電腦音頻虛擬儀器的構(gòu)建與使用(一)

1、電腦音頻虛擬儀器的構(gòu)建與使用（一） 作者 楊明海本文已經(jīng)刊登在2004年第一期的電子制作雜志作者特別授權(quán)本站發(fā)表 請勿隨意轉(zhuǎn)載前言近年來電腦虛擬儀器的發(fā)展很快。在飛速發(fā)展的計算機技術(shù)支持下，“軟件即儀器”的理念得到了充分的發(fā)揮。計算機加軟件配合合適的AD/DA界面和傳感器/控制器，就可以完成形形色色的傳統(tǒng)儀器的所有功能，應(yīng)用領(lǐng)域遍及現(xiàn)代科技的各個方面，大有星火燎原之勢。而且由于其成本較低，升級容易換代快，維護簡單，特別是數(shù)據(jù)的采集、分析、管理做到了智能化，大大提高了工作效率，在科研、計量、工控、自控等應(yīng)用上特別受青睞，發(fā)展勢頭已將傳統(tǒng)儀器遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在了后面，并將持續(xù)下去。但是一般的虛擬儀器對于普通

2、電子愛好者來說仍然是太昂貴了，而且由于通用的虛擬儀器要考慮高速信號，往往采用高速低分辨率的AD/DA芯片，一般分辨率只能達(dá)到8至12位，這對于電子愛好者常用的音頻領(lǐng)域恰恰不夠精確。在現(xiàn)代多媒體電腦上，聲卡已經(jīng)成為一個必不可少的重要組成部分，它給我們提供了豐富多彩的視聽娛樂和有聲交流功能，使“多媒體”的名稱名副其實。但是你是否知道，利用聲卡高精度的AD/DA變換界面，加上合適的軟件，就可以構(gòu)成功能十分強大的音頻（超音頻）虛擬儀器呢？并且，如果使用足夠好的聲卡，配合比較簡單的擴展設(shè)備和傳聲器/放大器，再選用本文介紹的軟件，將是目前音頻虛擬儀器的最強、最佳選擇。限于篇幅和時間，本文主要介紹一些原則性

3、的測試方法，期望起到拋磚引玉的作用，給有興趣的愛好者引個路。具體的應(yīng)用還需要大家不斷學(xué)習(xí)、探索，詳細(xì)的軟件應(yīng)用方法將在2004年無線電雜志以及本站連續(xù)刊登介紹。1.聲卡的選擇聲卡擔(dān)負(fù)著模擬信號進出大門的重任，其性能如何，對虛擬儀器的精度有著最直接的影響，因此選擇合適的聲卡是非常有必要的。從分辨率看，一般電腦多媒體聲卡為16位，取樣頻率為44.1/48KHz，而現(xiàn)在的主流中高檔聲卡大多具備了96KHz/24bit的取樣精度，好的專業(yè)聲卡甚至能達(dá)到輸入/輸出兼?zhèn)涞?92KHz/24bit取樣精度。從音頻處理的技術(shù)指標(biāo)看，許多質(zhì)量良好的廉價聲卡已經(jīng)超越了一般模擬儀器，而高檔的專業(yè)聲卡更是具有極其優(yōu)異

4、的指標(biāo)。這也不奇怪，因為專業(yè)聲卡本身就是為專業(yè)的錄音、監(jiān)聽、音頻處理而設(shè)計的，是音頻傳播的門檻，理應(yīng)具有良好的素質(zhì)。例如，頂級的專業(yè)聲卡頻率響應(yīng)可以從幾Hz平坦地延伸到數(shù)十KHz至接近100 KHz，波動在正負(fù)0.1dB以下，噪聲水平在-110dB以下，動態(tài)范圍大于110dB，總諧波失真和互調(diào)失真遠(yuǎn)小于萬分之一，通道分離度能達(dá)到100dB這樣的聲卡已經(jīng)超越了絕大多數(shù)模擬設(shè)備的指標(biāo)，足以應(yīng)付最苛刻的應(yīng)用要求，也足以勝任高精度電腦音頻虛擬儀器的要求，乃至于數(shù)十KHz的超聲波研究。當(dāng)然了，頂級的專業(yè)聲卡價格昂貴，一般相當(dāng)于一套主流電腦的價格，大多數(shù)業(yè)余愛好者不能或不愿承受，但比起模擬測試儀器來說還是

5、便宜很多，而且軟件升級沒有限制。不過近來電腦音頻設(shè)備市場看好，許多專業(yè)聲卡廠家推出了“準(zhǔn)專業(yè)”聲卡進軍多媒體市場，素質(zhì)良好，支持多聲道，價格也便宜很多，用途廣泛，很適合業(yè)余愛好者選用。如果再“摳門”一點，精選百元級優(yōu)質(zhì)聲卡也是可以應(yīng)付一般的聲學(xué)測量的，因為我們知道聲學(xué)測量的瓶頸一般在于傳聲器而不是電路。當(dāng)然這時最好對聲卡模擬電路進行“打摩”如更換運放和輸出電容等，以得到更好的效果。介紹一些具體的聲卡品牌。頂級聲卡首選Lynx Two/Lynx 22,據(jù)筆者所知是目前世界上指標(biāo)最優(yōu)秀的聲卡，價格一千美元左右。類似的其它專業(yè)聲卡有RME，比Lynx還貴（主要因為支持的聲道數(shù)多）。另外如果單為測試用

6、，一些專業(yè)的測試用AD/DA界面設(shè)備也可用（例如Sound Technology公司的產(chǎn)品），不過可能更昂貴，而且功能少，指標(biāo)也未必更強，但好處是可以找到USB接口型的，可配合筆記本電腦使用。這類聲卡可以進行精確的電路測試，如作為其它聲卡、碟機、功放等設(shè)備的輸入輸出參考標(biāo)準(zhǔn)進行測量，聲學(xué)測試更是不在話下。中高檔聲卡包括許多一般的專業(yè)聲卡和高級多媒體聲卡，價位在一兩千元，其中有些是USB接口型的。較好的有Terratec DMX 6Fire 24/96、M-Audio Audiophile 2496、創(chuàng)新Audigy2等。特別說明，Terratec DMX 6Fire 24/96的性能指標(biāo)比較好

7、，而且該公司目前在中國市場的推廣力度大，價格相對合理，服務(wù)有保障；而創(chuàng)新則是多媒體市場的龍頭，游戲和DVD功能出色。這類聲卡可以進行一般的電路測試和比較精確的聲學(xué)測量。中低檔聲卡的型號很多，Terratec、M-Audio、創(chuàng)新等公司都有許多型號，還有許多其他二線公司的產(chǎn)品，一般售價數(shù)百元。有些指標(biāo)相當(dāng)不錯，例如Terratec DMX XFire1024，價格不到200元，44.1/48KHz下的表現(xiàn)甚至可以與不少中高檔多媒體聲卡叫板，只不過不支持24bit/96KHz取樣，聲道數(shù)也少，因而便宜。大家可以從電腦類報刊雜志、網(wǎng)站找到很多有關(guān)的參考資料。低檔聲卡數(shù)不勝數(shù)，這里推薦兩款。其一是創(chuàng)新

8、的VB128或PCI128，核心是一樣的，售價百余元。這款聲卡的特點是音質(zhì)相當(dāng)不錯，可以與中檔聲卡媲美。由于是符號AC97標(biāo)準(zhǔn)的聲卡，采用與核心分離的CODEC（AD/DA芯片），再加一級運放輸出模擬信號，“打摩”的余地不小，可以獲得更好的音質(zhì)。另一款聲卡是CMI8738，售價僅四五十元。這個聲卡很有特點，其音質(zhì)不算很好，但是頻率響應(yīng)特別好，可以與專業(yè)聲卡相比，特別是其能夠處理直流信號的能力更是鶴立雞群，無人可比，具體內(nèi)容見第六節(jié)。另外說明，這兩款“平民”聲卡面世日久，產(chǎn)量極大， 在二手市場很容易找到，只用1/3原價即可買到，性能是一樣的，更是非常超值！2.硬件構(gòu)筑首先提醒大家，要測量可能輸出

9、大于5V信號的設(shè)備（例如功放），一定要對聲卡的輸入端口進行保護，否則一旦輸入過載，極易損壞聲卡。特別是價格昂貴的中高檔聲卡，更應(yīng)該小心保護，以免帶來大的損失。筆者在試驗過程中未加保護時燒壞了好幾塊聲卡，請大家引以為戒！合適的保護措施包括衰減網(wǎng)絡(luò)和過壓抑制，如圖1所示。如果測量電網(wǎng)交流電信號，必須另加隔離電路！圖1圖中的電位器可以用帶刻度的精密電位器，但最好不要用多圈線繞式的，因其電感量大，易使高頻信號衰減嚴(yán)重。最好是用多段開關(guān)配合固定電阻來構(gòu)成，例如用優(yōu)質(zhì)的多段音量電位器。保護二極管最好用2-4V的瞬態(tài)抑制二極管，或穩(wěn)壓管，不推薦普通二極管串聯(lián)的方法，因其高頻特性差。由于工作于交流狀態(tài)，需要兩

10、只反向串聯(lián)。最基本的硬件只要聲卡和輸入輸出信號線就夠了，可以進行一般的線路信號測試。但由于其輸出電平和功率有限，也不能進行聲學(xué)測試，因此一般還需要增加功放電路和傳聲器。如果用專業(yè)的電容傳聲器，就需要特殊的供電電路提供極化電壓，并且需要專門的前置放大電路。圖2給出了基本的電腦音頻測試系統(tǒng)的原理框圖，大家可以參考有關(guān)資料具體設(shè)計其中的每一部分。圖2后面我們會看到，筆者介紹的系統(tǒng)是可以進行脈沖信號測試分析的，因此有合適的脈沖發(fā)生器是需要的，這也是一些價格昂貴的專業(yè)測試系統(tǒng)所必備的功能，很有實用價值。當(dāng)然用軟件產(chǎn)生脈沖信號是可能的，問題是一般的聲卡根本不能正確輸出需要的脈沖，除非你擁有頂級的專業(yè)聲卡，

11、可以輸出近100KHz信號，否則一般的20KHz帶寬根本不夠。我們希望脈沖信號仍然受控于電腦軟件，如圖3所示，用簡單的555定時器電路加過零觸發(fā)電路，將軟件產(chǎn)生的正弦波形作為觸發(fā)輸入即可。脈沖寬度約5uS，即帶寬200KHz。圖3另外需要說明，用于音頻測試的計算機是有要求的，應(yīng)該是配置簡單、性能穩(wěn)定、電磁干擾小的系統(tǒng)，否則難以達(dá)到應(yīng)有的性能指標(biāo)。一般來講音頻測試并不需要很高速的計算機，因此可以用“過期”的低速系統(tǒng)(主頻四五百兆以上，內(nèi)存盡可能大)來構(gòu)建測試平臺，并輔以合理的降噪、隔離、屏蔽措施。這樣的硬件系統(tǒng)可以說是非常簡單的，但它已足以勝任絕大多數(shù)常見的專業(yè)測試系統(tǒng)所能進行的測試項目，其它的

12、工作我們要依賴軟件的強大處理能力。3.軟件“三劍客”簡介目前適合配合聲卡作為音頻虛擬儀器使用的軟件有好多種，其中包括專門為聲卡音頻虛擬儀器設(shè)計的軟件。但筆者只推薦三種軟件：Spectra，Adobe Audition(原CoolEdit)，和RMAA。這三種軟件的共同優(yōu)點是功能強，精度高，數(shù)值特別精確，圖示非常精細(xì)，可以放大到很高倍率，展示出分毫畢現(xiàn)的圖示化分析結(jié)果，完全可以滿足專業(yè)化測量測試的要求，對于業(yè)余應(yīng)用更是綽綽有余。另外，三種軟件中RMAA是免費軟件，另兩種的試用版都可以使用全部功能，而有些功能不咋地的軟件試用版卻設(shè)置種種障礙而無法實用。要知道Adobe Audition 1.0的售

13、價為299美元，而Spectra LAB432的全功能版價值3995美元！對于囊中羞澀的電子愛好者，這種天價軟件的全功能試用版何等可愛！因此它們都非常值得推薦。三種軟件的側(cè)重點不同，各有長處，互為補充，即便是免費的RMAA也具有特有的非常實用的功能，決不可小覷！根據(jù)不同的測試項目選用不同的軟件，將使你擁有一套音頻測試的倚天利劍！根據(jù)筆者的實驗，三種軟件結(jié)合可以完成幾乎所有的常見專業(yè)音頻測試項目，并且自由度更大，可以設(shè)計非常復(fù)雜的測試信號和自由設(shè)計測試過程。不過有些項目的測試操作和計算分析可能比某些專業(yè)的軟硬件系統(tǒng)復(fù)雜些，這當(dāng)然也是可以理解的。先來看Spectra，最高版本Spectra LAB

14、432。這可是身出名門，由著名的惠普公司分離出的Sound Technology公司推出的音頻分析軟件。Spectra LAB即“頻譜分析實驗室”的意思，其主要功能也正是圖示化的頻譜分析，也可以產(chǎn)生常用的測試信號，最大的特色是可以進行三維頻譜分析，為我們進行脈沖響應(yīng)測試分析提供了可能性。再看Adobe Audition，最新版本1.0，2003年8月才發(fā)布。是由Syntrillium公司開發(fā)的CoolEdit Pro2.1變化而來，因為2003年中Syntrillium公司被Adobe公司收購了。CoolEdit的意思是“（音樂）酷編輯”，本來是為錄音和多軌音頻編輯處理而設(shè)計的，但是由于其波形

15、發(fā)生和處理的強大功能，使其可以產(chǎn)生和編輯幾乎任意的波形，因此作為音頻虛擬儀器軟件很合適。最后說說RMAA，即“Right Mark Audio Analyzer”，意即“客觀音頻分析軟件”，是由俄羅斯硬件資訊網(wǎng)站IXBT.com開發(fā)的音頻硬件測試軟件，最新版本5.2，2003年12月8日才發(fā)布。可別小看它是免費軟件，功能可一點不弱，不但可以快速測試頻響、噪聲、動態(tài)范圍、諧波失真、互調(diào)失真、通道分離度等全部項目，更為可貴的是提供了頻響校正、全頻帶諧波失真測試等獨有的功能，使用很方便，十分值得推薦！ 相關(guān)文章:( 3 )電腦音頻虛擬儀器的構(gòu)建與使用（三）(2004-01-20)電腦音頻虛擬儀器的構(gòu)

16、建與使用（二）(2004-01-15)使用RMAA測試聲卡指標(biāo)時的一個誤區(qū)(2003-08-18)電腦音頻虛擬儀器的構(gòu)建與使用（二） 作者 楊明海本文已經(jīng)刊登在2004年第一期的電子制作雜志作者特別授權(quán)本站發(fā)表 請勿隨意轉(zhuǎn)載4. 音頻測試項目簡介4.1. FFT首先介紹一個最重要的概念：FFT，即快速傅立葉變換，上述軟件的許多測試項目都是基于快速傅立葉變換分析的結(jié)果。這是現(xiàn)代電子學(xué)頻譜分析的常規(guī)手段，特別是引入計算機技術(shù)后，更是方便快捷而且直觀精確的不二選擇。簡單講，一般信號波形的記錄都是以時間-幅度相關(guān)的形式直觀表現(xiàn)出來的，稱為時域分析；而快速傅立葉變換就是分析計算信號波形中的頻譜成分強度，

17、將其能量從時間積分，從而得出頻率-能量相關(guān)的形式，稱為頻域分析。注意這里講的是頻率-能量相關(guān)，而非一般認(rèn)為的頻率-幅度相關(guān)，因為傅立葉變換實際上已經(jīng)無法確認(rèn)信號不同頻率間的幅度關(guān)系，而只能計算出其能量關(guān)系。理解這一點對理解快速傅立葉變換分析的結(jié)果很重要，據(jù)筆者所知大部分教科書或工具辭書都沒有講明這一點，軟件的幫助文件也常常做出頻率-幅度相關(guān)的錯誤解釋，所以提請讀者注意。對于完全隨機分布的信號，例如白噪聲、粉紅噪聲，其每一頻段能量平均分布在所有時段，因此與振幅是完全成正比的，故而FFT分析的結(jié)果稱為頻率-幅度關(guān)系也是可以的；但對于那些各頻段能量分布隨時間變化的信號，例如對數(shù)掃頻信號、一般的語音、

18、音樂，就不能這樣理解了，事實上它們的高頻部分振幅與低頻相同或甚至更高，但FFT分析的結(jié)果卻是低于低頻的，因為它們占的時間比例小，這時必須用能量的觀點去理解，否則會令人困惑，這是筆者長時間學(xué)習(xí)和分析思考得出的結(jié)論。在用Spectra和Adobe Audition進行掃頻測試時，上述思路會對我們分析和做結(jié)論有所幫助。例如對數(shù)掃頻的振幅實際是恒定的，但FFT分析的結(jié)果為-3dB/oct衰減（oct：octave，八度音，倍頻程）。4.2. 頻率響應(yīng)測試 頻率響應(yīng)的平直與否直接關(guān)系到重放頻帶的范圍以及重放信號的保真度。對于所有電聲設(shè)備，頻率響應(yīng)無疑是最基本的指標(biāo)，因而成為所有測試項目中最基本的一項。傳

19、統(tǒng)的頻率響應(yīng)測量大多采用掃頻/點頻信號或白噪聲/粉紅噪聲信號，電路測試比較簡單，只需將待測設(shè)備接入回路并調(diào)節(jié)好回路電平即可，聲學(xué)測量大多在專業(yè)消聲室進行。由于消聲室構(gòu)造復(fù)雜投資大而難以普及，近幾十年開發(fā)了許多適用于普通房間環(huán)境的測試方法和測試系統(tǒng)，其基本原理一般都是用一個合適的時間窗口來接受信號，其它時間關(guān)閉以舍去反射的影響。近年來計算機技術(shù)的進步使得復(fù)雜的程序和計算得以快速完成，F(xiàn)FT分析普遍使用?，F(xiàn)在幾乎所有的專業(yè)測試系統(tǒng)都是基于計算機的，大多具有時間窗口功能，可以在普通環(huán)境進行聲學(xué)測試，比較好的系統(tǒng)具有脈沖響應(yīng)FFT分析和前/后沿累積頻譜三維顯示功能，能夠?qū)﹄娐暺鞑牡奶匦赃M行更全面和深刻

20、的反映。這些系統(tǒng)當(dāng)然都是相當(dāng)昂貴的，不過本文介紹的軟件可以完成所有類似的測試項目。先說噪聲測試，即用白噪聲、粉紅噪聲作測試信號。Spectra和Adobe Audition都可以產(chǎn)生精確的噪聲，而RMAA的普通測試模式為一段類白噪聲，頻帶范圍為5Hz至1/2取樣頻率，其實質(zhì)是一系列點頻的混合，在1KHz至10KHz間最密集，而且其高低頻都有衰減，其目的是與實際的音樂頻譜盡量接近，并不是嚴(yán)格的白噪聲。再看掃頻測試。Spectra和Adobe Audition都可以自己定義掃頻特性，特別是Adobe Audition，可以非常自由地產(chǎn)生想要的信號。RMAA的聲學(xué)測量模式為20至20000Hz的對數(shù)

21、掃頻，但與Spectra和Adobe Audition的分析方法有所不同，正常的結(jié)果是完全平直的。脈沖響應(yīng)測試和FFT分析需要Spectra和Adobe Audition配合，也可以稱為“瞬態(tài)響應(yīng)”，放到5.4節(jié)討論。4.3.信噪比信噪比是反映器材質(zhì)量的又一重要指標(biāo)，由器材產(chǎn)生的與輸入信號無關(guān)的信號都是噪聲。信噪比指的是設(shè)備能夠處理的最大信號與噪聲的比值，一般以最大信號為0dB，噪聲用負(fù)分貝值表示，即在最大不失真信號的若干分貝以下，取正值就是信噪比。噪聲大的設(shè)備會將小信號淹沒，丟失許多信號細(xì)節(jié)，因此噪聲應(yīng)該越小越好。噪聲也是有頻帶的，有時可能頻帶很寬，但我們計量時一般只取音頻范圍，而且要用人耳

22、的敏感曲線（A計權(quán)）去均衡，可以得到實用的，也是更好看的噪聲指標(biāo)。例如-120dB的噪聲表示噪聲有效值是最大不失真信號的百萬分之一，差不多是現(xiàn)代聲卡、放大器所能達(dá)到的最好水平。而-80dB 的噪聲表示噪聲有效值是最大不失真信號的一萬分之一，只能算一般水平。噪聲的測量是比較簡單的，只需測量無輸入信號時的輸出電平即可，不過要注意應(yīng)該將設(shè)備的增益調(diào)節(jié)到最大不失真狀態(tài)，否則會給出虛假的高指標(biāo)。這在任何測試系統(tǒng)里都是一樣的。在用FFT分析時可以引入“分段噪聲”的概念，與我們聽音的要求是不一樣的。例如某系統(tǒng)的噪聲是-85dBA，那么一般認(rèn)為-85dB以下的信號就無法還原了。但事情并沒有那么簡單，-85dB

23、A的噪聲到底是由哪些頻段產(chǎn)生的呢？圖4讓我們看一看噪聲頻譜分析的情況。如圖4，這是一個典型的主板集成聲卡的噪聲頻譜，由Adobe Audition分析出的結(jié)果。RMAA測試的結(jié)果為噪聲水平-53.0dBA，可以說是相當(dāng)差的結(jié)果，而且二者是吻合的。由圖中我們可以看出，其噪聲能量大部分分布在300Hz以下，而且主要是由50Hz和75Hz的諧波產(chǎn)生的，可以推斷是交流電源和顯卡的干擾造成的，而其余頻段則能量小得多，到1KHz以上都在-86dB以下。這就是“分段噪聲”的體現(xiàn)。怎么理解上述的分析結(jié)果呢？簡單的辦法就是將上述曲線看作“掩蔽曲線”（峰谷多的地方取峰值頂點連線），凡是頻譜在此曲線以下的信號都是不

24、可能正確還原的，而不是簡單的所有低于-53.0dB的信號。比如在1KHz以上-80dB的信號就可以還原（當(dāng)然質(zhì)量不高），由FFT分析檢測出來，實際上人耳也有類似的檢測能力，只不過由于掩蔽效應(yīng)，靈敏度比計算機的精確FFT分析要低很多。4.4.動態(tài)范圍動態(tài)范圍是指設(shè)備能夠處理的最大信號與最小信號的比值。這個概念容易與“信噪比”的概念混淆，那么二者有什么區(qū)別呢？可以理解，小于噪聲幅度的信號是無法正確還原的，但是有的設(shè)備能夠在無信號或信號特別低時從某些環(huán)節(jié)將噪聲連同小信號切除，從而得出更好的信噪比指標(biāo)（這就是“動態(tài)降噪”的基本原理）。這時實質(zhì)上還是無法正確處理小信號的，而動態(tài)范圍的測量就可以避免這樣的

25、人為優(yōu)化。動態(tài)范圍的測量是用一個小信號（一般用-60dB/1000Hz的正弦波）輸給設(shè)備，然后濾除信號，測量其余頻率的噪聲和諧波水平，再用最大信號與之相比，結(jié)果就是動態(tài)范圍。可以預(yù)見動態(tài)范圍一般要低于信噪比，但在沒有特殊電路或軟件處理噪聲的情況下，一般二者差距不大，可以互相參考。圖5給出了動態(tài)范圍測試的結(jié)果。這里基本沒有產(chǎn)生大于噪聲的諧波，因此動態(tài)范圍和信噪比是基本一樣的。圖5需要指出，測量出的動態(tài)范圍與“理論上”的動態(tài)范圍是不同的。例如現(xiàn)在的數(shù)字音源，大多用數(shù)字信號能夠還原的理論值來標(biāo)注，例如CD的動態(tài)范圍96 dB ，DVD采用24bit記錄能達(dá)到144dB！實際上由于模擬器件的限制，那樣

26、的指標(biāo)是根本不可能實現(xiàn)的，你只需測試一下其噪聲水平就知道了。只不過目前音像節(jié)目后期制作大部分都是用計算機數(shù)字處理的，在許多環(huán)節(jié)的處理過程中用高比特可以盡量避免信號劣化。（實際上甚至可能用48bit量化來處理?。?.5. 總諧波失真THD總諧波失真是指由輸入信號激發(fā)的其它頻率的能量總和，是典型的非線性失真。其測量方法是輸入一個強信號（一般為-3dB/1000Hz，略低于最高值，防止削頂而產(chǎn)生大量諧波），然后測量其余頻率的總能量與信號能量的比值。可以理解，總諧波失真越小，設(shè)備的保真度越高，信號的純度越高。特別對于晶體管電路，其諧波成分大部分為奇次即基波的3、5、7倍，失真大時使聲音發(fā)毛刺耳，很不耐

27、聽，因此該指標(biāo)值越小越好。而電子管電路有些例外，其諧波成分以偶數(shù)為主，結(jié)果使聲音顯得溫暖、甜潤，結(jié)果雖然失真較大卻挺討人喜歡，但這已涉及到人的主觀感受而不是嚴(yán)格的高保真概念了。傳統(tǒng)的測試方法THD只測1000 Hz，這其實是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，許多設(shè)備在不同的頻段THD值差別很大，特別是在電聲測試時，一個頻點根本不可能反映全貌。好在這里介紹的三個軟件都可以方便地改變THD測試信號的頻率并很快得出希望的計算結(jié)果，特別是RMAA的聲學(xué)測量同時附帶全音頻范圍THD測量功能（實際可以單測2、3次諧波，也可以是THD+N，即包含噪聲），可以生成一條THD曲線，如圖6所示為THD+N，直觀地顯示出THD變化的規(guī)律

28、。圖64.6. 互調(diào)失真IMD互調(diào)失真是由兩個頻率互相調(diào)制，相加相減，再加減其結(jié)果而產(chǎn)生的一系列諧波。當(dāng)然了，本來沒有的東西，還是越少越好。有些設(shè)備的頻響很好，但互調(diào)失真很嚴(yán)重，結(jié)果表現(xiàn)為音質(zhì)不好聽。標(biāo)準(zhǔn)的IMD測試常用的測試信號有兩種，分別為250/8020 Hz和60/7000 Hz按4/1的比例混合。與THD測試一樣，軟件的取值范圍是很廣的，可以進行自由的設(shè)置。4.7. 通道分離度通道分離度是指各聲道間互相干擾的隔離能力，也不必多言，當(dāng)然越高越好了。隨著數(shù)字音響系統(tǒng)取代普通磁帶錄放機，數(shù)字環(huán)繞聲代替模擬系統(tǒng)，獲得高的通道分離度已困難不大，關(guān)鍵在于A-D/D-A和模擬電路的性能。電腦音頻虛

29、擬儀器的構(gòu)建與使用（三） 作者 楊明海本文已經(jīng)刊登在2004年第一期的電子制作雜志作者特別授權(quán)本站發(fā)表 請勿隨意轉(zhuǎn)載5. 聲學(xué)測量先解釋一下本文所涉及的兩個概念：音頻測量和聲學(xué)測量。音頻測量是廣義的，一切有關(guān)音頻指標(biāo)的測量都包含在內(nèi)，包括電路測量和聲學(xué)測量；而聲學(xué)測量是指涉及到電聲轉(zhuǎn)換設(shè)備的測量，如揚聲器、音箱、耳機、麥克風(fēng)等的測量。聲學(xué)測量常常需要用到標(biāo)準(zhǔn)的麥克風(fēng)和放大電路，比較專業(yè)化，也比純電路測量要復(fù)雜得多，大多涉及到環(huán)境的影響，因此將其單獨列出來討論。5.1. 揚聲器/音箱阻抗阻抗測試是與一般電路測試類似的電聲測試項目，不需要電聲轉(zhuǎn)換輸入（傳聲器），因此測試也比較方便。測試信號為線性或

30、對數(shù)掃頻，用于計算揚聲器電參數(shù)時可以只取到幾百赫茲的低頻，以便快速完成測試。典型的測試電路如圖7所示，只需要用一臺功放和一只標(biāo)準(zhǔn)電阻接入測試回路即可，即給揚聲器提供一個10mA恒流掃頻信號來記錄其兩端的電壓曲線，從而求得阻抗曲線。用揚聲器阻抗曲線可以計算出幾個重要的參數(shù)，如諧振頻率“Fo”和揚聲器的“Qo”值，即品質(zhì)因數(shù)等。具體的測試原理和計算方法許多書籍和文章都有介紹，但方法有所出入，有些存在缺點和錯誤，得不到精確的結(jié)果。這里介紹一套比較詳細(xì)和精確的計算方法，詳情見下節(jié)。圖7音箱測試與揚聲器測試原理一樣，典型的音箱阻抗曲線如圖8所示。對于目前最常見的倒相式音箱，其低頻揚聲器阻抗特性有一個特點

31、，那就是雙諧振峰。這是由于倒相管的諧振耦合到了揚聲器上，使其除頻率較高的揚聲器振動系統(tǒng)諧振峰外在較低的頻率增加了一個諧振峰。根據(jù)倒相式音箱的設(shè)計理論，當(dāng)兩個峰值相等時倒相管處于正確的諧振狀態(tài)，如果第一諧振峰低，則說明倒相管太細(xì)太長，反之則證明倒相管太粗太短。根據(jù)這一原則，我們可以方便地對音箱倒相管的狀態(tài)進行檢測調(diào)整。圖中給出了一個正確設(shè)計的倒相音箱的低頻阻抗分析曲線，由AdobeAudition生成。當(dāng)然也有雙諧振峰不等而造成特殊效果的設(shè)計，不過無論如何，知道阻抗曲線對了解音箱的低頻特性是有益的。圖85.2. 揚聲器電參數(shù)計算揚聲器的電參數(shù)計算大多是基于自由場測試阻抗曲線得出的，實際只有單峰。

32、這里我們借用一下圖8中的第二諧振峰來說明。計算步驟如下：1）.測量直流阻抗Re。2）.計算諧振峰F0處的阻抗Zmax3）. R0=Zmax/Re4）. Rf=Re/ 5）. 查找F1、F2，分別為曲線上F0前后阻抗等于Rf的點。6）. Qms=F0* /（F2-F1）機械Q值7）. Qes=Qms/（R0-1）電Q值8）. Qts=Qms*Qes/（Qms+Qes） 總Q值這里的Qts就是上節(jié)所述的Qo。揚聲器的另外一個重要參數(shù)是Vas，即等效容積。它對于音箱設(shè)計時快速選定箱體容積非常有用。測試時需要將揚聲器裝在一只小的密閉箱體上，磁體向外，防止影響體積。該箱體的大小應(yīng)使揚聲器諧振頻率提高一半

33、以上，容積為Vt。新的諧振頻率記為Fct。然后用上述公式計算出新的電Q值，記為Qect。Vas=Vt*（Fct*Qect/F0*Qes-1）上式可近似化簡為：Vas=1.15*Vt*（Fct/F0）2-1也可以得到相當(dāng)精確的結(jié)果。如果我們采用可調(diào)容積的測試箱，使Fct/F0固定為1.5，則Vas=1.44*Vt5.3.揚聲器/音箱頻率響應(yīng)如前所述，專業(yè)的揚聲器頻率響應(yīng)測試一般是在消聲室內(nèi)進行的，這對業(yè)余愛好者當(dāng)然是可望而不可即的，那么我們?nèi)绾芜M行測試呢？對于低頻揚聲器，最簡單的方法是近場測試，即將傳聲器放到離揚聲器中心5-10厘米的地方，傳聲器軸線與揚聲器軸線重合進行測量，這時環(huán)境產(chǎn)生的反射和

34、駐波都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于直達(dá)聲強度，可以忽略不計。這對封閉式音箱箱體設(shè)計測試已經(jīng)夠用了。然而對于高頻揚聲器，近場測量是不可取的。因為當(dāng)頻率高到一定程度，波長的1/4與音箱面板尺寸接近或更小時，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的干涉現(xiàn)象，造成嚴(yán)重的頻響峰谷，近場測量根本不能正確反映事實。另外倒相式音箱和多揚聲器系統(tǒng)沒有單一的軸心，也無法進行近場測試。過去幾十年中，許多學(xué)者付出了很大精力研究上述問題的解決辦法，設(shè)計了幾種巧妙的測試方法的測試系統(tǒng)，其中最有效、應(yīng)用最廣泛的就是下節(jié)介紹的瞬態(tài)響應(yīng)測試。這里先給大家介紹一個更容易實現(xiàn)的方案，即余弦猝發(fā)聲。根據(jù)余弦猝發(fā)聲測試的原理，用余弦包絡(luò)的五周正弦波信號驅(qū)動，再用峰值檢波器讀取，就

35、可以消除反射和駐波的影響。而本文介紹的軟件產(chǎn)生和記錄這樣的信號都非常方便，用Adobe Audition生成信號，由Spectra記錄和分析，因其有“峰值保持”功能。圖9給出了一個典型的余弦猝發(fā)聲波形。圖95.4. 揚聲器瞬態(tài)響應(yīng)瀑布圖揚聲器的頻率響應(yīng)是一個重要指標(biāo)，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能反映揚聲器的全部性能。反映揚聲器性能的另外一個重要的指標(biāo)就是瞬態(tài)響應(yīng)。由于揚聲器是一個復(fù)雜的機電模型，有其特殊的慣性特征，并不是信號一來立刻能跟上反應(yīng)，信號一停馬上能停止振動，而是有一個“加速”和“剎車”的過程，這就是揚聲器的瞬態(tài)響應(yīng)特征。在實際工作過程中，由于信號是不斷變化地輸送過來，因此這些“加速”和“剎車”的過程

36、是疊加錯雜的，結(jié)果就是在信號中疊加了一些特別的諧波，這才是不同的揚聲器間風(fēng)格差異很大的主要原因。測量瞬態(tài)響應(yīng)的基本原理，就是測量每一頻率前后沿的衰減特性?？梢韵胍?，這在沒有計算機自動化測試的時代是非常費事而且測量很困難、結(jié)果難以精確的測試項目。在計算機FFT分析得到應(yīng)用后情況完全改觀。由電子頻譜學(xué)的基本原理可知，一個脈沖信號包含了非常廣的頻譜，其低頻下限為脈沖間隔頻率，高頻上限為脈沖寬度的倒數(shù)，例如10微妙的單脈沖即包含了從直流一直到100KHz的頻譜。我們可以認(rèn)為脈沖是在有限頻段內(nèi)各頻率成分間相位完全一致的白噪聲，其特性是基本一樣的。這樣的信號產(chǎn)生和記錄都很方便，而且有一些附帶的優(yōu)點，其一是

37、可以用一個時間窗口來切除反射，其二是可以取任意多個脈沖響應(yīng)來平均以降低噪聲的影響。有了這些特征，脈沖響應(yīng)測試可以在普通環(huán)境中得出基本相當(dāng)于消聲室的測試結(jié)果。脈沖響應(yīng)的FFT分析，即脈沖的前/后沿累積頻譜，一般俗稱“瀑布圖”，因為其形狀確實像山脈、瀑布和水面組成的圖畫，挺“漂亮”的。雖然這個東西比較專業(yè)，不很容易理解，但對于理解電聲器材的性能特征是非常重要的，這里給大家解釋一下。圖10一個典型的脈沖波形記錄如圖10所示，由于是很大的倍率顯示，出現(xiàn)反射前的E點無法顯示出來，圖中只是示意點。所謂“后沿累積頻譜”，就是從脈沖頂點0開始，向后切取到出現(xiàn)反射前的E點，進行FFT分析，得出頻率響應(yīng)曲線；然后

38、將開始點變?yōu)椴ǚ搴蟮?、2、3點，重復(fù)上述過程，得出第1、2、3條余波曲線；這樣不斷變換切取點，直到切取點達(dá)到預(yù)定的延遲時間（例如1毫秒）。當(dāng)然實際的切取間隔要比圖中示意密得多。將這些曲線累積顯示，即得到后沿累積頻譜的三維顯示圖，一個典型的后沿三維累積頻譜如圖11所示。這里脈沖的產(chǎn)生和記錄以及后期的切取處理都是由Adobe Audition完成的，而三維累積頻譜由Spectra LAB完成。圖11從圖中我們可以看到，最后一條頻譜線，即時間位于0毫秒的曲線，就是頻響曲線?？壳暗寞B加上去的曲線都是余波，到0.5毫秒后，大部分余波已經(jīng)降到閥值以下，成為“水面”，但仍然有一些頻率的余波一直持續(xù)到1毫秒

39、以后，如光標(biāo)處約620Hz的地方。這樣的余波對準(zhǔn)確還原音頻信號肯定是不利的，然而目前還沒有能夠不出現(xiàn)長余波的揚聲器，只能采取折衷措施避免太差的響應(yīng)，這也正是揚聲器設(shè)計的難點所在，是揚聲器質(zhì)量差別的關(guān)鍵地方。前沿累積頻譜的測試與上述過程類似，只不過切取點是向前推，時間軸取負(fù)值，實際應(yīng)用的較少見。前/后沿累積頻譜的有效低頻下限是由0點到E點的長度決定的。對于任何信號的FFT分析，其最低頻都是有效信號長度的倒數(shù)，即必需能接收到一個完整的周期，才能完成FFT分析。例如測試時揚聲器和傳聲器距離所有的反射面最近為1.5米，來回共3米，因為聲速為300米/秒，可知反射將在0.01秒后出現(xiàn)，這樣切取后低頻下限

40、就被限制在100Hz。實際使用時一般再將此值提高一倍，得到更加精確可靠的結(jié)果，這也正是一些專業(yè)測試系統(tǒng)的參數(shù)。上圖中低于100Hz的曲線不足取信，不必理會。事實上專門設(shè)計的測試系統(tǒng)是不會顯示低頻下限以下的頻率曲線的。6.直流信號測試我們知道，所謂的音頻信號都是交流信號，那么我們關(guān)心的一些直流信號例如溫度記錄和控制、電壓、濕度、機械壓力、位置等等，能不能用本文介紹的系統(tǒng)來記錄和分析呢？這要從軟硬件兩方面看。首先看軟件，Spectra和Adobe Audition都是具有直流信號記錄、分析的功能的，Adobe Audition還能產(chǎn)生和編輯處理直流信號。但畢竟它們都不是專門的過程測控軟件，有時候有

41、些力不從心，業(yè)余試驗探索一下倒也不妨。不過它們對瞬態(tài)變化的反應(yīng)都不錯，可以記錄和分析像開關(guān)過程、沖擊過程等通常難以捕捉的信號，具有存儲示波器的主要特征，而且更精細(xì)得多，波形的存儲、后期處理和計算都更方便。再看硬件。與通用的虛擬儀器硬件不同，一般的聲卡都是為音頻應(yīng)用而設(shè)計的，理所當(dāng)然不具備直流信號的處理能力。好一些的聲卡能處理低至幾赫茲的信號，比較差的甚至在20Hz就有比較嚴(yán)重的衰減，靠這樣的聲卡去處理直流信號當(dāng)然不行。不過從技術(shù)資料看有些頂極的專業(yè)聲卡可能是具有直流處理能力的，可惜筆者沒條件試驗。不過話說回來，用那樣昂貴的聲卡來“玩”是太奢侈了。那么就沒有合適的聲卡了嗎？幸運得很，經(jīng)筆者多方考

42、察、分析、試驗，找到了一款，而且是幾乎最便宜的PCI聲卡。這就是CMI8738，由臺灣驊訊公司設(shè)計生產(chǎn)，這是筆者所知的唯一能夠輸出/輸入直流信號的聲卡。判斷一款聲卡是否具有直流處理能力，最簡單的辦法就是用Adobe Audition產(chǎn)生一段直流信號，然后用聲卡的內(nèi)部混音端口錄音，如果能完全一致地錄制，則證明具有直流處理能力，反之則不行。當(dāng)然這樣只是證明了聲卡核心的直流處理能力，要實際使用還需要對模擬輸入/輸出部分進行改造，因為一般的聲卡輸入/輸出都帶有隔直電容，不可能正確處理直流信號。圖12給出了CMI8738內(nèi)部混音端口錄制的直流信號波形。圖中光標(biāo)處（約4.8秒處）為信號起始點，其前面為按下

43、錄音按扭后按播放按扭前的等待時間，信號長度為10秒，其后面又跟著一段按停止按扭前的靜音，這些都證明信號是確確實實正確錄制下來的。圖12對于CMI8738，所有的數(shù)字/模擬信號處理都集成在單一芯片內(nèi)，我們只需要將輸入/輸出隔直電容短路即可，實踐證明這樣就可以從外部處理直流信號了。但是有一個問題，這時無信號的地參考電位被記錄在波形負(fù)峰值處，無法記錄和處理負(fù)信號，因為CMI8738的核心參考電位在1/2VCC處（實際上大多數(shù)單電源供電的設(shè)備都是這樣的）。這時我們可以將輸入/輸出的地端斷開，接到一個1/2VCC參考電位上即可，實際用穩(wěn)壓管、基準(zhǔn)電源等都可以。這樣一個廉價而精度相當(dāng)高的直流虛擬儀器硬件就

44、完成了。7.虛擬儀器系統(tǒng)定標(biāo)及計量以上所述都是定性測量，還沒有涉及如何精確計算聲卡測量的數(shù)值。最近在網(wǎng)上看到不少言論，稱聲卡是不能用來測試的，即便是那些頂級聲卡，還有RMAA等軟件測試的結(jié)果是不可靠的。事實果真如此嗎？筆者不敢茍同。誠然，最好的專業(yè)測試系統(tǒng)指標(biāo)是要比頂級聲卡好一點（但差距已經(jīng)不明顯），也不大可能有專業(yè)廠家用聲卡當(dāng)作測試儀器。但專業(yè)測試系統(tǒng)的天價是一般人根本不敢問津的，況且專業(yè)廠家不用聲卡當(dāng)作測試儀器，根本原因是因為沒有配套的接口和標(biāo)準(zhǔn)計量檔位，使用不方便，并不是質(zhì)量達(dá)不到要求。如果用合適的計算機平臺，加上簡單的外部設(shè)備，當(dāng)作測試儀器用是完全可以的，這不也正是我們業(yè)余愛好者可以大

45、展身手的地方嗎？再說軟件。Spectra LAB432的3995美元絕不是白要的！其精確無比的圖示分析恐怕目前難有望其項背的敵手。而RMAA的測試信號是有點特殊，因此有細(xì)微差異也是正常的。筆者使用中發(fā)現(xiàn)三個軟件的測試結(jié)果都相當(dāng)穩(wěn)定，而且可以相互印證！當(dāng)然簡約穩(wěn)定的計算機系統(tǒng)是軟件可靠運行的必要條件。下面我們就看看如何給聲卡虛擬儀器系統(tǒng)定標(biāo)。聲卡輸入輸出時波形電平所對應(yīng)的外部數(shù)值是怎樣的？換句話說，波形輸出后電平多高，錄制的波形電平對應(yīng)多高的電壓？專業(yè)聲卡可以將輸出電平做成標(biāo)準(zhǔn)的0分貝（0.775V）或+4分貝（1.228V）并可以設(shè)置和精確顯示，但一般多媒體聲卡大多做不倒，事實證明不同的聲卡輸入輸出電平是不同的，這點有必要搞清楚，以便于準(zhǔn)確計量和防止過載。由于WINDOWS的音量控制條只能作大概的滑動，不能進行準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)，一般聲卡驅(qū)動程序所帶的音量控制臺也是如此，這在一般放音使用時當(dāng)然不存在什么問題，但要作為計量標(biāo)準(zhǔn)就不行了。因此我們一般將其固定在最大值進行測試，首先測量輸出值，用Adobe Audition 產(chǎn)生一段掃頻正弦波播放，同時用一只精度較高的交流電壓表測量