频率响应测量的方法.pdf

频率响应测量的方法频率响应测量的方法很多，一般同使用的测试信号有关可分为：i. 点测法：完全按定义设计的测量方法，逐个频率输入振幅恒定的正弦信号，逐个点测量相应频率扬声器输出声压级，在频率响应坐标纸上绘出相应的点，把这些不连续的点的平滑连线即为频率响应曲线测量耗时、测量有限的非连续频率点，过渡点是推测的ii. 扫频自动记录法：使用机械传动的方法改变振荡电路中的电容，使信号的频率连续改变，输出电压恒定， 这叫扫频信号， 记录仪上记录纸的频率刻度与信号源同步，记录扬声器的输出声压级随频率的变化，即为频率响应曲线，这方法叫扫频自动记录法后来，机械扫频信号改成电压控制频率的压控振荡器，改进了机械传动的麻烦这是60 ～ 80 年代丹麦Bf 为稳态单频信号的频率 而扫频信号的公式是u(t)=ACos( πSt2),B到 20kHz ， 幅频响应为 -1.8dB ，相位为 -36° 在我们的测量精度范围内是足够了当被测系统 （如一只扬声器）的输入端输入一个单脉冲信号，则被测系统的输出为该单脉冲信号的响应， 在时域是一个脉冲形成和衰减过程的信号，由于单脉冲信号在频域具有宽带的均匀频谱，则其响应在频域就是频率响应，也就是对单脉冲响应的时域波形进行FFT 变换就达到系统的频率响应。

由于FFT 的运算是复数运算，复数的模随频率的变化就是系统的幅频响应， 而相位随频率的变化就是相位频率响应，所以用这个方法可以同时得到幅频和相频响应 但扬声器的测量由于扬声器和测量传声器之间有一个空间距离，于是引入 “ 线性相移 ”的概念， 该相移是随频率线性变化的，为了得到扬声器本身的相位响应，必须扣除这部分相移，这是扬声器相位测量中的线性相移修正理论分析时输入的单脉冲的脉宽趋向0，称为δ函数，其时域响应称为“ 单位脉冲响应” 或“ 冲激响应 ” ，频域响应即复数表示的频率响应，两者互为付里叶和逆付里叶变换，在数字信号处理中为快速付里叶变换（FFT ）和逆快速付里叶变换（ IFFT ） 示意如下图：图6.14 脉冲响应h（t）和频率响应H （ω ）互为付里叶变换单脉冲响应测量中有一个信噪比问题因为脉冲的激励时间很短，相对环境噪声能量太弱，所以测量时的信噪比很小，为了提高信噪比采用多个脉冲激励，接收时采用同步叠加和平均处理的技术，当叠加1次，信噪比增加3dB ，叠加 4 次增 6dB ，叠加 8 次增 9dB⋯⋯ ；要提高 30dB 需要叠加1000 次，自然是非常耗时的英国 KEF 的 L. R. Fincham在其 1977年发表的著名论文中最早提出该方法，但国外没有用该方法制作过专用仪器。

vi. MLS技术MLS 技术，是使用最长序列（MLS-Maximum Length Sequence）伪随机噪声作为输入扬声器的测试信号，扬声器的输出声信号同该输入信号的互相关函数即得到系统的冲激响应（或叫单位脉冲响应），它是系统在时域的基本响应，相应的频域［由快速付里叶变换（ FFT）得到］即系统的幅频响应和相频响应互相关函数的计算由快速哈德曼变换（FHT ）得到，所以该方法又叫MLS-FHT技术 这段描述大部分非专业读者读不懂，下面的叙述希望能解决这个通俗化问题 MLS 信号MLS （Maximum Length Sequence）是最长序列码的缩写，它来源于线性分组码制中的循环码，数字信号是二进制的，即只有0、1 二个状态，可以用二进制的循环码组成一个二进制数字信号， 循环码的结构可以用代数方法来表示、分析和构造， 该代数方法就是它的原始多项式，其运算是逻辑的“ 异 ”“或 ” 运算它的循环性质可以用循环反馈移位寄存器来容易地实现当 MLS 码的多项式是m 次时，它的循环码长为N=2m-1 ，即由 N 个二进制数（ 0、1）组成，然后是N 个二进制数的周期重复，当0 为负脉冲， 1为正脉冲时，并与循环MLS码的 0、 1 相对应时， 这就构成了MLS 数字信号。

举个简单的例子，当 m=3 ，则码长 N＝ 7，MLS 码为 0010111，然后重复0010111；当 m=4 ，则 N＝15，MLS 码为 000100110101111 ，码 长 为N=15 ， 然 后 重 复 ； m=5， 则N ＝ 31 ， MLS码 长 为31位 数0000100101100111110001101110101，实用时取m=12 ，即码长为N=4095位的二进制数，取 m=16 ，则 N ＝65535 ，就无法列出了这个信号从模拟角度看似乎应属于周期信号，但它的频谱接近白噪声的随机信号，所以这样的信号被定义为伪随机噪声信号其振幅谱基本平坦，而相位是杂乱的，但不是真正的无规，其频谱是可以重复的，是有确定性的 MLS信号的变换特性和系统响应使用 MLS 信号作为测试信号，需要了解MLS 信号的一些变换特性MLS 信号的自相关函数为一脉冲信号，即当一MLS 信号输入被测系统时，通过变换可以等效于一个脉冲信号经推导，被测系统的系统输出响应同输入MLS 信号的互相关函数是系统的单位脉冲响应，得到单位脉冲响应就同脉冲测量方法完全等效了单位脉冲响应的付里叶变换就是系统频率响 应 。

进 行 互 相 关 运 算 时 ， 也 有 个 快 速 算 法 称 快 速 哈 达 曼 变 换 （ Fast Hadamard Transform-FHT） ，所以该方法也称MLS －FHT 方法该过程是： 一个 N 点的 MLS 经 D/A变换为模拟信号激励被测系统，系统的输出响应作N 个采样，同原来的N 点 MLS 作一次互相关运算 (FHT 变换运算 )，得到系统的脉冲响应，数字化单位脉冲响应的FFT 即得到系统频率响应示意如下图：图 6.15 MLS 响应、脉冲响应h（t）和频率响应H（ω ）之间的变换关系该方法早在1979 年被使用， 1982 年使用了FHT 的互相关算法该方法有很好的信噪比，测量操作方便，被广泛使用，前面提到的MLSSA ，和 AP 公司的 “ 系统 2” 中的MLS 软件都是使用这个方法MLS和数字脉冲测量技术都可以用于非消声室模拟自由场测量，只要得到脉冲响应后，在时域脉冲响应图上，把时间窗加在反射声到达前，在时间窗内的直达声进行FFT 就实现了非消声室模拟自由场测量MLS 测量技术也有其局限性，比如不能实现谐波失真等非线性失真的测量，这里就不再论述vii. TDS（Time delay Spectrometry ）技术TDS 是时间延迟谱技术，由Heyser 在 1967年提出的， 被认为是声学测量中的划时代文献。

它是用跟踪滤波器为了同馈给扬声器扫频电信号的频率同步 加入了扬声器到传声器的时间延迟实现频率响应的非消声室测量，后来用数字信号运算的方法实现，丹麦B&K 公司的 2012 音频分析仪中的TSR（Time Selective Response 时间选择响应） 技术就是对TDS 改进的算法 以上的几种测量技术的测量结果是等效的viii. 粉噪声， 1/3 倍频程分析测量方法馈给扬声器等电压的经1/3 倍频程滤波的窄带粉红噪声，其中心频率按标准的1/3 倍频程步进，一次测量扬声器产生的声压级，即得到 1/3 倍频程粉噪声响应谱图，也可以馈给扬声器宽带粉噪声电信号，用 1/3 倍频程分析扬声器的声输出，得到 1/3 倍频程频谱图， 他同步进的1/3 倍频程粉噪声测量基本上是等效的该方法用在 GB/T7313-1987中测量高保真扬声器系统的频响，下面测量左右主扬声器箱的幅频响应差，使用的也是这个方法。