关于扫描测量您必须知道

扫描(sweep)法是音频测量领域常用的测量方法,它可用于描述待测的输出值随渐变输入参数的变化情况。最常用的渐变输入参数就是标准音频频率宽度 20 Hz - 20 kHz。但扫描法远不止这些。本文将为您介绍和扫描法有关的基本概念,并详细解释各类测量方式,参数和优化技巧。

定义

如果把扫描测量的结果绘制在图表中,那 Y 轴即表示测量结果。图表可根据所测内容加上“响应(response)”一词命名。例如,结果可以叫“振幅响应(amplitude response)”,“阻抗响应(impedance response)”或“相位响应(phase response)”。但这个命名规则有一个例外,那就是“频率响应(frequency response)”。技术上说,频率响应指的是振幅响应和相位响应。不过在日常实践中,频率响应只代表振幅响应。

Frequency response

频率响应

输入信号可以是频率也可以是波幅(X 轴)。惯例是,如果没有特别说明,可以认为频率用作 X 轴输入参数。

下面就来看看扫描输入信号是如何变化,这些变化又是如何参数化的。

滑频(Glide Sweep)
滑频或啁啾声(chirp)是频率随时间对数增大或减小的连续信号。它在起始和终止频率之间创造了覆盖整个测试频率范围的信号。相较于扫频,它的另一个优势是,信号周期可以由用户自行调整而结果不会损失任何频率分辨率。这就为快速测试创造了条件。

GlideSweep

滑频信号

正因为信号的准确周期是设定好的,滑频是作为不经音频测试系统发出而由待测体本身播放的理想测试信号。为了提示测量系统信号即将发出,信号之前会添加一个短促的触发序列。这个方法对于那些没有音频输入接口的待测体非常有用,如智能手机,平板等智能设备。

尽管滑频背后的技术原理已经诞生了数十年,其在音频测量设备内的应用不过几年。因为它需要高性能计算能力作为支撑。

扫频(Stepped Sweep)
在扫频中,输入参数(频率或波幅)以离散的步长增大或减小。每次变化后,分析仪都要等待读数稳定才会切换到下一步。步数的尺度为线性或对数。稳定条件由用户自定义。

因为不同测试体的稳定时间无法预测,扫频周期也无法事先准确设定。

振幅响应或频率响应测量中,扫频已经很大程度被滑频取代。扫频的主要应用是测量系统线性度。这时,测试信号频率不变而幅度变化。可以测得待测体的振幅和失真。这也被称作“振幅扫描(amplitude sweep)”。

Linearity measurement

线性度测量

振幅计权(Amplitude Weighting)
选择频率作为变化的输入参数时,输入信号的振幅谱就可以确定。其可以用于,例如,均衡功放或扬声器以得到一个平坦的电学或声学输出。这个方法既可以使用滑频信号也可以使用扫频信号。

时间扫描(Time Sweep)
在时间扫描中,X 轴表示时间。同样的,Y 轴表示测量值,如振幅。测得值随时间变化而变化。由此可以确定,比如,待测体响应长时间内的变化情况。

列表扫描(Table Sweep)
列表扫描是扫频中非常少用的一种特殊形式。这里的输入信号是从列表中抓取的任意频率和幅度配对。

实践应用

音频声学设备和系统一般在可听域或更宽的范围内运行。这个范围扩展开来又有频率和电平两个维度。因此,对音频和声学系统的测量也一定要测试和评估这两个维度的相关参数。这里用到的基础测量方法就是扫描法。

要进行一次有意义而又精确的测量,需要定义的最重要的两个扫描参数,就是频率或幅度的起点终点以及步数(想测量的点数),或者说测量周期(在滑频测量中可定义)。

声学元件测量
扫描法测量声学元件,如扬声器时,有几个方面需要考虑。除了单位为 dBSPL 的声学频率响应(下图左),阻抗相应(下图右)也很重要。测量的起止频率必须合理选择,不仅要覆盖扬声器的标称频宽,扫描还必须从足够小于共振频率的点开始。

滑频(GlideSweep)周期取决于起始频率。频率越低,机电系统激发的时间就越长。下图的中音扬声器测量中,从 20 Hz 扫至 20 kHz 的信号周期为 1.5 秒。

Frequency response

测量在非自由场环境下进行。反射声以类似抖动的方式体现在频率响应曲线中(绿色曲线)。可以通过对曲线的平滑处理将他们消除(红色曲线)。当然,反射声也可以用添加时间窗的方式排除。

播放设备测量
我们可以认为播放设备缺少信号闭环,比如,不能由音频信号发生器直接输入测试信号给播放设备再由它同时播放出来(没有出入接口)。没有了这个闭环,音频分析仪就无法与测试信号同步。典型播放设备有手机,平板电脑,以及大部分内置扬声器的设备。

对于这些设备,滑频测试信号预先以 wav 或 mp3 格式存储在其内部以便播放和分析。为了克服音频信号发生器和分析仪之间的同步问题,滑频信号中预置了一个短促的触发音,它和滑频信号间的间隔固定,从而可以被分析仪正确识别。

一旦分析仪检测到触发信号,测量立即自动开始。由于滑频信号的周期已知,分析仪能和测试信号精确同步。

下面的视频为您展示了如何通过这种方法分析智能手机扬声器。

音频设备测量
这些设备都带有模拟或数字音频输入和输出,如功放,调音台等。并且,音频信号发生器和分析仪之间,输入和输出是一个闭环。下图范例测量的是一个调音台的麦克风输入级。可听频段的振幅和失真通过一个 20 Hz - 20 kHz,时长 500 毫秒的快速滑频信号测量。输入电平的性能 - 输出电平和失真,则通过一个 -100 dBV 至 -20 dBV 的扫幅信号测量。

Mic input

尤其要注意的是那些具备动态控制能力的系统,如自动增益控制(AGC)或电平限制功能。测试这类系统时,要确保在真正的测量开始前,其已经处于稳定状态,同样可以在扫描信号中添加一个预置音,如让其持续一秒钟。