点:设置在当前频率范围内测量几个点(以倍频程和A计权的方式平均分配这几个点在横坐标上的位置)。

•频率:实时显示当前正在测量的频点。

•插值:图示曲线进行自动平滑处理(相当于插入更多的点,使折线变得平滑)。

•标记:图示曲线是否显示测点标记。

•测量频率:设置原始信号的固定频率。拖拽推子、转动鼠标滚轮或手工输入均可。

•测量增益:对输出信号的电平进行控制。

电平模式下,信号设置区的有关选项与上两个模式中的对应选项完全一致,不再重复。所不同的,可以设置信号的起始电平与结束电平(开始、结束),这样可以得到一个频率固定,但音量平稳变化的原始信号。

3.4 ACF函数

DSSF3实时检测系统的FFT分析器,主要用于信号在频域范围内的幅频与相频分析,但是,信号自相关与互相关特性却需要在基于时域的范围内进行分析。ACF函数模块即可提供这种分析。

自相关函数(ACF)用于描述同一信号在不同时间点的差别与相似程度,这一点在分析信号的规律性变化和周期性变化时非常实用,也是影响人类听觉和对声音进行主观判断的重要指标之一。换个角度理解,FFT分析器(频响图、功率谱、声能谱、相位图等等)只能显示信号在当前时间点的各种状态和反应情况,已经过去的某个时刻的状态则无法看到,也无法和当前状态进行对比。假设有一个信号,其幅频响应是不断变化的,忽高忽低、逐渐衰减或者完全没有规律,那么用FFT分析器和图示就无法描述这个现象,如果进行图示抓屏,恰好在其幅频响应平直化的时候做了留存,那么这个结果肯定是不正确的(见图11所示)。在分析房间声学特性中的声反射、声吸收时(混响、回声),ACF函数也是必不可少的指标之一。

图11:同一信号在时间点a和时间点b的1/24倍频程响应图示

与自相关函数相对应,互相关函数(CCF)则用来描述同一时域两个信号的差别与相似程度,它可以对环境中的声场特性、声源定位、传播路径和方向等方面进行分析。以人耳为例,即使只有一个点声源发声,由于人有两只耳朵并且长在头颅的两侧,所以这两只耳朵接收的同一个信号是有差别的(这也是人类判断声音方位和距离的机理之一)。在分析时,我们把每一只耳朵听到的声音看成一个单独的信号,此时对两个信号进行互相关分析就显得非常必要了(两耳间的互相关函数又称为IACF)。

ACF自相关与CCF互相关,除了可用于对声音信号的各种测量分析之外,还广泛应用于机械制造、五金化工、汽车模具、交通电力、航空航天、建筑设计、医学诊断等专业领域。

DSSF3实时检测系统中的ACF函数模块,最高可支持32Bit/96KHz的字音频(软件默认采用16Bit采样精度),即使用户的声卡不支持这么高的采样率和采样精度,依然可以加载并分析基于这种采样格式的音频数据。这一点是同类软件所不能与之抗衡的。

与脉冲响应测量基本一致,开始ACF和CCF测量前,建议用户再次检查系统连接、信号电平与声卡进出端口等设置。设备连接与走线采用系统连接模式1(话筒箱拾)。关于脉冲响应的拾音与检测,将在下一章详述。

ACF自相关测量,使用一只话筒即可。但如果要进行CCF测量(互相关函数),则必须使用两只品牌、型号与性能完全一致的声学话筒,一左一右分开摆放,采用AB制式或仿人头制式进行立体声拾音。

注意:ACF函数模块本身并不能发出信号,这一点和脉冲响应模块是不同的。因此,测量时,需配合信号发生器同时工作。

点击实时检测系统主界面的【ACF函数】,打开ACF测量主界面,按图12所示首先进行必要的设置:

图12:实时检测系统—ACF函数—测量前的必要设置

1、采样率:设置输入信号AD转换后的数字音频采样率。建议设置为48KHz或声卡所支持的最大采样率。

2、时间:以秒为单位设置ACF检测的时间长度。设置范围:1~30秒。如果信号比较平稳,变化周期不太长,建议设置为10~15秒左右。此数值设置的越大,所占用的系统资源和内存越多,如果计算机硬件配置不高,则单次检测时间不建议超过15秒。

3、单声道:检测ACF自相关特性。双声道:检测CCF互相关特性。

4、卷积时间:ACF测量时,设置对信号电平进行卷积式计算的时间范围,比如设置为2秒,则每隔2秒钟,对这段时间内的信号电平进行一次平均计算。 数值范围:0.001~10秒。该值越大,程序的计算量也越大。通常设置为0.5秒。

5、步进运行:以秒为单位设置每隔多长时间进行一次ACF计算。数值范围:0.001~10秒。此值越小,结果越精确,但同时计算量也越大。如果信号波动不大,比较平稳,则不建议设置的太小,0.2~0.5秒左右即可。

6、频率计权:设置对信号的频率部分进行计算时的计权算法。如果仅仅用于室内声学分析,则通常设置为更符合人类听觉特性的A计权(人类听觉等响式计权法)。

设置完毕,点击【开始】按钮,进行正式测量。ACF三维立体图示和正在检测的信号波形将实时显示在上下两个图示区中。见图13所示:

图13:实时检测系统—ACF函数—测量后的主界面图示

测量结束,允许根据实际情况和具体需要继续修改卷积时间、步进运行、所显示的时间范围等参数。修改后,点击上图所示的【重绘】按钮(1),程序将自动计算,而后给出参数改变后的ACF函数图示。

ACF函数图示下方为所检测信号的波形图示,如果接收到的信号电平太小(看起来振幅也较小),则可以勾选“标准化”项目(2),信号电平将自动增益为0dBFS(±1dB)。点击【重放】按钮(3),可以播放待检信号,以供试听。

待检波形可以进行简单的编辑处理。鼠标右键点击波形图示区,而后按住右键进行拖拽,以选择波形范围(4)。和实时分析系统的录音机模块一致,此处点击【剪切】按钮后(5),仅保留所选的部分,而删除未选择的部分,这一点与Windows操作系统的默认剪切方式有所不同。

已经记录的数据可以保存到DSSF3数据库中,或者保存为独立的WAV音频文件(点击操作界面右上方的【保存】按钮,在弹出的对话框中进行操作)。同样,ACF函数模块也可以读取并分析系统数据库中已有的数据,或者硬盘中的音频文件(点击【加载】按钮,而后在弹出的对话框中进行对应操作)。

3.5 数据录音

DSSF3音频记录功能主要通过实时检测系统(RA)的录音机、ACF函数这两个模块和噪声测量系统(EA)来实现。对测量数据的录音、保存和多次检测分析等功能,是DSSF3的又一大亮点。

•被动触发

RA的录音模块能实现被动触发式的录音和播放,单次录音最长10分钟。录音过程中和录音之后时可使用示波器、FFT分析器做更多的测量观察。如果要将待分析的测量信号现场记录并保存下来,而计算机中又没有安装音频和录音类程序,或者对计算机中已有的音频数据进行检测分析,那么,RA的录音机就显得非常重要了。

1、点击RA主界面的【录音机】按钮(1),打开录音机操作界面,勾选“录音”(2).见图14所示:

图14:实时检测系统—录音机—操作主界面

2、DSSF3的录音机需要其他模块来触发才可以进行信号录音。触发模块可使用信号发生器、示波器或FFT分析器这三者之中的任何一个。以信号发生器为例:

打开录音机模块并激活录音后,回到RA主界面,打开信号发生器(3),选择一种信号后点击【开始】按钮(4)。信号在生成并发出的同时,自动触发录音机模块,数据被录制下来。点击信号发生器的【停止】按钮(4),录音机也随之停止,此时,已经记录的波形就出现在录音机波形显示区了(5)。见图15所示:

图15:实时检测系统—使用信号发生器、示波器或FFT分析器触发录音

3、要回放刚刚完成的录音,同样需要其他模块(示波器或FFT分析器)的自动触发。如图16所示,首先激活录音机模块中的“重放”(6),而后打开示波器或FFT分析器(7),点击【开始】按钮(8),录音机自动回放,播放指针实时前进(9),标识出当前播放的时间点。同时,示波器或FFT分析器也开始工作,对已经录制的信号进行检测图示:

图16:实时检测系统—使用示波器或FFT分析器触发录音模块的回放

4、已经录制的波形可以进行区域性剪切(删除非选区之外的部分),办法是:在图17所示的波形显示区中单击鼠标右键,此时鼠标指针变成带箭头的十字形(1),而后按住鼠标右键进行拖拽,选取要保留的区域(还可以在下面的“选择区域”中手工指定范围,输入起止时间点即可)。选取完毕(2),点击【剪切】按钮(3),保留选区,而将未选区的部分删除(这一点与Windows操作系统的剪切方式有所不同)。点击【保存】按钮(4),可将刚刚完成的录音数据保存为标准的WAV音频文件。如果不保存,则直接关闭录音机,或者开始新的录音。

图17:实时检测系统—录音机-剪切、保存和加载音频数据

录音机模块还可以直接调用计算机中已有的音频数据(WAV格式)。办法是点击【加载】按钮(5)。数据加载完毕,可打开FFT分析器,点击【开始】按钮激活播放,同时做更多的检测与分析。加载并分析已有的音频数据这项功能非常实用,也是DSSF3系统的特色功能之一。

•其它方式

实时检测系统ACF函数模块记录当前测量信号的流程是:

图18:实时检测系统—ACF函数-测量分析与信号录音

如图18所示,打开ACF函数操作界面后,确定测量时间(1),点击【开始】按钮(2),信号进入该模块中。左上方的3D图示区将实时显示信号的ACF函数截面图(3),其下方的波形显示区也将同时显示信号的波形图像(4)。测量结束,对采集到的信号进行简单的编辑处理(比如删除头尾信号或中间某部分的信号。图示中的5),而后点击右上方的【保存】按钮,将数据保存为WAV格式的音频文件(6)。

DSSF3噪声测量系统(EA)同样具有保存记录数据的功能。其操作将在第五章讲解。

本章结束。下一章讲解DSSF3用于室内声学测量的重头戏:脉冲响应。