一、音頻信號(hào)及音頻分析

音頻是多媒體中的一種重要媒體。我們能夠聽見的音頻信號(hào)的頻率范圍大約是20Hz-2OkHz，其中語音大約分布在300Hz-4kHz之內(nèi)，而音樂和其他自然聲響是全范圍分布的。聲音經(jīng)過模擬設(shè)備記錄或再生，成為模擬音頻，再經(jīng)數(shù)字化成為數(shù)字音頻。這里所說的音頻分析就是以數(shù)字音頻信號(hào)為分析對(duì)象，以數(shù)字信號(hào)處理為分析手段，提取信號(hào)在時(shí)域、頻域內(nèi)一系列特性的過程。

各種特定頻率范圍的音頻分析有各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，對(duì)于300－4kHz之間的語音信號(hào)的分析主要應(yīng)用于語音識(shí)別，其用途是確定語音內(nèi)容或判斷說話者的身份；而對(duì)于20－20kHz之間的全范圍的語音信號(hào)分析則可以用來衡量各類音頻設(shè)備的性能。所謂音頻設(shè)備就是將實(shí)際的聲音拾取到將聲音播放出來的全部過程中需要用到的各類電子設(shè)備，例如話筒、功率放大器、揚(yáng)聲器等，衡量音頻設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)有頻率響應(yīng)特性、諧波失真、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍等。

二、音頻分析原理

音頻分析的原理主要涉及數(shù)字信號(hào)處理的基本理論、音頻分析的基本方法以及音頻參數(shù)測(cè)量和分析內(nèi)容，其中數(shù)字信號(hào)處理是音頻分析的理論基礎(chǔ)。

1、音頻分析技術(shù)基礎(chǔ)

傅立葉變換和信號(hào)的采樣是進(jìn)行音頻分析時(shí)用到的zui基本的技術(shù)。傅立葉變換是進(jìn)行頻譜分析的基礎(chǔ)，信號(hào)的頻譜分析是指按信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)，求取其分量的幅值、相位等按頻率分布規(guī)律，建立以頻率為橫軸的各種“譜”，如幅度譜、相位譜。信號(hào)中，周期信號(hào)通過傅立葉級(jí)數(shù)變換后對(duì)應(yīng)離散頻譜，而對(duì)于非周期信號(hào)，可以看作周期T為無窮大的周期信號(hào)，當(dāng)周期趨近無窮大時(shí)，則基波譜線及譜線間隔（ω=2π/T）趨近無窮小，從而離散的頻譜就變?yōu)檫B續(xù)頻譜。所以，非周期信號(hào)的頻譜是連續(xù)的。

在以計(jì)算機(jī)為中心的測(cè)試系統(tǒng)中，模擬信號(hào)進(jìn)入數(shù)字計(jì)算機(jī)前先經(jīng)過A/D變換器，將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間信號(hào)，稱為信號(hào)的采樣。然后再經(jīng)幅值量化變?yōu)殡x散的數(shù)字信號(hào)。這樣，在頻域上將會(huì)出現(xiàn)一系列新的問題，頻譜會(huì)發(fā)生變化。由模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)后，其傅立葉變換也變成離散傅立葉變換，涉及到采樣定理、頻率混疊、截?cái)嗪托孤?、加窗與窗函數(shù)等一系列問題。

2、音頻分析方法

通常在對(duì)某音頻設(shè)備音頻測(cè)量分析時(shí)，該設(shè)備被看成是一個(gè)具有輸入端口和輸出端口的黑箱系統(tǒng)。將某種己知信號(hào)輸入該系統(tǒng)，然后從輸出端獲取輸出信號(hào)進(jìn)行分析，從而了解該系統(tǒng)的一些特性，這就是音頻分析的一般方法。輸入音頻設(shè)備的信號(hào)，稱作激勵(lì)信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)可以是正弦、方波等周期信號(hào)，也可以是白噪聲、粉紅噪聲等隨機(jī)信號(hào)，還可以是雙音、多音、正弦突發(fā)等信號(hào)。zui常用的檢測(cè)分析方法有正弦信號(hào)檢測(cè)、脈沖信號(hào)檢測(cè)、zui大長度序列信號(hào)檢測(cè)等。

三、音頻參數(shù)測(cè)量及分析

音頻測(cè)量一般包括信號(hào)電壓、頻率、信噪比、諧波失真等基本參數(shù)。大部分音頻參數(shù)都可以由這幾種基本參數(shù)組合而成。音頻分析可以分為時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻分析等幾類。由于信號(hào)的諧波失真對(duì)于音頻測(cè)量比較重要，因此將其單獨(dú)歸類為失真分析。以下分別介紹各種音頻參數(shù)測(cè)量和音頻分析。

1、基本參數(shù)測(cè)量

音頻測(cè)量中需要測(cè)量的基本參數(shù)主要有電壓、頻率、信噪比。電壓測(cè)試可以分為均方根電壓（RMS）、平均電壓和峰值電壓等幾種。  頻率是音頻測(cè)量中zui基本的參數(shù)之一。通常利用高頻精密時(shí)鐘作為基準(zhǔn)來測(cè)量信號(hào)的頻率。測(cè)量頻率時(shí)，在一個(gè)限定的時(shí)間內(nèi)的輸入信號(hào)和基準(zhǔn)時(shí)鐘同時(shí)計(jì)數(shù)，然后將兩者的計(jì)數(shù)值比較后乘以基準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率就得到信號(hào)頻率。隨著微處理芯片的運(yùn)算速度的提高，信號(hào)的頻率也可以利用快速傅立葉變換通過軟件計(jì)算得到。  信噪比是音頻設(shè)備的基本性能指標(biāo)，是信號(hào)的有效電壓與噪聲電壓的比值。在實(shí)際測(cè)量中，為方便起見，通常用帶有噪聲的信號(hào)總電壓代替信號(hào)電壓計(jì)算信噪比。

2、時(shí)域分析

時(shí)域分析通常是將某種測(cè)試信號(hào)輸入待測(cè)音頻設(shè)備，觀察設(shè)備輸出信號(hào)的時(shí)域波形來評(píng)定設(shè)備的相關(guān)性能。zui常用的時(shí)域分析測(cè)試信號(hào)有正弦信號(hào)、方波信號(hào)、階躍信號(hào)及單音突變信號(hào)等。例如將正弦信號(hào)輸入設(shè)備，觀察輸出信號(hào)時(shí)域波形失真就是一種時(shí)域分析方法。 方波分析具有良好的突變性及周期性，通過觀察設(shè)備對(duì)方波信號(hào)的輸出信號(hào)波形能夠很好的檢測(cè)設(shè)備的各項(xiàng)性能，因此方波信號(hào)成為zui常用的時(shí)域分析信號(hào)。描述方波響應(yīng)有上升時(shí)間、峰值振蕩、過沖量及傾斜度等幾個(gè)zui主要參數(shù)。

階躍信號(hào)分析比較簡單，主要用來檢測(cè)音頻設(shè)備對(duì)于信號(hào)突變的響應(yīng)靈敏度。階躍信號(hào)分析的參數(shù)通常兩個(gè)，就是階躍響應(yīng)信號(hào)的上升時(shí)間和脈沖寬度。上升時(shí)間越小，設(shè)備對(duì)于信號(hào)突變的響應(yīng)越靈敏，瞬態(tài)特性越好;脈寬越小，設(shè)備的阻尼特性越好，系統(tǒng)越穩(wěn)定。

正弦信號(hào)在某個(gè)時(shí)刻峰值突然升高，形成突變，就是單音突變信號(hào)。由于單音突變信號(hào)的能量集中在一個(gè)很窄的頻率范圍，因此常用單音突變信號(hào)檢測(cè)音頻設(shè)備在某個(gè)特定頻率的響應(yīng)情況。單音突變信號(hào)的主要用途是快速判定某些音頻設(shè)備，例如揚(yáng)聲器的阻尼特性等。

3、頻域分析

頻域分析是音頻分析的重要內(nèi)容，頻域分析的主要依據(jù)是頻率響應(yīng)特性曲線圖。前面提到的正弦檢測(cè)、脈沖檢測(cè)及zui大長度序列信號(hào)檢測(cè)都能夠得到設(shè)備的頻率響應(yīng)。頻率響應(yīng)曲線圖反映了音頻設(shè)備在整個(gè)音頻范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)的分布情況。一般來說曲線峰值處的頻率成分，回放聲壓大、聲壓強(qiáng)；曲線谷底處頻率成分聲壓小、聲音弱。若波峰和波谷起伏太大，則會(huì)造成較嚴(yán)重的頻率失真。

4、時(shí)頻分析

時(shí)頻特性描述了音頻設(shè)備在時(shí)間軸上隨著時(shí)間的變化其頻域特性的變化情況。時(shí)頻特性不僅在頻率的變化過程中描述了音頻設(shè)備的響應(yīng)狀態(tài)，而且還在時(shí)間的變化過程中描述了音頻設(shè)備的響應(yīng)狀態(tài)，也就是從三維的角度全面地描述了音頻設(shè)備的響應(yīng)特性。對(duì)于放音設(shè)備而言，主觀聽感的評(píng)述，如低音是否干凈，背景是否清晰，層次是否分明，音場(chǎng)的深淺等均與音頻設(shè)備的時(shí)頻特性均有密切關(guān)系。音頻設(shè)備的時(shí)頻特性是客觀評(píng)價(jià)音頻設(shè)備性能優(yōu)劣的一個(gè)很重要的方面。

5、失真分析

音頻設(shè)備的失真包括諧波失真、互調(diào)失真、相位失真及瞬態(tài)失真等幾類。音頻測(cè)量中zui重要的是諧波失真，諧波失真，簡單地說就是聲音信號(hào)經(jīng)音頻設(shè)備重放后多出來的額外的諧波成分。從聽眾的角度看，不同的發(fā)聲物體所發(fā)出的聲音是由不同的基波和諧波構(gòu)成的，聽眾可以根據(jù)聲音的特性分辨出發(fā)聲的物體。如果功率放大器將某種樂器所發(fā)出的樂音（樂音由基波和諧波組成）放大，經(jīng)揚(yáng)聲器放音后，對(duì)基波和各次諧波的波形形狀、幅值和相位均能無失真的重現(xiàn)出來，則可以認(rèn)為是高質(zhì)量的放音；否則，揚(yáng)聲器所放出的聲音聽起來煩躁、別扭，則諧波失真己經(jīng)達(dá)到無法忍受，甚至使人無法分辨發(fā)聲樂器的種類。因此，諧波失真是音頻設(shè)備的重要性能指標(biāo)。  諧波失真的測(cè)量方法有兩種，一種是以正弦信號(hào)輸入待測(cè)設(shè)備，然后分析設(shè)備響應(yīng)信號(hào)的頻率成分，可以得到諧波失真。

另一種更簡單的測(cè)量方法是首先利用帶阻濾波器濾除響應(yīng)信號(hào)中的基頻成分，然后直接測(cè)量剩余信號(hào)的電壓，將其與原響應(yīng)信號(hào)作比較，就可以得到諧波失真。顯然第二種方法得到的諧波失真是THD+N，由于采用了信號(hào)的總電壓值代替了基頻分量電壓值，因此得到的諧波失真比實(shí)際值偏小，且實(shí)際的諧波失真越大，誤差越大。 在實(shí)際的音頻測(cè)量時(shí)，通常在一定的頻率范圍內(nèi)選取若干個(gè)頻率點(diǎn)，分別測(cè)量出各點(diǎn)的諧波失真，然后將各諧波失真數(shù)值以頻率為橫坐標(biāo)連成一條曲線，稱為諧波失真曲線。

四、音頻分析儀器

這里所說的音頻分析儀器是指既能夠測(cè)量話筒、音頻功放、揚(yáng)聲器等各類單一音頻設(shè)備的各種電聲參數(shù)，也能測(cè)試組合音響、調(diào)音臺(tái)等組合音頻設(shè)備的整體性能的分析類儀器。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了可用于測(cè)量音頻設(shè)備的各類分析儀器，例如失真度分析器、頻譜分析儀、頻率計(jì)數(shù)器、交流電壓表、直流電壓表、音頻示波器等。這些基于各種功能電路的機(jī)架式硬件儀器使用簡便、測(cè)量精度較高，目前己經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。音頻設(shè)備生產(chǎn)廠家可以利用音頻分析儀器檢查設(shè)備的性能，發(fā)現(xiàn)存在的缺陷，從而對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造進(jìn)行改進(jìn)，消費(fèi)者也可以利用音頻分析儀器對(duì)設(shè)備進(jìn)行評(píng)估，選擇合適的產(chǎn)品。  以組合音響為例，在評(píng)價(jià)其性能時(shí)常常用到術(shù)語“音色”，所謂音色就是指音響因高次諧波不同而引起的聲音差異。而音響的所謂“平衡感”則是指音響在全頻段重放的量感聽起來自然的程度。音頻分析儀器的作用就是將評(píng)價(jià)設(shè)備各種行業(yè)術(shù)語以各種量化的特征參數(shù)形式表示出來，“音色”所對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)就是諧波失真的測(cè)量，而“平衡感”則涉及到設(shè)備在整個(gè)音頻范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)的分布情況。

一般說來，一臺(tái)功能較為齊全的音頻分析儀器應(yīng)能測(cè)量信號(hào)交直流電壓、信號(hào)頻率、諧波失真、信噪比等參數(shù)。功能強(qiáng)大的音頻分析儀器提供頻譜分析、1/3倍頻程分析、倍頻程分析、聲壓級(jí)測(cè)量等功能。如果要組建音頻分析系統(tǒng)，還需要一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)發(fā)生器作為激勵(lì)信號(hào)源。

五、音頻分析儀器的現(xiàn)狀

早期專業(yè)的音頻分析儀種類很少，在做音頻測(cè)量時(shí)一般是利用萬用電表、頻率計(jì)、示波器及頻譜儀等組合成一套音頻測(cè)試系統(tǒng)。這種測(cè)試系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)多，各環(huán)節(jié)之間接口匹配較為困難，使用起來比較麻煩，測(cè)量結(jié)果往往也不。

近年來出現(xiàn)的音頻分析儀器也與儀器的主流發(fā)展趨勢(shì)一致，朝著高度集成化、智能化的方向發(fā)展，這些儀器集成了復(fù)雜音頻信號(hào)發(fā)生裝置、功率放大裝置等，具備了一些初步的圖形化分析功能，使用戶很容易組建音頻測(cè)量系統(tǒng)。

六、小結(jié)

音頻分析利用時(shí)域分析、頻域分析、失真分析等方法為手段，通過測(cè)量各類音頻參數(shù)來評(píng)價(jià)音頻系統(tǒng)的性能。音頻分析是一種綜合性的分析，涉及到眾多的測(cè)試儀器，對(duì)于普通用戶而言，需要根據(jù)其感興趣的參數(shù)合理的選擇測(cè)試儀器，很難建立完整的音頻測(cè)試分析系統(tǒng)。