近年來(lái)電腦虛擬儀器的發(fā)展很快。在飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)支持下，“軟件即儀器”的理念得到了充分的發(fā)揮。計(jì)算機(jī)加軟件配合合適的AD/DA界面和傳 感器/控制器，就可以完成形形色色的傳統(tǒng)儀器的所有功能，應(yīng)用領(lǐng)域遍及現(xiàn)代科技的各個(gè)方面，大有星火燎原之勢(shì)。而且由于其成本較低，升級(jí)容易換代快，維護(hù) 簡(jiǎn)單，特別是數(shù)據(jù)的采集、分析、管理做到了智能化，大大提高了工作效率，在科研、計(jì)量、工控、自控等應(yīng)用上特別受青睞，發(fā)展勢(shì)頭已將傳統(tǒng)儀器遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在了后 面，并將持續(xù)下去。

但是一般的虛擬儀器對(duì)于普通電子愛(ài)好者來(lái)說(shuō)仍然是太昂貴了，而且由于通用的虛擬儀器要考慮高速信號(hào)，往往采用高速低分辨率的AD/DA芯片，一般分辨率只能達(dá)到8至12位，這對(duì)于電子愛(ài)好者常用的音頻領(lǐng)域恰恰不夠精確。

在現(xiàn)代多媒體電腦上，聲卡已經(jīng)成為一個(gè)必不可少的重要組成部分，它給我們提供了豐富多彩的視聽(tīng)娛樂(lè)和有聲交流功能，使“多媒體”的名稱名副其實(shí)。但 是你是否知道，利用聲卡高精度的AD/DA變換界面，加上合適的軟件，就可以構(gòu)成功能十分強(qiáng)大的音頻（超音頻）虛擬儀器呢？并且，如果使用足夠好的聲卡， 配合比較簡(jiǎn)單的擴(kuò)展設(shè)備和傳聲器/放大器，再選用本文介紹的軟件，將是目前音頻虛擬儀器的最強(qiáng)、最佳選擇。

限于篇幅和時(shí)間，本文主要介紹一些原則性的測(cè)試方法，期望起到拋磚引玉的作用，給有興趣的愛(ài)好者引個(gè)路。具體的應(yīng)用還需要大家不斷學(xué)習(xí)、探索，詳細(xì)的軟件應(yīng)用方法將在2004年《無(wú)線電》雜志以及本站連續(xù)刊登介紹。

1.聲卡的選擇

聲卡擔(dān)負(fù)著模擬信號(hào)進(jìn)出大門(mén)的重任，其性能如何，對(duì)虛擬儀器的精度有著最直接的影響，因此選擇合適的聲卡是非常有必要的。

從分辨率看，一般電腦多媒體聲卡為16位，取樣頻率為44.1/48KHz，而現(xiàn)在的主流中高檔聲卡大多具備了96KHz/24bit的取樣精度，好的專業(yè)聲卡甚至能達(dá)到輸入/輸出兼?zhèn)涞?92KHz/24bit取樣精度。

從音頻處理的技術(shù)指標(biāo)看，許多質(zhì)量良好的廉價(jià)聲卡已經(jīng)超越了一般模擬儀器，而高檔的專業(yè)聲卡更是具有極其優(yōu)異的指標(biāo)。這也不奇怪，因?yàn)閷I(yè)聲卡本身 就是為專業(yè)的錄音、監(jiān)聽(tīng)、音頻處理而設(shè)計(jì)的，是音頻傳播的門(mén)檻，理應(yīng)具有良好的素質(zhì)。例如，頂級(jí)的專業(yè)聲卡頻率響應(yīng)可以從幾Hz平坦地延伸到數(shù)十KHz至 接近100 KHz，波動(dòng)在正負(fù)0.1dB以下，噪聲水平在-110dB以下，動(dòng)態(tài)范圍大于110dB，總諧波失真和互調(diào)失真遠(yuǎn)小于萬(wàn)分之一，通道分離度能達(dá)到 100dB……這樣的聲卡已經(jīng)超越了絕大多數(shù)模擬設(shè)備的指標(biāo)，足以應(yīng)付最苛刻的應(yīng)用要求，也足以勝任高精度電腦音頻虛擬儀器的要求，乃至于數(shù)十KHz的超 聲波研究。

當(dāng)然了，頂級(jí)的專業(yè)聲卡價(jià)格昂貴，一般相當(dāng)于一套主流電腦的價(jià)格，大多數(shù)業(yè)余愛(ài)好者不能或不愿承受，但比起模擬測(cè)試儀器來(lái)說(shuō)還是便宜很多，而且軟件升級(jí)沒(méi)有限制。

不過(guò)近來(lái)電腦音頻設(shè)備市場(chǎng)看好，許多專業(yè)聲卡廠家推出了“準(zhǔn)專業(yè)”聲卡進(jìn)軍多媒體市場(chǎng)，素質(zhì)良好，支持多聲道，價(jià)格也便宜很多，用途廣泛，很適合業(yè)余愛(ài)好者選用。

如果再“摳門(mén)”一點(diǎn)，精選百元級(jí)優(yōu)質(zhì)聲卡也是可以應(yīng)付一般的聲學(xué)測(cè)量的，因?yàn)槲覀冎缆晫W(xué)測(cè)量的瓶頸一般在于傳聲器而不是電路。當(dāng)然這時(shí)最好對(duì)聲卡模擬電路進(jìn)行“打摩”如更換運(yùn)放和輸出電容等，以得到更好的效果。

介紹一些具體的聲卡品牌。頂級(jí)聲卡首選Lynx Two/Lynx 22,據(jù)筆者所知是目前世界上指標(biāo)最優(yōu)秀的聲卡，價(jià)格一千美元左右。類(lèi)似的其它專業(yè)聲卡有RME，比Lynx還貴（主要因?yàn)橹С值穆暤罃?shù)多）。另外如果單 為測(cè)試用，一些專業(yè)的測(cè)試用AD/DA界面設(shè)備也可用（例如Sound Technology公司的產(chǎn)品），不過(guò)可能更昂貴，而且功能少，指標(biāo)也未必更強(qiáng)，但好處是可以找到USB接口型的，可配合筆記本電腦使用。這類(lèi)聲卡可以 進(jìn)行精確的電路測(cè)試，如作為其它聲卡、碟機(jī)、功放等設(shè)備的輸入輸出參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，聲學(xué)測(cè)試更是不在話下。

中高檔聲卡包括許多一般的專業(yè)聲卡和高級(jí)多媒體聲卡，價(jià)位在一兩千元，其中有些是USB接口型的。較好的有Terratec DMX 6Fire 24/96、M-Audio Audiophile 2496、創(chuàng)新Audigy2等。特別說(shuō)明，Terratec DMX 6Fire 24/96的性能指標(biāo)比較好，而且該公司目前在中國(guó)市場(chǎng)的推廣力度大，價(jià)格相對(duì)合理，服務(wù)有保障；而創(chuàng)新則是多媒體市場(chǎng)的龍頭，游戲和DVD功能出色。這 類(lèi)聲卡可以進(jìn)行一般的電路測(cè)試和比較精確的聲學(xué)測(cè)量。

中低檔聲卡的型號(hào)很多，Terratec、M-Audio、創(chuàng)新等公司都有許多型號(hào)，還有許多其他二線公司的產(chǎn)品，一般售價(jià)數(shù)百元。有些指標(biāo)相當(dāng)不 錯(cuò)，例如Terratec DMX XFire1024，價(jià)格不到200元，44.1/48KHz下的表現(xiàn)甚至可以與不少中高檔多媒體聲卡叫板，只不過(guò)不支持24bit/96KHz取樣，聲 道數(shù)也少，因而便宜。大家可以從電腦類(lèi)報(bào)刊雜志、網(wǎng)站找到很多有關(guān)的參考資料。

低檔聲卡數(shù)不勝數(shù)，這里推薦兩款。其一是創(chuàng)新的VB128或PCI128，核心是一樣的，售價(jià)百余元。這款聲卡的特點(diǎn)是音質(zhì)相當(dāng)不錯(cuò)，可以與中檔聲 卡媲美。由于是符號(hào)AC’97標(biāo)準(zhǔn)的聲卡，采用與核心分離的CODEC（AD/DA芯片），再加一級(jí)運(yùn)放輸出模擬信號(hào)，“打摩”的余地不小，可以獲得更好 的音質(zhì)。另一款聲卡是CMI8738，售價(jià)僅四五十元。這個(gè)聲卡很有特點(diǎn)，其音質(zhì)不算很好，但是頻率響應(yīng)特別好，可以與專業(yè)聲卡相比，特別是其能夠處理直 流信號(hào)的能力更是鶴立雞群，無(wú)人可比，具體內(nèi)容見(jiàn)第六節(jié)。另外說(shuō)明，這兩款“平民”聲卡面世日久，產(chǎn)量極大， 在二手市場(chǎng)很容易找到，只用1/3原價(jià)即可買(mǎi)到，性能是一樣的，更是非常超值！

2.硬件構(gòu)筑

首先提醒大家，要測(cè)量可能輸出大于5V信號(hào)的設(shè)備（例如功放），一定要對(duì)聲卡的輸入端口進(jìn)行保護(hù)，否則一旦輸入過(guò)載，極易損壞聲卡。特別是價(jià)格昂貴 的中高檔聲卡，更應(yīng)該小心保護(hù)，以免帶來(lái)大的損失。筆者在試驗(yàn)過(guò)程中未加保護(hù)時(shí)燒壞了好幾塊聲卡，請(qǐng)大家引以為戒！合適的保護(hù)措施包括衰減網(wǎng)絡(luò)和過(guò)壓抑 制，如圖1所示。如果測(cè)量電網(wǎng)交流電信號(hào)，必須另加隔離電路！

圖1

圖中的電位器可以用帶刻度的精密電位器，但最好不要用多圈線繞式的，因其電感量大，易使高頻信號(hào)衰減嚴(yán)重。最好是用多段 開(kāi)關(guān)配合固定電阻來(lái)構(gòu)成，例如用優(yōu)質(zhì)的多段音量電位器。保護(hù)二極管最好用2-4V的瞬態(tài)抑制二極管，或穩(wěn)壓管，不推薦普通二極管串聯(lián)的方法，因其高頻特性 差。由于工作于交流狀態(tài)，需要兩只反向串聯(lián)。

最基本的硬件只要聲卡和輸入輸出信號(hào)線就夠了，可以進(jìn)行一般的線路信號(hào)測(cè)試。但由于其輸出電平和功率有限，也不能進(jìn)行聲學(xué)測(cè)試，因此一般還需要增加功放電路和傳聲器。如果用專業(yè)的電容傳聲器，就需要特殊的供電電路提供極化電壓，并且需要專門(mén)的前置放大電路。

圖2給出了基本的電腦音頻測(cè)試系統(tǒng)的原理框圖，大家可以參考有關(guān)資料具體設(shè)計(jì)其中的每一部分。

圖2

后面我們會(huì)看到，筆者介紹的系統(tǒng)是可以進(jìn)行脈沖信號(hào)測(cè)試分析的，因此有合適的脈沖發(fā)生器是需要的，這也是一些價(jià)格昂貴的 專業(yè)測(cè)試系統(tǒng)所必備的功能，很有實(shí)用價(jià)值。當(dāng)然用軟件產(chǎn)生脈沖信號(hào)是可能的，問(wèn)題是一般的聲卡根本不能正確輸出需要的脈沖，除非你擁有頂級(jí)的專業(yè)聲卡，可 以輸出近100KHz信號(hào)，否則一般的20KHz帶寬根本不夠。

我們希望脈沖信號(hào)仍然受控于電腦軟件，如圖3所示，用簡(jiǎn)單的555定時(shí)器電路加過(guò)零觸發(fā)電路，將軟件產(chǎn)生的正弦波形作為觸發(fā)輸入即可。脈沖寬度約5uS，即帶寬200KHz。

圖3

另外需要說(shuō)明，用于音頻測(cè)試的計(jì)算機(jī)是有要求的，應(yīng)該是配置簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、電磁干擾小的系統(tǒng)，否則難以達(dá)到應(yīng)有的性能 指標(biāo)。一般來(lái)講音頻測(cè)試并不需要很高速的計(jì)算機(jī)，因此可以用“過(guò)期”的低速系統(tǒng)(主頻四五百兆以上，內(nèi)存盡可能大)來(lái)構(gòu)建測(cè)試平臺(tái)，并輔以合理的降噪、隔 離、屏蔽措施。

這樣的硬件系統(tǒng)可以說(shuō)是非常簡(jiǎn)單的，但它已足以勝任絕大多數(shù)常見(jiàn)的專業(yè)測(cè)試系統(tǒng)所能進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)目，其它的工作我們要依賴軟件的強(qiáng)大處理能力。

3.軟件“三劍客”簡(jiǎn)介

目前適合配合聲卡作為音頻虛擬儀器使用的軟件有好多種，其中包括專門(mén)為聲卡音頻虛擬儀器設(shè)計(jì)的軟件。但筆者只推薦三種軟件：Spectra，Adobe Audition(原CoolEdit)，和RMAA。

這三種軟件的共同優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)，精度高，數(shù)值特別精確，圖示非常精細(xì)，可以放大到很高倍率，展示出分毫畢現(xiàn)的圖示化分析 結(jié)果，完全可以滿足專業(yè)化測(cè)量測(cè)試的要求，對(duì)于業(yè)余應(yīng)用更是綽綽有余。另外，三種軟件中RMAA是免費(fèi)軟件，另兩種的試用版都可以使用全部功能，而有些功 能不咋地的軟件試用版卻設(shè)置種種障礙而無(wú)法實(shí)用。要知道Adobe Audition 1.0的售價(jià)為299美元，而Spectra LAB432的全功能版價(jià)值3995美元！對(duì)于囊中羞澀的電子愛(ài)好者，這種天價(jià)軟件的全功能試用版何等可愛(ài)！因此它們都非常值得推薦。

三種軟件的側(cè)重點(diǎn)不同，各有長(zhǎng)處，互為補(bǔ)充，即便是免費(fèi)的RMAA也具有特有的非常實(shí)用的功能，決不可小覷！根據(jù)不同的測(cè)試項(xiàng)目選用不同的軟件，將使你擁有一套音頻測(cè)試的倚天利劍！

根據(jù)筆者的實(shí)驗(yàn)，三種軟件結(jié)合可以完成幾乎所有的常見(jiàn)專業(yè)音頻測(cè)試項(xiàng)目，并且自由度更大，可以設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的測(cè)試信號(hào)和自由設(shè)計(jì)測(cè)試過(guò)程。不過(guò)有些項(xiàng)目的測(cè)試操作和計(jì)算分析可能比某些專業(yè)的軟硬件系統(tǒng)復(fù)雜些，這當(dāng)然也是可以理解的。

先來(lái)看Spectra，最高版本Spectra LAB432。這可是身出名門(mén)，由著名的惠普公司分離出的Sound Technology公司推出的音頻分析軟件。Spectra LAB即“頻譜分析實(shí)驗(yàn)室”的意思，其主要功能也正是圖示化的頻譜分析，也可以產(chǎn)生常用的測(cè)試信號(hào)，最大的特色是可以進(jìn)行三維頻譜分析，為我們進(jìn)行脈沖響 應(yīng)測(cè)試分析提供了可能性。

再看Adobe Audition，最新版本1.0，2003年8月才發(fā)布。是由Syntrillium公司開(kāi)發(fā)的CoolEdit Pro2.1變化而來(lái)，因?yàn)?003年中Syntrillium公司被Adobe公司收購(gòu)了。CoolEdit的意思是“（音樂(lè)）酷編輯”，本來(lái)是為錄音 和多軌音頻編輯處理而設(shè)計(jì)的，但是由于其波形發(fā)生和處理的強(qiáng)大功能，使其可以產(chǎn)生和編輯幾乎任意的波形，因此作為音頻虛擬儀器軟件很合適。

最后說(shuō)說(shuō)RMAA，即“Right Mark Audio Analyzer”，意即“客觀音頻分析軟件”，是由俄羅斯硬件資訊網(wǎng)站IXBT.com開(kāi)發(fā)的音頻硬件測(cè)試軟件，最新版本5.2，2003年12月8日 才發(fā)布?？蓜e小看它是免費(fèi)軟件，功能可一點(diǎn)不弱，不但可以快速測(cè)試頻響、噪聲、動(dòng)態(tài)范圍、諧波失真、互調(diào)失真、通道分離度等全部項(xiàng)目，更為可貴的是提供了 頻響校正、全頻帶諧波失真測(cè)試等獨(dú)有的功能，使用很方便，十分值得推薦！

4. 音頻測(cè)試項(xiàng)目簡(jiǎn)介

4.1. FFT

首先介紹一個(gè)最重要的概念：FFT，即快速傅立葉變換，上述軟件的許多測(cè)試項(xiàng)目都是基于快速傅立葉變換分析的結(jié)果。這是現(xiàn)代電子學(xué)頻譜分析的常規(guī)手 段，特別是引入計(jì)算機(jī)技術(shù)后，更是方便快捷而且直觀精確的不二選擇。簡(jiǎn)單講，一般信號(hào)波形的記錄都是以時(shí)間-幅度相關(guān)的形式直觀表現(xiàn)出來(lái)的，稱為時(shí)域分 析；而快速傅立葉變換就是分析計(jì)算信號(hào)波形中的頻譜成分強(qiáng)度，將其能量從時(shí)間積分，從而得出頻率-能量相關(guān)的形式，稱為頻域分析。注意這里講的是頻率-能 量相關(guān)，而非一般認(rèn)為的頻率-幅度相關(guān)，因?yàn)楦盗⑷~變換實(shí)際上已經(jīng)無(wú)法確認(rèn)信號(hào)不同頻率間的幅度關(guān)系，而只能計(jì)算出其能量關(guān)系。理解這一點(diǎn)對(duì)理解快速傅立 葉變換分析的結(jié)果很重要，據(jù)筆者所知大部分教科書(shū)或工具辭書(shū)都沒(méi)有講明這一點(diǎn)，軟件的幫助文件也常常做出頻率-幅度相關(guān)的錯(cuò)誤解釋，所以提請(qǐng)讀者注意。

對(duì)于完全隨機(jī)分布的信號(hào)，例如白噪聲、粉紅噪聲，其每一頻段能量平均分布在所有時(shí)段，因此與振幅是完全成正比的，故而FFT分析的結(jié)果稱為頻率-幅 度關(guān)系也是可以的；但對(duì)于那些各頻段能量分布隨時(shí)間變化的信號(hào)，例如對(duì)數(shù)掃頻信號(hào)、一般的語(yǔ)音、音樂(lè)，就不能這樣理解了，事實(shí)上它們的高頻部分振幅與低頻 相同或甚至更高，但FFT分析的結(jié)果卻是低于低頻的，因?yàn)樗鼈冋嫉臅r(shí)間比例小，這時(shí)必須用能量的觀點(diǎn)去理解，否則會(huì)令人困惑，這是筆者長(zhǎng)時(shí)間學(xué)習(xí)和分析思 考得出的結(jié)論。

在用Spectra和Adobe Audition進(jìn)行掃頻測(cè)試時(shí)，上述思路會(huì)對(duì)我們分析和做結(jié)論有所幫助。例如對(duì)數(shù)掃頻的振幅實(shí)際是恒定的，但FFT分析的結(jié)果為-3dB/oct衰減（oct：octave，八度音，倍頻程）。

4.2. 頻率響應(yīng)測(cè)試

頻率響應(yīng)的平直與否直接關(guān)系到重放頻帶的范圍以及重放信號(hào)的保真度。對(duì)于所有電聲設(shè)備，頻率響應(yīng)無(wú)疑是最基本的指標(biāo)，因而成為所有測(cè)試項(xiàng)目中最基本 的一項(xiàng)。傳統(tǒng)的頻率響應(yīng)測(cè)量大多采用掃頻/點(diǎn)頻信號(hào)或白噪聲/粉紅噪聲信號(hào)，電路測(cè)試比較簡(jiǎn)單，只需將待測(cè)設(shè)備接入回路并調(diào)節(jié)好回路電平即可，聲學(xué)測(cè)量大 多在專業(yè)消聲室進(jìn)行。由于消聲室構(gòu)造復(fù)雜投資大而難以普及，近幾十年開(kāi)發(fā)了許多適用于普通房間環(huán)境的測(cè)試方法和測(cè)試系統(tǒng)，其基本原理一般都是用一個(gè)合適的 時(shí)間窗口來(lái)接受信號(hào)，其它時(shí)間關(guān)閉以舍去反射的影響。近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步使得復(fù)雜的程序和計(jì)算得以快速完成，F(xiàn)FT分析普遍使用。現(xiàn)在幾乎所有的專業(yè) 測(cè)試系統(tǒng)都是基于計(jì)算機(jī)的，大多具有時(shí)間窗口功能，可以在普通環(huán)境進(jìn)行聲學(xué)測(cè)試，比較好的系統(tǒng)具有脈沖響應(yīng)FFT分析和前/后沿累積頻譜三維顯示功能，能 夠?qū)﹄娐暺鞑牡奶匦赃M(jìn)行更全面和深刻的反映。

這些系統(tǒng)當(dāng)然都是相當(dāng)昂貴的，不過(guò)本文介紹的軟件可以完成所有類(lèi)似的測(cè)試項(xiàng)目。

先說(shuō)噪聲測(cè)試，即用白噪聲、粉紅噪聲作測(cè)試信號(hào)。Spectra和Adobe Audition都可以產(chǎn)生精確的噪聲，而RMAA的普通測(cè)試模式為一段類(lèi)白噪聲，頻帶范圍為5Hz至1/2取樣頻率，其實(shí)質(zhì)是一系列點(diǎn)頻的混合，在 1KHz至10KHz間最密集，而且其高低頻都有衰減，其目的是與實(shí)際的音樂(lè)頻譜盡量接近，并不是嚴(yán)格的白噪聲。

再看掃頻測(cè)試。Spectra和Adobe Audition都可以自己定義掃頻特性，特別是Adobe Audition，可以非常自由地產(chǎn)生想要的信號(hào)。RMAA的聲學(xué)測(cè)量模式為20至20000Hz的對(duì)數(shù)掃頻，但與Spectra和Adobe Audition的分析方法有所不同，正常的結(jié)果是完全平直的。

脈沖響應(yīng)測(cè)試和FFT分析需要Spectra和Adobe Audition配合，也可以稱為“瞬態(tài)響應(yīng)”，放到5.4節(jié)討論。

4.3.信噪比

信噪比是反映器材質(zhì)量的又一重要指標(biāo)，由器材產(chǎn)生的與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)的信號(hào)都是噪聲。信噪比指的是設(shè)備能夠處理的最大信號(hào)與噪聲的比值，一般以最大信 號(hào)為0dB，噪聲用負(fù)分貝值表示，即在最大不失真信號(hào)的若干分貝以下，取正值就是信噪比。噪聲大的設(shè)備會(huì)將小信號(hào)淹沒(méi)，丟失許多信號(hào)細(xì)節(jié)，因此噪聲應(yīng)該越 小越好。噪聲也是有頻帶的，有時(shí)可能頻帶很寬，但我們計(jì)量時(shí)一般只取音頻范圍，而且要用人耳的敏感曲線（A計(jì)權(quán)）去均衡，可以得到實(shí)用的，也是更好看的噪 聲指標(biāo)。例如-120dB的噪聲表示噪聲有效值是最大不失真信號(hào)的百萬(wàn)分之一，差不多是現(xiàn)代聲卡、放大器所能達(dá)到的最好水平。而-80dB 的噪聲表示噪聲有效值是最大不失真信號(hào)的一萬(wàn)分之一，只能算一般水平。

噪聲的測(cè)量是比較簡(jiǎn)單的，只需測(cè)量無(wú)輸入信號(hào)時(shí)的輸出電平即可，不過(guò)要注意應(yīng)該將設(shè)備的增益調(diào)節(jié)到最大不失真狀態(tài)，否則會(huì)給出虛假的高指標(biāo)。這在任何測(cè)試系統(tǒng)里都是一樣的。

在用FFT分析時(shí)可以引入“分段噪聲”的概念，與我們聽(tīng)音的要求是不一樣的。例如某系統(tǒng)的噪聲是-85dBA，那么一般認(rèn)為-85dB以下的信號(hào)就無(wú)法還原了。但事情并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，-85dBA的噪聲到底是由哪些頻段產(chǎn)生的呢？

圖4

讓我們看一看噪聲頻譜分析的情況。如圖4，這是一個(gè)典型的主板集成聲卡的噪聲頻譜，由Adobe Audition分析出的結(jié)果。RMAA測(cè)試的結(jié)果為噪聲水平-53.0dBA，可以說(shuō)是相當(dāng)差的結(jié)果，而且二者是吻合的。由圖中我們可以看出，其噪聲能 量大部分分布在300Hz以下，而且主要是由50Hz和75Hz的諧波產(chǎn)生的，可以推斷是交流電源和顯卡的干擾造成的，而其余頻段則能量小得多，到 1KHz以上都在-86dB以下。這就是“分段噪聲”的體現(xiàn)。

怎么理解上述的分析結(jié)果呢？簡(jiǎn)單的辦法就是將上述曲線看作“掩蔽曲線”（峰谷多的地方取峰值頂點(diǎn)連線），凡是頻譜在此曲線以下的信號(hào)都是不可能正確 還原的，而不是簡(jiǎn)單的所有低于-53.0dB的信號(hào)。比如在1KHz以上-80dB的信號(hào)就可以還原（當(dāng)然質(zhì)量不高），由FFT分析檢測(cè)出來(lái)，實(shí)際上人耳 也有類(lèi)似的檢測(cè)能力，只不過(guò)由于掩蔽效應(yīng)，靈敏度比計(jì)算機(jī)的精確FFT分析要低很多。

4.4.動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是指設(shè)備能夠處理的最大信號(hào)與最小信號(hào)的比值。這個(gè)概念容易與“信噪比”的概念混淆，那么二者有什么區(qū)別呢？可以理解，小于噪聲幅度的信號(hào) 是無(wú)法正確還原的，但是有的設(shè)備能夠在無(wú)信號(hào)或信號(hào)特別低時(shí)從某些環(huán)節(jié)將噪聲連同小信號(hào)切除，從而得出更好的信噪比指標(biāo)（這就是“動(dòng)態(tài)降噪”的基本原 理）。這時(shí)實(shí)質(zhì)上還是無(wú)法正確處理小信號(hào)的，而動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量就可以避免這樣的人為優(yōu)化。動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量是用一個(gè)小信號(hào)（一般用-60dB/1000Hz 的正弦波）輸給設(shè)備，然后濾除信號(hào)，測(cè)量其余頻率的噪聲和諧波水平，再用最大信號(hào)與之相比，結(jié)果就是動(dòng)態(tài)范圍。

可以預(yù)見(jiàn)動(dòng)態(tài)范圍一般要低于信噪比，但在沒(méi)有特殊電路或軟件處理噪聲的情況下，一般二者差距不大，可以互相參考。圖5給出了動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試的結(jié)果。這里基本沒(méi)有產(chǎn)生大于噪聲的諧波，因此動(dòng)態(tài)范圍和信噪比是基本一樣的。

圖5

需要指出，測(cè)量出的動(dòng)態(tài)范圍與“理論上”的動(dòng)態(tài)范圍是不同的。例如現(xiàn)在的數(shù)字音源，大多用數(shù)字信號(hào)能夠還原的理論值來(lái)標(biāo) 注，例如CD的動(dòng)態(tài)范圍96 dB ，DVD采用24bit記錄能達(dá)到144dB！實(shí)際上由于模擬器件的限制，那樣的指標(biāo)是根本不可能實(shí)現(xiàn)的，你只需測(cè)試一下其噪聲水平就知道了。只不過(guò)目前 音像節(jié)目后期制作大部分都是用計(jì)算機(jī)數(shù)字處理的，在許多環(huán)節(jié)的處理過(guò)程中用高比特可以盡量避免信號(hào)劣化。（實(shí)際上甚至可能用48bit量化來(lái)處理?。?/p>

4.5. 總諧波失真THD

總諧波失真是指由輸入信號(hào)激發(fā)的其它頻率的能量總和，是典型的非線性失真。其測(cè)量方法是輸入一個(gè)強(qiáng)信號(hào)（一般為-3dB/1000Hz，略低于最高 值，防止削頂而產(chǎn)生大量諧波），然后測(cè)量其余頻率的總能量與信號(hào)能量的比值?？梢岳斫?，總諧波失真越小，設(shè)備的保真度越高，信號(hào)的純度越高。特別對(duì)于晶體 管電路，其諧波成分大部分為奇次即基波的3、5、7倍，失真大時(shí)使聲音發(fā)毛刺耳，很不耐聽(tīng)，因此該指標(biāo)值越小越好。而電子管電路有些例外，其諧波成分以偶 數(shù)為主，結(jié)果使聲音顯得溫暖、甜潤(rùn)，結(jié)果雖然失真較大卻挺討人喜歡，但這已涉及到人的主觀感受而不是嚴(yán)格的高保真概念了。

傳統(tǒng)的測(cè)試方法THD只測(cè)1000 Hz，這其實(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，許多設(shè)備在不同的頻段THD值差別很大，特別是在電聲測(cè)試時(shí)，一個(gè)頻點(diǎn)根本不可能反映全貌。好在這里介紹的三個(gè)軟件都可以方便 地改變THD測(cè)試信號(hào)的頻率并很快得出希望的計(jì)算結(jié)果，特別是RMAA的聲學(xué)測(cè)量同時(shí)附帶全音頻范圍THD測(cè)量功能（實(shí)際可以單測(cè)2、3次諧波，也可以是 THD+N，即包含噪聲），可以生成一條THD曲線，如圖6所示為T(mén)HD+N，直觀地顯示出THD變化的規(guī)律。

圖6

4.6. 互調(diào)失真IMD

互調(diào)失真是由兩個(gè)頻率互相調(diào)制，相加相減，再加減其結(jié)果而產(chǎn)生的一系列諧波。當(dāng)然了，本來(lái)沒(méi)有的東西，還是越少越好。有些設(shè)備的頻響很好，但互調(diào)失真很?chē)?yán)重，結(jié)果表現(xiàn)為音質(zhì)不好聽(tīng)。

標(biāo)準(zhǔn)的IMD測(cè)試常用的測(cè)試信號(hào)有兩種，分別為250/8020 Hz和60/7000 Hz按4/1的比例混合。與THD測(cè)試一樣，軟件的取值范圍是很廣的，可以進(jìn)行自由的設(shè)置。

4.7. 通道分離度

通道分離度是指各聲道間互相干擾的隔離能力，也不必多言，當(dāng)然越高越好了。隨著數(shù)字音響系統(tǒng)取代普通磁帶錄放機(jī)，數(shù)字環(huán)繞聲代替模擬系統(tǒng)，獲得高的通道分離度已困難不大，關(guān)鍵在于A-D/D-A和模擬電路的性能。

5. 聲學(xué)測(cè)量

先解釋一下本文所涉及的兩個(gè)概念：音頻測(cè)量和聲學(xué)測(cè)量。音頻測(cè)量是廣義的，一切有關(guān)音頻指標(biāo)的測(cè)量都包含在內(nèi)，包括電路 測(cè)量和聲學(xué)測(cè)量；而聲學(xué)測(cè)量是指涉及到電聲轉(zhuǎn)換設(shè)備的測(cè)量，如揚(yáng)聲器、音箱、耳機(jī)、麥克風(fēng)等的測(cè)量。聲學(xué)測(cè)量常常需要用到標(biāo)準(zhǔn)的麥克風(fēng)和放大電路，比較專 業(yè)化，也比純電路測(cè)量要復(fù)雜得多，大多涉及到環(huán)境的影響，因此將其單獨(dú)列出來(lái)討論。

5.1. 揚(yáng)聲器/音箱阻抗

阻抗測(cè)試是與一般電路測(cè)試類(lèi)似的電聲測(cè)試項(xiàng)目，不需要電聲轉(zhuǎn)換輸入（傳聲器），因此測(cè)試也比較方便。測(cè)試信號(hào)為線性或?qū)? 數(shù)掃頻，用于計(jì)算揚(yáng)聲器電參數(shù)時(shí)可以只取到幾百赫茲的低頻，以便快速完成測(cè)試。典型的測(cè)試電路如圖7所示，只需要用一臺(tái)功放和一只標(biāo)準(zhǔn)電阻接入測(cè)試回路即 可，即給揚(yáng)聲器提供一個(gè)10mA恒流掃頻信號(hào)來(lái)記錄其兩端的電壓曲線，從而求得阻抗曲線。用揚(yáng)聲器阻抗曲線可以計(jì)算出幾個(gè)重要的參數(shù)，如諧振頻率“Fo” 和揚(yáng)聲器的“Qo”值，即品質(zhì)因數(shù)等。具體的測(cè)試原理和計(jì)算方法許多書(shū)籍和文章都有介紹，但方法有所出入，有些存在缺點(diǎn)和錯(cuò)誤，得不到精確的結(jié)果。這里介 紹一套比較詳細(xì)和精確的計(jì)算方法，詳情見(jiàn)下節(jié)。

圖7

音箱測(cè)試與揚(yáng)聲器測(cè)試原理一樣，典型的音箱阻抗曲線如圖8所示。對(duì)于目前最常見(jiàn)的倒相式音箱，其低頻揚(yáng)聲器阻抗特性有一 個(gè)特點(diǎn)，那就是雙諧振峰。這是由于倒相管的諧振耦合到了揚(yáng)聲器上，使其除頻率較高的揚(yáng)聲器振動(dòng)系統(tǒng)諧振峰外在較低的頻率增加了一個(gè)諧振峰。根據(jù)倒相式音箱 的設(shè)計(jì)理論，當(dāng)兩個(gè)峰值相等時(shí)倒相管處于正確的諧振狀態(tài)，如果第一諧振峰低，則說(shuō)明倒相管太細(xì)太長(zhǎng)，反之則證明倒相管太粗太短。根據(jù)這一原則，我們可以方 便地對(duì)音箱倒相管的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)調(diào)整。圖中給出了一個(gè)正確設(shè)計(jì)的倒相音箱的低頻阻抗分析曲線，由AdobeAudition生成。當(dāng)然也有雙諧振峰不等而 造成特殊效果的設(shè)計(jì)，不過(guò)無(wú)論如何，知道阻抗曲線對(duì)了解音箱的低頻特性是有益的。

圖8

5.2. 揚(yáng)聲器電參數(shù)計(jì)算

揚(yáng)聲器的電參數(shù)計(jì)算大多是基于自由場(chǎng)測(cè)試阻抗曲線得出的，實(shí)際只有單峰。這里我們借用一下圖8中的第二諧振峰來(lái)說(shuō)明。計(jì)算步驟如下：

1）.測(cè)量直流阻抗Re。
2）.計(jì)算諧振峰F0處的阻抗Zmax
3）. R0=Zmax/Re
4）. Rf=Re/
5）. 查找F1、F2，分別為曲線上F0前后阻抗等于Rf的點(diǎn)。
6）. Qms=F0* /（F2-F1）…………………機(jī)械Q值
7）. Qes=Qms/（R0-1）…………………………電Q值
8）. Qts=Qms*Qes/（Qms+Qes） ………………總Q值

這里的Qts就是上節(jié)所述的Qo。

揚(yáng)聲器的另外一個(gè)重要參數(shù)是Vas，即等效容積。它對(duì)于音箱設(shè)計(jì)時(shí)快速選定箱體容積非常有用。測(cè)試時(shí)需要將揚(yáng)聲器裝在一 只小的密閉箱體上，磁體向外，防止影響體積。該箱體的大小應(yīng)使揚(yáng)聲器諧振頻率提高一半以上，容積為Vt。新的諧振頻率記為Fct。然后用上述公式計(jì)算出新 的電Q值，記為Qect。

Vas=Vt*（Fct*Qect/F0*Qes-1）

上式可近似化簡(jiǎn)為：

Vas=1.15*Vt*[（Fct/F0）2-1]

也可以得到相當(dāng)精確的結(jié)果。如果我們采用可調(diào)容積的測(cè)試箱，使Fct/F0固定為1.5，則

Vas=1.44*Vt

5.3.揚(yáng)聲器/音箱頻率響應(yīng)

如前所述，專業(yè)的揚(yáng)聲器頻率響應(yīng)測(cè)試一般是在消聲室內(nèi)進(jìn)行的，這對(duì)業(yè)余愛(ài)好者當(dāng)然是可望而不可即的，那么我們?nèi)绾芜M(jìn)行測(cè)試呢？

對(duì)于低頻揚(yáng)聲器，最簡(jiǎn)單的方法是近場(chǎng)測(cè)試，即將傳聲器放到離揚(yáng)聲器中心5-10厘米的地方，傳聲器軸線與揚(yáng)聲器軸線重合進(jìn)行測(cè)量，這時(shí)環(huán)境產(chǎn)生的反射和駐波都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于直達(dá)聲強(qiáng)度，可以忽略不計(jì)。這對(duì)封閉式音箱箱體設(shè)計(jì)測(cè)試已經(jīng)夠用了。

然而對(duì)于高頻揚(yáng)聲器，近場(chǎng)測(cè)量是不可取的。因?yàn)楫?dāng)頻率高到一定程度，波長(zhǎng)的1/4與音箱面板尺寸接近或更小時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干涉現(xiàn)象，造成嚴(yán)重的頻響峰谷，近場(chǎng)測(cè)量根本不能正確反映事實(shí)。另外倒相式音箱和多揚(yáng)聲器系統(tǒng)沒(méi)有單一的軸心，也無(wú)法進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)試。

過(guò)去幾十年中，許多學(xué)者付出了很大精力研究上述問(wèn)題的解決辦法，設(shè)計(jì)了幾種巧妙的測(cè)試方法的測(cè)試系統(tǒng)，其中最有效、應(yīng)用最廣泛的就是下節(jié)介紹的瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試。這里先給大家介紹一個(gè)更容易實(shí)現(xiàn)的方案，即余弦猝發(fā)聲。

根據(jù)余弦猝發(fā)聲測(cè)試的原理，用余弦包絡(luò)的五周正弦波信號(hào)驅(qū)動(dòng)，再用峰值檢波器讀取，就可以消除反射和駐波的影響。而本文 介紹的軟件產(chǎn)生和記錄這樣的信號(hào)都非常方便，用Adobe Audition生成信號(hào)，由Spectra記錄和分析，因其有“峰值保持”功能。圖9給出了一個(gè)典型的余弦猝發(fā)聲波形。

圖9

5.4. 揚(yáng)聲器瞬態(tài)響應(yīng)——瀑布圖

揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)是一個(gè)重要指標(biāo)，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能反映揚(yáng)聲器的全部性能。反映揚(yáng)聲器性能的另外一個(gè)重要的指標(biāo)就是瞬態(tài)響 應(yīng)。由于揚(yáng)聲器是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電模型，有其特殊的慣性特征，并不是信號(hào)一來(lái)立刻能跟上反應(yīng)，信號(hào)一停馬上能停止振動(dòng)，而是有一個(gè)“加速”和“剎車(chē)”的過(guò) 程，這就是揚(yáng)聲器的瞬態(tài)響應(yīng)特征。在實(shí)際工作過(guò)程中，由于信號(hào)是不斷變化地輸送過(guò)來(lái)，因此這些“加速”和“剎車(chē)”的過(guò)程是疊加錯(cuò)雜的，結(jié)果就是在信號(hào)中疊 加了一些特別的諧波，這才是不同的揚(yáng)聲器間風(fēng)格差異很大的主要原因。

測(cè)量瞬態(tài)響應(yīng)的基本原理，就是測(cè)量每一頻率前后沿的衰減特性。可以想見(jiàn)，這在沒(méi)有計(jì)算機(jī)自動(dòng)化測(cè)試的時(shí)代是非常費(fèi)事而且測(cè)量很困難、結(jié)果難以精確的測(cè)試項(xiàng)目。

在計(jì)算機(jī)FFT分析得到應(yīng)用后情況完全改觀。由電子頻譜學(xué)的基本原理可知，一個(gè)脈沖信號(hào)包含了非常廣的頻譜，其低頻下限 為脈沖間隔頻率，高頻上限為脈沖寬度的倒數(shù)，例如10微妙的單脈沖即包含了從直流一直到100KHz的頻譜。我們可以認(rèn)為脈沖是在有限頻段內(nèi)各頻率成分間 相位完全一致的白噪聲，其特性是基本一樣的。這樣的信號(hào)產(chǎn)生和記錄都很方便，而且有一些附帶的優(yōu)點(diǎn)，其一是可以用一個(gè)時(shí)間窗口來(lái)切除反射，其二是可以取任 意多個(gè)脈沖響應(yīng)來(lái)平均以降低噪聲的影響。有了這些特征，脈沖響應(yīng)測(cè)試可以在普通環(huán)境中得出基本相當(dāng)于消聲室的測(cè)試結(jié)果。

脈沖響應(yīng)的FFT分析，即脈沖的前/后沿累積頻譜，一般俗稱“瀑布圖”，因?yàn)槠湫螤畲_實(shí)像山脈、瀑布和水面組成的圖畫(huà)，挺“漂亮”的。雖然這個(gè)東西比較專業(yè)，不很容易理解，但對(duì)于理解電聲器材的性能特征是非常重要的，這里給大家解釋一下。

圖10

一個(gè)典型的脈沖波形記錄如圖10所示，由于是很大的倍率顯示，出現(xiàn)反射前的E點(diǎn)無(wú)法顯示出來(lái)，圖中只是示意點(diǎn)。所謂“后 沿累積頻譜”，就是從脈沖頂點(diǎn)0開(kāi)始，向后切取到出現(xiàn)反射前的E點(diǎn)，進(jìn)行FFT分析，得出頻率響應(yīng)曲線；然后將開(kāi)始點(diǎn)變?yōu)椴ǚ搴蟮?、2、3……點(diǎn)，重復(fù) 上述過(guò)程，得出第1、2、3……條余波曲線；這樣不斷變換切取點(diǎn)，直到切取點(diǎn)達(dá)到預(yù)定的延遲時(shí)間（例如1毫秒）。當(dāng)然實(shí)際的切取間隔要比圖中示意密得多。 將這些曲線累積顯示，即得到后沿累積頻譜的三維顯示圖，一個(gè)典型的后沿三維累積頻譜如圖11所示。這里脈沖的產(chǎn)生和記錄以及后期的切取處理都是由 Adobe Audition完成的，而三維累積頻譜由Spectra LAB完成。

圖11

從圖中我們可以看到，最后一條頻譜線，即時(shí)間位于0毫秒的曲線，就是頻響曲線?？壳暗寞B加上去的曲線都是余波，到0.5 毫秒后，大部分余波已經(jīng)降到閥值以下，成為“水面”，但仍然有一些頻率的余波一直持續(xù)到1毫秒以后，如光標(biāo)處約620Hz的地方。這樣的余波對(duì)準(zhǔn)確還原音 頻信號(hào)肯定是不利的，然而目前還沒(méi)有能夠不出現(xiàn)長(zhǎng)余波的揚(yáng)聲器，只能采取折衷措施避免太差的響應(yīng)，這也正是揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在，是揚(yáng)聲器質(zhì)量差別的關(guān)鍵 地方。

前沿累積頻譜的測(cè)試與上述過(guò)程類(lèi)似，只不過(guò)切取點(diǎn)是向前推，時(shí)間軸取負(fù)值，實(shí)際應(yīng)用的較少見(jiàn)。

前/后沿累積頻譜的有效低頻下限是由0點(diǎn)到E點(diǎn)的長(zhǎng)度決定的。對(duì)于任何信號(hào)的FFT分析，其最低頻都是有效信號(hào)長(zhǎng)度的倒 數(shù)，即必需能接收到一個(gè)完整的周期，才能完成FFT分析。例如測(cè)試時(shí)揚(yáng)聲器和傳聲器距離所有的反射面最近為1.5米，來(lái)回共3米，因?yàn)槁曀贋?00米/ 秒，可知反射將在0.01秒后出現(xiàn)，這樣切取后低頻下限就被限制在100Hz。實(shí)際使用時(shí)一般再將此值提高一倍，得到更加精確可靠的結(jié)果，這也正是一些專 業(yè)測(cè)試系統(tǒng)的參數(shù)。

上圖中低于100Hz的曲線不足取信，不必理會(huì)。事實(shí)上專門(mén)設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)是不會(huì)顯示低頻下限以下的頻率曲線的。

6.直流信號(hào)測(cè)試

我們知道，所謂的音頻信號(hào)都是交流信號(hào)，那么我們關(guān)心的一些直流信號(hào)例如溫度記錄和控制、電壓、濕度、機(jī)械壓力、位置等 等，能不能用本文介紹的系統(tǒng)來(lái)記錄和分析呢？這要從軟硬件兩方面看。首先看軟件，Spectra和Adobe Audition都是具有直流信號(hào)記錄、分析的功能的，Adobe Audition還能產(chǎn)生和編輯處理直流信號(hào)。但畢竟它們都不是專門(mén)的過(guò)程測(cè)控軟件，有時(shí)候有些力不從心，業(yè)余試驗(yàn)探索一下倒也不妨。不過(guò)它們對(duì)瞬態(tài)變化 的反應(yīng)都不錯(cuò)，可以記錄和分析像開(kāi)關(guān)過(guò)程、沖擊過(guò)程等通常難以捕捉的信號(hào)，具有存儲(chǔ)示波器的主要特征，而且更精細(xì)得多，波形的存儲(chǔ)、后期處理和計(jì)算都更方 便。

再看硬件。與通用的虛擬儀器硬件不同，一般的聲卡都是為音頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，理所當(dāng)然不具備直流信號(hào)的處理能力。好一些的 聲卡能處理低至幾赫茲的信號(hào)，比較差的甚至在20Hz就有比較嚴(yán)重的衰減，靠這樣的聲卡去處理直流信號(hào)當(dāng)然不行。不過(guò)從技術(shù)資料看有些頂極的專業(yè)聲卡可能 是具有直流處理能力的，可惜筆者沒(méi)條件試驗(yàn)。不過(guò)話說(shuō)回來(lái)，用那樣昂貴的聲卡來(lái)“玩”是太奢侈了。那么就沒(méi)有合適的聲卡了嗎？幸運(yùn)得很，經(jīng)筆者多方考察、 分析、試驗(yàn)，找到了一款，而且是幾乎最便宜的PCI聲卡。這就是CMI8738，由臺(tái)灣驊訊公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，這是筆者所知的唯一能夠輸出/輸入直流信號(hào)的聲 卡。

判斷一款聲卡是否具有直流處理能力，最簡(jiǎn)單的辦法就是用Adobe Audition產(chǎn)生一段直流信號(hào)，然后用聲卡的內(nèi)部混音端口錄音，如果能完全一致地錄制，則證明具有直流處理能力，反之則不行。當(dāng)然這樣只是證明了聲卡 核心的直流處理能力，要實(shí)際使用還需要對(duì)模擬輸入/輸出部分進(jìn)行改造，因?yàn)橐话愕穆暱ㄝ斎?輸出都帶有隔直電容，不可能正確處理直流信號(hào)。圖12給出了 CMI8738內(nèi)部混音端口錄制的直流信號(hào)波形。圖中光標(biāo)處（約4.8秒處）為信號(hào)起始點(diǎn)，其前面為按下錄音按扭后按播放按扭前的等待時(shí)間，信號(hào)長(zhǎng)度為 10秒，其后面又跟著一段按停止按扭前的靜音，這些都證明信號(hào)是確確實(shí)實(shí)正確錄制下來(lái)的。

圖12

對(duì)于CMI8738，所有的數(shù)字/模擬信號(hào)處理都集成在單一芯片內(nèi)，我們只需要將輸入/輸出隔直電容短路即可，實(shí)踐證明 這樣就可以從外部處理直流信號(hào)了。但是有一個(gè)問(wèn)題，這時(shí)無(wú)信號(hào)的地參考電位被記錄在波形負(fù)峰值處，無(wú)法記錄和處理負(fù)信號(hào)，因?yàn)镃MI8738的核心參考電 位在1/2VCC處（實(shí)際上大多數(shù)單電源供電的設(shè)備都是這樣的）。這時(shí)我們可以將輸入/輸出的地端斷開(kāi)，接到一個(gè)1/2VCC參考電位上即可，實(shí)際用穩(wěn)壓 管、基準(zhǔn)電源等都可以。這樣一個(gè)廉價(jià)而精度相當(dāng)高的直流虛擬儀器硬件就完成了。

7.虛擬儀器系統(tǒng)定標(biāo)及計(jì)量

以上所述都是定性測(cè)量，還沒(méi)有涉及如何精確計(jì)算聲卡測(cè)量的數(shù)值。

最近在網(wǎng)上看到不少言論，稱聲卡是不能用來(lái)測(cè)試的，即便是那些頂級(jí)聲卡，還有RMAA等軟件測(cè)試的結(jié)果是不可靠的。

事實(shí)果真如此嗎？筆者不敢茍同。誠(chéng)然，最好的專業(yè)測(cè)試系統(tǒng)指標(biāo)是要比頂級(jí)聲卡好一點(diǎn)（但差距已經(jīng)不明顯），也不大可能有 專業(yè)廠家用聲卡當(dāng)作測(cè)試儀器。但專業(yè)測(cè)試系統(tǒng)的天價(jià)是一般人根本不敢問(wèn)津的，況且專業(yè)廠家不用聲卡當(dāng)作測(cè)試儀器，根本原因是因?yàn)闆](méi)有配套的接口和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量 檔位，使用不方便，并不是質(zhì)量達(dá)不到要求。如果用合適的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，加上簡(jiǎn)單的外部設(shè)備，當(dāng)作測(cè)試儀器用是完全可以的，這不也正是我們業(yè)余愛(ài)好者可以大展 身手的地方嗎？

再說(shuō)軟件。Spectra LAB432的3995美元絕不是白要的！其精確無(wú)比的圖示分析恐怕目前難有望其項(xiàng)背的敵手。而RMAA的測(cè)試信號(hào)是有點(diǎn)特殊，因此有細(xì)微差異也是正常 的。筆者使用中發(fā)現(xiàn)三個(gè)軟件的測(cè)試結(jié)果都相當(dāng)穩(wěn)定，而且可以相互印證！當(dāng)然簡(jiǎn)約穩(wěn)定的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是軟件可靠運(yùn)行的必要條件。

下面我們就看看如何給聲卡虛擬儀器系統(tǒng)定標(biāo)。

聲卡輸入輸出時(shí)波形電平所對(duì)應(yīng)的外部數(shù)值是怎樣的？換句話說(shuō)，波形輸出后電平多高，錄制的波形電平對(duì)應(yīng)多高的電壓？專業(yè) 聲卡可以將輸出電平做成標(biāo)準(zhǔn)的0分貝（0.775V）或+4分貝（1.228V）并可以設(shè)置和精確顯示，但一般多媒體聲卡大多做不倒，事實(shí)證明不同的聲卡 輸入輸出電平是不同的，這點(diǎn)有必要搞清楚，以便于準(zhǔn)確計(jì)量和防止過(guò)載。

由于WINDOWS的音量控制條只能作大概的滑動(dòng)，不能進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)，一般聲卡驅(qū)動(dòng)程序所帶的音量控制臺(tái)也是如此，這 在一般放音使用時(shí)當(dāng)然不存在什么問(wèn)題，但要作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)就不行了。因此我們一般將其固定在最大值進(jìn)行測(cè)試，首先測(cè)量輸出值，用Adobe Audition 產(chǎn)生一段掃頻正弦波播放，同時(shí)用一只精度較高的交流電壓表測(cè)量輸出電壓，掃頻的范圍根據(jù)電壓表的頻響范圍而定，一般萬(wàn)用表取20 Hz至2000 Hz，而專用的交流毫伏表可取到20kHz以上。接下來(lái)測(cè)量輸入對(duì)應(yīng)值，將掃頻信號(hào)通過(guò)輸入端口回授錄制下來(lái)，根據(jù)錄下的波形電平可以求得輸入特征電壓， 一個(gè)可能的情況是輸入增益高，結(jié)果發(fā)生過(guò)載，這時(shí)必須調(diào)低放音音量，使錄制電平剛好達(dá)到0分貝，再回頭測(cè)量該音量放音的電壓值即可。

將上述兩個(gè)特征電壓記錄下來(lái)，結(jié)合輸入輸出放大/衰減部分的倍率，就可以求出需要的數(shù)據(jù)。下面給出分貝值變化與電壓變化的關(guān)系式：

S=20log(V1/V0)   < 分貝值等于變化電壓與參考電壓的比值以10為底取對(duì)數(shù)再乘以20>

例如：8738聲卡的0分貝波形輸出對(duì)應(yīng)1.1205V電壓（正弦波有效值），將此波形從線路輸入端錄入（靜音選中）， 得到的電平值為-0.753dB（幅值91.70%，16 bit樣本數(shù)30048），略有衰減，不會(huì)發(fā)生削頂失真，這是一個(gè)非常好的特性。據(jù)此我們可以計(jì)算出錄制電平為0分貝時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電壓為1.2224V （相對(duì)于0.775V的0 dB約+4dB）。

既然有些專業(yè)聲卡能夠?qū)斎胼敵鲭娖竭M(jìn)行精確設(shè)置，那么我們可不可以借用其驅(qū)動(dòng)程序呢？很遺憾，據(jù)筆者所知該類(lèi)聲音控制 驅(qū)動(dòng)都是專用的，不能用于其它聲卡，其突出的表現(xiàn)就是與WINDOWS的音量控制不連動(dòng)；而一般多媒體聲卡的音量控制驅(qū)動(dòng)大多采用標(biāo)準(zhǔn)的VXD或WDM程 序編寫(xiě)，可以與WINDOWS的音量控制連動(dòng)，從而也就能夠用于其它的聲卡。那么一般多媒體聲卡到底有沒(méi)有能夠精確調(diào)節(jié)音量控制的呢？筆者多方尋找，終于 碰到了一種，這就是Avance ALS300的驅(qū)動(dòng)程序。

該聲卡的質(zhì)量不敢恭維，但其音量控制很有特色，如圖13所示，除了與其它控制程序一樣能夠在音量指示條上用鼠標(biāo)拖動(dòng)調(diào)節(jié) 外，還可以點(diǎn)擊右側(cè)的“∧”、“∨”按鈕來(lái)調(diào)節(jié)，這時(shí)是以步進(jìn)的方式來(lái)調(diào)節(jié)的，左側(cè)指示窗口的指示條也將逐格增減，我們根據(jù)指示條的狀態(tài)即可知道音量衰減 的準(zhǔn)確數(shù)值。

圖13

現(xiàn)將指示條的狀態(tài)與衰減倍率的關(guān)系列表如下（200Hz正弦波，8738聲卡線路輸出端，經(jīng)精確檢定的UT56四位半萬(wàn)用表AC 2V、200mV檔測(cè)量）：

由表格給出的數(shù)據(jù)可知，該控制程序的主音量控制基本是以2分貝一格的步長(zhǎng)調(diào)節(jié)的，而波形控制的步長(zhǎng)不是整數(shù)，不推薦使用?？赡苁蔷幊痰腷ug，1格的數(shù)值有兩個(gè)（點(diǎn)擊控制按鈕兩次均顯示一格），而15、16格的數(shù)值相同，使用時(shí)要注意，不過(guò)我們一般不應(yīng)將衰減率調(diào)到一格。

該聲卡驅(qū)動(dòng)程序可以到http://www.網(wǎng)站去下載（這類(lèi)軟件都是免費(fèi)的），特別說(shuō)明，你并不需要真正使用該聲卡，只需將聲卡驅(qū)動(dòng)程序安裝，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上述的音量控制工具，隨時(shí)打開(kāi)都可以控制其它實(shí)際使用的聲卡。

知道了聲卡輸入輸出電平對(duì)應(yīng)的外部電壓，再我們的擴(kuò)展接口和衰減/放大調(diào)節(jié)面板上標(biāo)定數(shù)值不就是很簡(jiǎn)單的事了嗎？我們業(yè)余愛(ài)好者最大的樂(lè)趣，不就是這樣“少花錢(qián)多辦事”嗎？

結(jié)語(yǔ)

可以看到，用本文介紹的方案構(gòu)建音頻虛擬儀器，具有極其靈活的選擇余地，投資可大可小，功能強(qiáng)大無(wú)比，可以做出最精確的 測(cè)試數(shù)據(jù)，軟硬件都可以隨時(shí)自由搭配和升級(jí)，而且互不影響……優(yōu)點(diǎn)數(shù)不勝數(shù)。在這里我們要感謝文中提及的軟件和硬件的開(kāi)發(fā)、制造、推廣人員，是他們的辛勤 勞動(dòng)和合理設(shè)置使我們具備了所有的必要條件！

想仔細(xì)看看火花放電的波形嗎？想試試腦電圖、心電圖的測(cè)試嗎？想知道二極管的特性曲線嗎？想測(cè)試壓敏/熱敏器件的反應(yīng)時(shí) 間嗎？想知道保險(xiǎn)管熔斷的過(guò)程嗎？……這些以前業(yè)余愛(ài)好者測(cè)起來(lái)很困難甚至根本無(wú)法測(cè)的過(guò)程，現(xiàn)在都可以輕松搞定！當(dāng)然具體的應(yīng)用涉及具體的專業(yè)知識(shí)，也 涉及具體的安全措施，提請(qǐng)大家注意，希望大家在掌握必備的基礎(chǔ)知識(shí)后再行動(dòng)。無(wú)論如何，該系統(tǒng)可以給我們的想象和好奇插上翅膀，讓我們自由翱翔于電子世界 的廣闊天空！

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