前言

为了理解可以使用REW进行的测量,对了解测量原理是有帮助的。本主题概述了信号和测量的基础知识,并解释了如何生成REW中的各种图形,以及它们如何与我们所测量的内容相关。

1. 信号、采样率和分辨率

首先要了解在进行声学测量时的信号。我们感兴趣的信号是通过麦克风或声压计记录的声音。声压在麦克风/仪表中产生电信号,由声卡捕获。声卡测量输入端的电平。每次测量都称为样本。采样频率由采样率控制,REW支持44.1kHz或48kHz的采样率,这意味着声卡每秒在其输入端捕获44100或48000次电平。以48kHz采样的信号的3秒表示3*48000=144000测量值的序列。在任何给定的采样率下,可以捕捉到的最高频率都是该频率的一半——我们需要在每个频率周期中至少有两个采样来重现该频率。在48kHz采样时,这意味着我们可以捕获的最高频率为24kHz。高于一半采样率的频率会导致混叠,它们看起来比实际的要低。例如,以48kHz采样的25kHz信号实际上看起来像23kHz信号。为了防止这种情况,声卡的输入端有抗混叠滤波器,它们试图阻止信号高于可捕获的信号,但它们并不完全有效,因此我们总是需要考虑我们试图捕获的信号的频率内容。

声卡测量的分辨率(bit)通常为16位或24位。16位分辨率与CD上使用的分辨率相同,是REW支持的分辨率。16位分辨率意味着单个测量值的范围可以从-32768到+32767(可以用15个二进制数字表示的数字,再加上16个二进制数字来存储数字的符号)。与其直接使用测量数字,不如根据它们与最大数字(称为满标度,缩写为FS)的接近程度来方便地引用它们。满标度值为-32768和+32767。最小的非零测量值为1,其占满量程的百分比为100(1/32768)或约为0.003%FS。任何比这小的都被声卡视为零。满标度值将对应声卡输入处的特定电压-通常约为1伏。具有更高分辨率的声卡,如24位声卡,通常具有相同的最大输入电压(约1伏),但可以使用更大范围的数字来测量电压。对于24位声卡,满刻度测量值为-8388608和+8388607。这仍然只有1伏(通常),最大的输入电压没有改变,但24位声卡有更高的分辨率-它能检测到的最小值是满标度的100(1/8388608),0.000012%FS。高分辨率的好处是信号最小。满标度值通常被视为对应于1的值,而满标度以下的所有内容都是对应于1的比例,因此半满标度将为0.5,依此类推。

2. 截幅

如果信号大于满标度值,声卡将无法记录信号–无论输入端实际发生了什么,测量值都无法高于满标度。当信号超出范围时,输入端就可以测量到信号被截断。在输入信号中,截幅显示为响应的平坦部分。如果削波发生在声卡输入端,它将在+100%FS或-100%FS处,REW将警告您,但有时削波会在信号到达声卡之前发生(例如,在增益设置过高的麦克风前置放大器中)。在这种情况下,测量值可能永远达不到声卡的FS级,但信号仍然被截断。测量时必须避免削波,因为捕获的信号不再代表在输入端实际发生的情况,这会影响测量的准确性。

3. 信号显示

观察信号的一种方法是根据时间绘制测量值。当捕获的信号在范围图上以REW绘制时,它们显示为%FS,达到100%FS的信号是声卡能够捕获的最大信号。REW范围图的示例如下所示,显示REW已生成的扫描信号和(红色)从麦克风捕获的结果信号。

whisper 麦克风采集音频_采样率

4. 频谱

我们通常不仅仅对样本值感兴趣。构成该信号的频率同样也值得分析。构成信号的频率范围称为其频谱,我们可以使用快速傅立叶变换或FFT来计算它们。FFT计算出一组余弦波的振幅和相位,当这些余弦波加在一起时,将给出与时间信号相同的一组测量值。余弦波的振幅和相位是表示时间信号的一种不同方式,用组成时间信号的频率来表示,而不是用单独的测量值。振幅很容易理解,较大的振幅意味着较大的余弦波。相位表示测量序列中第一个样本时余弦波的起始值。零度相位意味着起始值是振幅cos(0)=振幅。90度的相位意味着振幅cos(90)=0的起始值。我们对振幅比相位更感兴趣,但我们不应该完全忘记相位——它们包含了原始时间信号形状的一半信息。

当使用FFT计算频谱时,它使用一组频率,这些频率从DC(零频率)均匀分布到采样率的一半(可以正确表示的最大值)。间隔取决于我们在FFT中分析的信号长度。当信号长度是16k(16384)、32k(32768)或64k(65536)等2的幂时,FFT计算最有效。为了从采样频率为48kHz的信号中计算64k FFT,我们需要信号的65536/48000秒或1.365s。频率间隔为24000/65536=0.366Hz。如果FFT是从16k个样本中产生的,则频率间隔为1.465Hz。用于生成FFT的样本越少,频率间隔越远,因此频率分辨率越低。对于高频分辨率,我们需要分析长时间的信号。

5. RTA:实时分析

查看时间信号频谱的常用方法是使用实时分析仪(RTA)。RTA显示了构成它正在分析的信号的频率的振幅图。然而,尽管FFT产生均匀间隔频率的信号,RTA将它们按倍频程的分数分组在一起。一个倍频程是倍频程,所以从100Hz到200Hz的范围是一个倍频程。从1kHz到2kHz的跨度也是如此-一个倍频程分数的实际频率跨度越大,频率就越高。对于1/3倍频程的RTA,20Hz时的跨距约为4.6Hz,20kHz时为4.6kHz。对于1/24倍频程的RTA,跨距是1/8宽。在倍频程分数的范围内,许多单独的FFT值可用于产生RTA分配给该频带的单个值。下面是REW RTA的图像,显示1kHz音调的频谱及其失真谐波。

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6. 系统和传递函数

观察信号的频谱有其用途,但我们也对我们使用的设备如何改变信号的频谱感兴趣。系统改变通过它的信号频谱的方式称为系统的传递函数。传递函数由频率响应和相位响应两部分组成。频率响应显示系统如何改变频率的振幅,相位响应显示频率的相位如何改变。一个完整的系统描述需要两个响应,不同的系统可以有相同的频率响应,但它们不同的相位响应可以让我们区分它们。

注意不要混淆系统的频率响应和系统输出的频谱。一个信号的频谱向我们展示了它所包含的频率是由什么组成的。传递函数的频率响应告诉我们系统如何改变信号的频谱。像REW这样的测量软件的目的是测量传递函数,REW的SPL和相位图显示了传递函数的频率和相位响应。频率响应振幅显示为SPL轨迹。下面是房间测量的频率响应(上轨迹,左手轴)和相位响应(下轨迹,右手轴)的曲线图,显示了高达200Hz的跨度。

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