声学测试音频基础:电声测量中的滑频分析

更新:2024-07-20 20:00 发布者IP:183.233.81.70 浏览:0次
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今天我们来深入探讨滑频(GlideSweep)分析的内容。上次我们已经介绍过扫描分析方面的知识,这次我们就把注意力集中到滑频上。
图片不知道大家还记不记得,在讲扫频分析时我们说过,扫频信号是随时间步进式增大的,执行测量也是在每步频率变化之后。滑频测量的过程完全不同。

滑频分析过程


图片滑频信号发出后,经过待测体,我们再接收经待测体发出的信号。下一步则通过 FFT计算出原始信号和接收到的这个信号的频谱。您可以看到频谱的示意图。接着会进行一个叫“逆卷积”的处理。这是个很复杂的数学过程,我们也可以说是将频谱进行了分解。或者换个在数学上不太准确但是更容易想象的说法,叫两个频谱的“互相关”。对两个频谱逆卷积后就得到了脉冲响应,或叫传递函数。有了脉冲响应数据就能得到各种不同的结果。比如电平,相位,失真等等。更美妙的是,我们还能测量更丰富的信息,像运行时间,延迟甚至混响时间 RT60等。所以您会发现,滑频测量完全不同于扫频,使用滑频的时候只要一个短暂的激发信号就能测量非常多的结果。当然,和所有测试类似,在进行滑频测试之前,我们要先设置一些参数。

起止频率


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首先就是起止频率,也就是设置滑频信号的带宽。这项设置主要取决于待测体,测试环境和技术指标。我们建议还是看待测体的性能或者技术指标。如果待测体是扬声器,滑频范围要能覆盖喇叭的共振频率。我们看下面的示意图,这是一款低音喇叭的频率响应,频率从50 Hz 到 2 kHz。但是再看阻抗响应,可以发现这个带宽的起点就在共振频率点附近。要想得到更准确的结果,就要把带宽放宽。您可以看这幅图,我们把起始频率放到了 20Hz,这样才能得到低音喇叭完整的阻抗响应。顺便说一句,共振频率点对计算 ts 参数也很重要。


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滑频周期



另一个重要的设置参数是滑频的周期,也即是它的时长。时间就是金钱,尤其在产线上。测试当然是越快越好。可这个值怎么确定呢?首先它肯定还是取决于待测体性能,还有环境因素。不过经过长期实践我们有一个经验,就是:


  • 如果测试频率是全频带,也就是 20 Hz 到 20 kHz的话,推荐滑频时长至少 1.5 秒到 2 秒,可以先用这个时长做评估测试;

  • 如果起始频率高一点,比如 100 Hz,那可以先用 800毫秒试试,也就是可以用更短的时间。


有了初步测试结果,您就可以进行下一步,优化测量时间,可以用试错法一步一步缩短测量时间。也就是您可以多测量几次,把结果和*开始的对比,只要结果一致,就可以再缩短时间,直到结果出现偏差为止。

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上图就是滑频周期和起始频率的关系,可以明显看出起始频率对测量周期的影响。滑频周期能减小到 0.1 秒,也就是100毫秒。 

声学反射



在声学测试中我们*常遇到的一个问题就是声音的反射。这个有什么好办法来对付吗?一个老办法是对测量结果进行平滑处理,让结果变成平滑的平均值。实践中这个处理一般用1/3倍频程分辨率。这个方法的优点和缺点都很明显,优点是它是*常见的方法,各种技术指标基本都用它作为结果;缺点当然就是不够真实准确。

可以来看一个例子,这是前面提到的那只低音喇叭的频率响应图:

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可以看到曲线抖动很大,有许多尖峰或者谷峰,它们很大程度都是由反射声造成的,所以这个结果并非**** 准确。我们对它进行平滑处理后,曲线就变成了这样:我们在技术指标里看到的都是这样的图。但它却掩盖了一些问题,比如说,之前的某些尖峰说不定就是喇叭本身的呢?他们并非全是反射声。所以不管不平滑还是平滑的曲线都不够准确。

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时间窗



所以我们还有第二种处理反射的办法,就是应用一个时间窗。

这是什么意思呢,我们来解释一下。图中是一个非常常见的声学测试配置,待测体是一只喇叭,他和麦克风放在治具里。

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我们用滑频信号进行测量后,直达声肯定先传到麦克风里,然后从周围反射来的声音也会被麦克风接收。反射可能远不止一次,所有这些都会被算到结果里。它的结果曲线是什么样呢?我们来看看:

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这幅图上面的曲线是时间和能量的关系,下面就是频率响应曲线。从能量时间曲线中可以看出声音传播的情况。第一个峰就是直达声,后面跟着许多的反射声,我们只要把后面传进麦克风的声音都屏蔽掉不就行了。通过时间窗就能很简单的实现,时间窗之后的声音不会被计算进结果里。我们可以得到一个非常漂亮平滑的频响曲线。**重要的是,这个曲线是非常准确的!它不像前面是通过后期处理平均得到的,而是原始数据,能**反映待测体特性。这就是时间窗的作用。不过时间窗有一个不足,就是会让我们丢失低频部分的信息,因为某些低频成分会和反射声一起被滤除了。这是一个缺点或者叫妥协。

消费电子产品测试



滑频信号在电子设备的测量里也能发挥很大的优势。像手机,平板这类设备可以播放音乐但是没有音频输入端,没办法把测试信号接入到待测体上。但我们可以播放存在内存里的信号然后进行分析。这是怎么实现的呢。还是看一个具体例子,现在要测量传输线的性能,但线缆延迟很高,我们通过缆线传输一个信号,但不知道要多久才能收到,对分析仪来说,必须知道测试信号输入的**时间才能同步测量。这和电子设备测量很类似。解决的办法是给滑频信号加一个头文件,头文件是一个特殊信号,由多个正弦波合成,能够被分析仪识别。一旦分析仪检测到头文件信号,就知道滑频信号来了,立刻同步测量,然后得到结果。和上面类似的应用是延迟测量。我们要测量信号延迟,或者说信号在整个链路中的传播时间。这是一个很重要的参数,比如蓝牙耳机,电视会议线路或信号处理设备的表现就受延迟影响。我们*大能测量 20秒延迟,通过闭环测试,仪器知道信号何时产生何时到达,从而计算出延迟。我们后面会演示这个测量。好了,今天的主要内容就是这些,欢迎交流讨论。


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