1 引言
標(biāo)準(zhǔn)音頻測(cè)試主要由經(jīng)典的正弦波激勵(lì)（例如步進(jìn)正弦波、chirp和雙音）主導(dǎo)。盡管如此，多音測(cè)試仍具有許多優(yōu)點(diǎn)，雖然不是新事物，但它常常被忽略或未得到充分利用。
如今，越來(lái)越多的音頻設(shè)備使用無(wú)線連接。不幸的是，這種無(wú)線連接帶來(lái)了傳統(tǒng)有線連接所沒有的新挑戰(zhàn)和新問(wèn)題。對(duì)于這些現(xiàn)代音頻設(shè)備的制造商和設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，音頻測(cè)試和測(cè)量方案需要克服這些問(wèn)題并提供準(zhǔn)確可靠的結(jié)果，這一點(diǎn)至關(guān)重要。
本文介紹了多音測(cè)試以及如何克服無(wú)線連接導(dǎo)致的問(wèn)題。
圖1：多音測(cè)試方法概覽
2 多音測(cè)試
多音測(cè)試已經(jīng)存在多年了，首先它產(chǎn)生由多個(gè)音調(diào)組成的稀疏激勵(lì)信號(hào)，這將在2.1節(jié)中詳細(xì)展開，然后捕獲并分析響應(yīng)。在后處理中，與激勵(lì)信號(hào)對(duì)應(yīng)的激發(fā)頻率處的能量被分離出來(lái)，剩下的部分則包含了音頻系統(tǒng)的失真及所有噪聲。圖1對(duì)該過(guò)程進(jìn)行了描述。
2.1 激勵(lì)信號(hào)
如IEC 60268-21[2]所定義，多音激勵(lì)信號(hào)包括三個(gè)或更多音調(diào)，每個(gè)音調(diào)具有唯一且固定的頻率。如表1所示，多音信號(hào)的波峰系數(shù)比正弦波激勵(lì)大得多。為了比較信號(hào)，可以使用波峰系數(shù)或峰度，而峰度是描述任意給定數(shù)據(jù)點(diǎn)非常接近均值對(duì)比非常遠(yuǎn)離均值的概率的度量值。此兩種情況下，較高的值都表示信號(hào)能量更集中在平均值附近，而不是峰值處。但是，峰度比波峰系數(shù)更可取，因?yàn)榉宥瓤梢愿嬖V信息的相似性，且統(tǒng)計(jì)特征更可靠。表1對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明，其中粉噪的波峰系數(shù)理論上可以是無(wú)限的，但在實(shí)際系統(tǒng)中，總是有一個(gè)上限。但是，實(shí)際系統(tǒng)的波峰系數(shù)并不可靠，因?yàn)樗Q于所分析信號(hào)的峰值，該峰值可能隨時(shí)間變化，并且可能隨捕獲信號(hào)的長(zhǎng)度而變化。當(dāng)比較峰度值和平穩(wěn)度時(shí)，多音激勵(lì)與粉噪非常相似。
表1：幾個(gè)常見音頻測(cè)試激勵(lì)信號(hào)的比較
多音激勵(lì)信號(hào)的偽隨機(jī)性也很重要。對(duì)于類噪聲信號(hào)，頻率分量的相位應(yīng)該是隨機(jī)的。但是，精確的屬性特性基于一些輸入?yún)?shù)（seed parameters），可以確保精確的激勵(lì)信號(hào)可以重復(fù)得到，從而獲得可重復(fù)且可比較的測(cè)量結(jié)果。根據(jù)特定的測(cè)量應(yīng)用，信號(hào)也很靈活。激勵(lì)信號(hào)通常定義在一個(gè)頻率范圍內(nèi)，具有相應(yīng)的幅值和密度，或者分辨率，如每倍頻程的單位音調(diào)。也可以應(yīng)用隨頻率變化的幅度整形曲線，以使其具有例如IEC 60268-21[2]中定義的典型節(jié)目材料的頻譜。
2.2 優(yōu)點(diǎn)
如前所述，多音激勵(lì)的稀疏頻譜特性可以將基波分量與失真分量和噪聲分量分離。因此，無(wú)論是音頻設(shè)備的基波頻率響應(yīng)還是全面失真評(píng)估都可以提取出來(lái)。這種失真測(cè)量包括了諧波和互調(diào)成分，可被認(rèn)為是失真“指紋”。
當(dāng)施加的激勵(lì)信號(hào)有足夠?qū)挼念l率范圍、足夠的密度（例如，每倍頻程≥10個(gè)音調(diào)）和足夠的振幅（大信號(hào)域），則會(huì)激活換能單元的所有非線性，導(dǎo)致典型的加熱和強(qiáng)制對(duì)流冷卻，（如果有的話）還會(huì)激活DSP保護(hù)功能（限幅器、壓縮器等）。
最后，多音測(cè)量帶來(lái)了一些非常棒的實(shí)際好處。它可以在同一測(cè)量中快速評(píng)估音頻設(shè)備的基波響應(yīng)和失真響應(yīng)，還可以用于長(zhǎng)期功率和壽命測(cè)試。當(dāng)用于比較和基準(zhǔn)化不同的音頻設(shè)備時(shí)，與僅使用正弦波測(cè)試相比，它可以提供更加真實(shí)、完整的結(jié)果。IEC60268-21的多個(gè)方面都建議了多音測(cè)試，包括評(píng)定maxSPL、100小時(shí)測(cè)試和輸入校準(zhǔn)[2]。
2.3 缺點(diǎn)
多音測(cè)量的綜合失真評(píng)估給出的失真曲線，其各個(gè)失真分量無(wú)法分離，這意味著諧波成分無(wú)法與互調(diào)區(qū)分開。同樣，偶次和奇次失真分量也無(wú)法區(qū)分，因此無(wú)法找出跡象表明非線性是對(duì)稱的還是非對(duì)稱的。
最后，多音測(cè)量是基于能量的測(cè)量。因此，它對(duì)脈沖失真（也稱為異常音rub&buzz）不是很靈敏。需要靈敏的脈沖失真檢測(cè)，建議進(jìn)行時(shí)域分析[5]。
3 無(wú)線多音測(cè)試
盡管多音測(cè)試的好處顯而易見，但通過(guò)無(wú)線連接測(cè)試現(xiàn)代音頻設(shè)備還是會(huì)產(chǎn)生一些其他問(wèn)題，需要克服這些問(wèn)題才能獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。
3.1 無(wú)線連接問(wèn)題
無(wú)線連接中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題是較大的延遲，這在傳統(tǒng)模擬連接中是不存在的。根據(jù)無(wú)線連接的特定類型和總設(shè)置，延遲可能會(huì)大于0.5秒。雖然恒定和穩(wěn)定的延遲將更易于處理，但無(wú)線連接的延遲可能會(huì)發(fā)生很大變化。M.Liebig先前調(diào)查了7,800次重新初始化過(guò)程后藍(lán)牙音頻連接的延遲，結(jié)果如圖2所示[3]，平均延遲為157毫秒，延遲范圍為62毫秒，這對(duì)應(yīng)于超過(guò)21米范圍的聲音延遲。
圖2：重新初始化后無(wú)線連接到藍(lán)牙耳機(jī)的延遲分布
另一個(gè)問(wèn)題是采樣抖動(dòng)，它是由音頻設(shè)備和測(cè)量設(shè)備的采樣率之間的不匹配產(chǎn)生的。與延遲問(wèn)題相比，這給多音測(cè)試帶來(lái)了更嚴(yán)重的問(wèn)題。在使用模擬連接測(cè)試音頻設(shè)備時(shí)有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)相同的問(wèn)題，如果激勵(lì)發(fā)生器和分析儀捕獲的響應(yīng)不能共享公共時(shí)鐘并且不能完全同步。實(shí)際的結(jié)果是信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致響應(yīng)比激勵(lì)稍短或更長(zhǎng)。如果響應(yīng)比激勵(lì)短，響應(yīng)則包含了更高的頻率（向上移動(dòng)）；同樣，如果響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)于激勵(lì)，響應(yīng)則包含了較低的頻率（向下移動(dòng)）。這會(huì)導(dǎo)致激勵(lì)和響應(yīng)之間的非相關(guān)性，且隨著頻率而增加，從而降低了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。這種動(dòng)態(tài)頻率變換類似于多普勒效應(yīng)的頻率調(diào)制，但是更加隨機(jī)。盡管這會(huì)產(chǎn)生失真，但與幅度調(diào)制不同，它只會(huì)對(duì)感知音質(zhì)產(chǎn)生較小的影響，因?yàn)榉日{(diào)制可能會(huì)引起波動(dòng)和粗糙度[1]。盡管這些影響在聽覺上不太重要，但是如果測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法補(bǔ)償?shù)脑挘瑒t可能掩蓋音頻設(shè)備中更為嚴(yán)重的失真。它們對(duì)基波頻率響應(yīng)的影響較小，但對(duì)失真和相位測(cè)量的影響較大，尤其在高頻（≥1 kHz）時(shí)。
3.2 解決方案
在音頻測(cè)量中，處理延遲并不是一個(gè)新問(wèn)題。例如，必須考慮取決于音頻設(shè)備和麥克風(fēng)之間距離的聲學(xué)延遲。但是，無(wú)線系統(tǒng)中的延遲可能比正常的電學(xué)或聲學(xué)延遲更長(zhǎng)或更易變化。通常，有幾種常規(guī)方法可以處理較長(zhǎng)和變化的延遲。第一種是使用預(yù)循環(huán)，或者在對(duì)應(yīng)于捕獲響應(yīng)的實(shí)際激勵(lì)之前使用激勵(lì)信號(hào)的迭代。如果激勵(lì)信號(hào)的長(zhǎng)度大于預(yù)期的最長(zhǎng)延遲，則單個(gè)預(yù)循環(huán)就足夠了。如果激勵(lì)非常短或延遲很長(zhǎng)，則可以添加更多的預(yù)循環(huán)。像大多數(shù)Klippel模組一樣，Klippel R＆D中多音測(cè)量模塊MTON允許添加預(yù)循環(huán)。克服這些延遲的其他常見方法（產(chǎn)線測(cè)試可能需要更快的方法）包括在信號(hào)的脈沖響應(yīng)中搜索能量峰值，或者使用同步信號(hào)，例如用于Klippel QC（產(chǎn)線終端測(cè)試）的外部同步(SYN:ExternalSynchronization)軟件[3]。
采樣抖動(dòng)在音頻環(huán)境中也不是新鮮事物，因?yàn)樗逃械卮嬖谟谒屑闪藭r(shí)鐘設(shè)備（例如模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器）的音頻系統(tǒng)中。一般在評(píng)估大多數(shù)有線連接的完整電聲系統(tǒng)的音頻質(zhì)量時(shí)，這些影響通常可以忽略不計(jì)。但是，當(dāng)使用無(wú)線連接時(shí)，這些影響會(huì)變得更加嚴(yán)重，并可能會(huì)破壞測(cè)量結(jié)果。避免長(zhǎng)時(shí)測(cè)量是個(gè)良好的實(shí)踐，因?yàn)榧?lì)和響應(yīng)之間的相關(guān)性通常會(huì)隨著時(shí)間而變差。另外，應(yīng)該避免取平均值，因?yàn)椴蓸佣秳?dòng)會(huì)隨時(shí)間變化，也就意味著連續(xù)響應(yīng)不太可能具有完全相同的時(shí)鐘關(guān)系，從而產(chǎn)生采樣抖動(dòng)效應(yīng)。然而，即使避免了長(zhǎng)時(shí)測(cè)量和平均，結(jié)果可能仍然不準(zhǔn)確，我們需要一種更穩(wěn)健的技術(shù)來(lái)可靠準(zhǔn)確地克服采樣抖動(dòng)的影響。Klippel的MTON通過(guò)實(shí)現(xiàn)“時(shí)鐘漂移容差（Clock Drift Tolerance）”功能解決了這一問(wèn)題。通過(guò)激活此功能，可以正確識(shí)別并從失真分量分離出基波分量，可避免由采樣抖動(dòng)而產(chǎn)生拖尾效應(yīng)，這樣可提供準(zhǔn)確的基波頻率和總失真響應(yīng)。圖3顯示了通過(guò)無(wú)線連接在一款藍(lán)牙音頻設(shè)備上使用MTON進(jìn)行多音測(cè)量的不同處理的失真曲線。紅色曲線不能補(bǔ)償采樣抖動(dòng)，無(wú)線連接引起的頻率調(diào)制被解讀為失真。藍(lán)色曲線啟用了“時(shí)鐘漂移容差”功能，可以正確識(shí)別音頻設(shè)備中揚(yáng)聲器產(chǎn)生的主要失真，并且與通過(guò)有線（模擬電纜）輸入連接測(cè)得的音頻設(shè)備的失真沒有區(qū)別。
圖3：一款無(wú)線連接藍(lán)牙音頻設(shè)備的多音測(cè)量的響應(yīng)曲線：
藍(lán)色為正確處理的結(jié)果，紅色為錯(cuò)誤處理的結(jié)果。
4 結(jié)論
多音測(cè)試具有許多優(yōu)點(diǎn)，是評(píng)估整體性能和音質(zhì)的快速而強(qiáng)大的工具。由于現(xiàn)代音頻設(shè)備的無(wú)線特性日漸豐富，因此音頻測(cè)試和測(cè)量解決方案必須能夠可靠地克服無(wú)線連接所產(chǎn)生的問(wèn)題。Klippel的MTON可以快速、準(zhǔn)確地評(píng)估音頻設(shè)備的基波和失真響應(yīng)，即使使用的無(wú)線連接具有較長(zhǎng)且變化的延遲和采樣抖動(dòng)。
Klippel有大量免費(fèi)的可用信息，這些信息涉及多音測(cè)試、無(wú)線連接測(cè)試、基準(zhǔn)測(cè)試等等。請(qǐng)參見參考資料中的幾個(gè)相關(guān)鏈接，包括應(yīng)用筆記、網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)和測(cè)量模組。
文獻(xiàn)
[1]E. Zwicker, H. Fastl, (1999)“Psychoacoustics – Facts and Models”. Springer, Berlin, ISBN 3-540-65063-6
[2] IEC 60268-21 Sound System Equipment – Part 21: Acoustical (OutputBased) Measurements, IEC: 2018
[3] Liebig, Marian. (2017, January). Challenges of Testing MobileDevices and Mobile Testing. Voice Coil,30(3), 8–13.
[4] R.Schwenke, “A New Signal for Measuring Loudspeaker Maximum Linear SPL”, SMPTE2019 Annual Technical Conference, Los Angeles, October 2019 (submitted).
[5] W. Klippel, “Measurement of Impulsive Distortion, Rub and Buzz andother Disturbances, “presented at the 114th convention of the AudioEng. Soc. (March 1 2003), preprint 5734.
