声学测试音频基础:扫描分析的基本概念

2024-11-04 20:00 183.233.81.70 1次
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扫描法是音频测量领域常用的测量方法,它可以用来描述待测的输出值随渐变输入参数的变化情况。很明显,当我们想确定某个设备,比如说,扬声器,麦克风,功放等的性能或者特性的时候,就需要在它工作的整个频率范围内进行考察,而不是只测量一个或者几个频率。
为了对设备进行分析,我们必须记录它在一定频率或电平范围内的表现。这就是扫描测量的作用。 图片比如说,我们可以测量频率响应,检测可听音是否正常,像测量扬声器的失真或异音就是这个目的。还有相位,串音相关的分析。当然也有一般的测量,比如功率与输入电平,功率与频率的关系等。


避免歧义



有一点需要注意,就是我们说扫描测量的时候,一定要注意用词准确,以免有歧义或者造成误会。*常说的是频率响应,也就是测量声压级/电平 Y轴与频率 X 轴的关系。还有失真响应,测量的是 Y 轴的失真和 X轴频率的关系。第三个例子是 Y 轴的失真和 X轴功率的关系,这个功率可以是功放的输出功率。*后一个例子是,当说到“线性度”测量的时候,我们测量的是设备输出电平和输入电平的关系,这通常使用在功放测量当中。线性度测量一般都用振幅扫描。后面我们会介绍。我们把扫描的类型分成两种。一种是步进制扫描,一种是连续扫描。

步进制扫描



下图可以看到,步进制扫描又有四种类别。是频率扫描,也就是*常用的扫频,测量过程中,信号发生器输出的频率是按一定的间隔增大的。示意图a) 中共有三段频率。而在分析仪那边,我们就可以测量待测体的输出情况。另一个相似但有点另类的扫描是列表扫描b)。列表扫描测量中我们不单单改变频率,还会改变电平,他们变化的顺序由用户自己定义。也就是说,我们可以根据需要,一步一步增加频率,也可以一步步减小频率。振幅扫描 c)有一个固定的频率,变化的是待测体输入信号的电平,也就是信号发生器输出的电平。第四种称作时间扫描d)。时间扫描实际上就是监测待测体性能随时间变化的情况。比如每隔一段时间就测量一次,这个时间由用户自定义,0.5 秒或者 1秒都可以。

连续扫描



看看另一大类,也就是连续扫描,因为这里连续变化的是频率,我们一般称它为滑频,它与扫频相对应,核心特点就是,频率变化是连续的,没有步长或者说间隔。因为频率连续变化,滑频有很多优势。*重要的一点是,因为频率间没有间隔,我们能测量所有的频率点,无论对哪个点感兴趣,都能从结果中反映出来;滑频非常快,比扫频要快得多。可以事先设置好时长,在测量前就可以确定测量时间。第三点是,滑频对驻波不敏感。这是什么意思呢,有时候我们会在一间房间里进行声学测量,因为声反射,房间内会形成驻波效应,干扰正常的测量。但与扫频相比,因为输出频率是连续变化的,产生驻波的风险低得多。滑频当然也有缺点。就是无法测量总谐波失真加噪声,测量谐波失真是没问题的,但没法测量噪声成分。也没法测量互调失真IMD。

扫频和滑频



我们来近距离看看扫频和滑频的不同。扫频时,分析仪会对每一个频率进行同步测量相应结果,从而得到了一个步进的结果图。而滑频的测量只需一次激发,分析仪可以采集全部信号并计算出需要的结果。上图是一个简化的对比。很明显,使用滑频分析的时候,分析仪必须有滑频信号的信息才能计算结果。通过不同的参数,我们也能对比这两种测量类型。先来看看分辨率,也就是每次能扫描到的点数。对于扫频测量,我们必须事先在信号发生器中设置好点数。有一点很重要,就是点数越多,扫频测量时间越长。而滑频是在分析仪一侧计算点数,分辨率和测量时间就没有关系。再看信号发生器输出的计权,两者都是一样的。这是什么意思呢?假设我们想测一个喇叭,为了保证测量准确,必须给出一个完全平坦的测试信号,但我们知道功放肯定不可能是完美的,它会让信号产生波动。这时候我们可以让原始信号有一个的波动,把功放造成的波动抵消掉,这样一来就得到了完全平坦的测试信号。还有一项是分析外部生成信号的能力,这个信号不是由仪器自身发出的,可能是待测体自己播放或者的信号发生器发出的。不管怎么说,两种测试类型都能应付这种情况。还有就是分析仪工作过程的不同。扫频测量会不停地处理分析收到的信号执行测量。而滑频则需要事先设置好量程,或者说分析仪的灵敏度。*后,如果我们想对测得的数据进行计权,比如 A计权,两种扫描类型也是同样支持的。

振幅扫描



简单介绍一下振幅扫描。振幅扫描的信号电平会按照一定间隔增大,这个信号被灌入待测体,再被分析仪测量。比如我们可以测量待测体的输出电平,这样就得到了线性度,输入电平和输出电平的线性度越高,这台功放就越好。
还可以测量待测体的输出功率,或者输出信号的失真。


时间扫描



时间扫描就是为了验证待测体长时间工作的可靠性。我们可以确定功放或扬声器的长期稳定性,或者机械的振动情况。我们可以看看下面的图片。

图中有一台功放和十二面体声源,我们记录了它一个小时的输出声压级数据。随着两台设备温度的升高,输出功率会慢慢变小,从数据上能很明显反映出来。还有音频压缩器,它会不断地将自己的输出信号拉回到绿色框限以内,我们给它一个输入信号,压缩器立刻将信号电平降低了,如果突然将输入信号电平减小,它又会放大信号。要分析它的性能,我们也需要用到时间扫描。




如何选择



这里有一个决策矩阵,方便你根据自己的应用选择不同的测量方案。当然,这里只列出了大家关注的几个指标。
是测量时间,如果您追求快速测量,那就直接选滑频,根据不同的待测体,滑频一般只需要几百毫秒到三秒就能完成全部测量。而扫频则可能要几秒到几十秒。如果您要测量 THD+N或者互调失真,就要用扫频了。功放线性度测试肯定要用振幅扫描;列表扫描一般是以扫频的形式执行的,有时候也可以用滑频。比如您要测的设备有明确的规格书,要求您测试具体哪些频率点,很可能这些频率点不在标准的扫频频率覆盖范围以内,这时候您要么就用列表扫描,或者从滑频测量结果中也能找到这些频率点。


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