电脑音频虚拟仪器的构建与使用

近年来电脑虚拟仪器的发展很快。在飞速发展的计算机技术支持下，“软件即仪器”的理念得到了充分的发挥。计算机加软件配合合适的AD/DA界面和传感器/控制器，就可以完成形形色色的传统仪器的所有功能，应用领域遍及现代科技的各个方面，大有星火燎原之势。而且由于其成本较低，升级容易换代快，维护简单，特别是数据的采集、分析、管理做到了智能化，大大提高了工作效率，在科研、计量、工控、自控等应用上特别受青睐，发展势头已将传统仪器远远抛在了后面，并将持续下去。

但是一般的虚拟仪器对于普通电子爱好者来说仍然是太昂贵了，而且由于通用的虚拟仪器要考虑高速信号，往往采用高速低分辨率的AD/DA芯片，一般分辨率只能达到8至12位，这对于电子爱好者常用的音频领域恰恰不够精确。

在现代多媒体电脑上，声卡已经成为一个必不可少的重要组成部分，它给我们提供了丰富多彩的视听娱乐和有声交流功能，使“多媒体”的名称名副其实。但是你是否知道，利用声卡高精度的AD/DA变换界面，加上合适的软件，就可以构成功能十分强大的音频（超音频）虚拟仪器呢？并且，如果使用足够好的声卡，配合比较简单的扩展设备和传声器/放大器，再选用本文介绍的软件，将是目前音频虚拟仪器的最强、最佳选择。

限于篇幅和时间，本文主要介绍一些原则性的测试方法，期望起到抛砖引玉的作用，给有兴趣的爱好者引个路。具体的应用还需要大家不断学习、探索，详细的软件应用方法将在2004年《无线电》杂志以及本站连续刊登介绍。

1.声卡的选择

声卡担负着模拟信号进出大门的重任，其性能如何，对虚拟仪器的精度有着最直接的影响，因此选择合适的声卡是非常有必要的。

从分辨率看，一般电脑多媒体声卡为16位，取样频率为44.1/48KHz，而现在的主流中高档声卡大多具备了96KHz/24bit的取样精度，好的专业声卡甚至能达到输入/输出兼备的192KHz/24bit取样精度。

从音频处理的技术指标看，许多质量良好的廉价声卡已经超越了一般模拟仪器，而高档的专业声卡更是具有极其优异的指标。这也不奇怪，因为专业声卡本身就是为专业的录音、监听、音频处理而设计的，是音频传播的门槛，理应具有良好的素质。例如，顶级的专业声卡频率响应可以从几Hz平坦地延伸到数十KHz至接近100 KHz，波动在正负0.1dB以下，噪声水平在-110dB以下，动态范围大于110dB，总谐波失真和互调失真远小于万分之一，通道分离度能达到 100dB……这样的声卡已经超越了绝大多数模拟设备的指标，足以应付最苛刻的应用要求，也足以胜任高精度电脑音频虚拟仪器的要求，乃至于数十KHz的超声波研究。

当然了，顶级的专业声卡价格昂贵，一般相当于一套主流电脑的价格，大多数业余爱好者不能或不愿承受，但比起模拟测试仪器来说还是便宜很多，而且软件升级没有限制。

不过近来电脑音频设备市场看好，许多专业声卡厂家推出了“准专业”声卡进军多媒体市场，素质良好，支持多声道，价格也便宜很多，用途广泛，很适合业余爱好者选用。

如果再“抠门”一点，精选百元级优质声卡也是可以应付一般的声学测量的，因为我们知道声学测量的瓶颈一般在于传声器而不是电路。当然这时最好对声卡模拟电路进行“打摩”如更换运放和输出电容等，以得到更好的效果。

介绍一些具体的声卡品牌。顶级声卡首选Lynx Two/Lynx 22,据笔者所知是目前世界上指标最优秀的声卡，价格一千美元左右。类似的其它专业声卡有RME，比Lynx还贵（主要因为支持的声道数多）。另外如果单为测试用，一些专业的测试用AD/DA界面设备也可用（例如Sound Technology公司的产品），不过可能更昂贵，而且功能少，指标也未必更强，但好处是可以找到USB接口型的，可配合笔记本电脑使用。这类声卡可以进行精确的电路测试，如作为其它声卡、碟机、功放等设备的输入输出参考标准进行测量，声学测试更是不在话下。

中高档声卡包括许多一般的专业声卡和高级多媒体声卡，价位在一两千元，其中有些是USB接口型的。较好的有Terratec DMX 6Fire 24/96、M-Audio Audiophile 2496、创新Audigy2等。特别说明，Terratec DMX 6Fire 24/96的性能指标比较好，而且该公司目前在中国市场的推广力度大，价格相对合理，服务有保障；而创新则是多媒体市场的龙头，游戏和DVD功能出色。这类声卡可以进行一般的电路测试和比较精确的声学测量。

中低档声卡的型号很多，Terratec、M-Audio、创新等公司都有许多型号，还有许多其他二线公司的产品，一般售价数百元。有些指标相当不错，例如Terratec DMX XFire1024，价格不到200元，44.1/48KHz下的表现甚至可以与不少中高档多媒体声卡叫板，只不过不支持24bit/96KHz取样，声道数也少，因而便宜。大家可以从电脑类报刊杂志、网站找到很多有关的参考资料。

低档声卡数不胜数，这里推荐两款。其一是创新的VB128或PCI128，核心是一样的，售价百余元。这款声卡的特点是音质相当不错，可以与中档声卡媲美。由于是符号AC’97标准的声卡，采用与核心分离的CODEC（AD/DA芯片），再加一级运放输出模拟信号，“打摩”的余地不小，可以获得更好的音质。另一款声卡是CMI8738，售价仅四五十元。这个声卡很有特点，其音质不算很好，但是频率响应特别好，可以与专业声卡相比，特别是其能够处理直流信号的能力更是鹤立鸡群，无人可比，具体内容见第六节。另外说明，这两款“平民”声卡面世日久，产量极大，在二手市场很容易找到，只用1/3原价即可买到，性能是一样的，更是非常超值！

2.硬件构筑

首先提醒大家，要测量可能输出大于5V信号的设备（例如功放），一定要对声卡的输入端口进行保护，否则一旦输入过载，极易损坏声卡。特别是价格昂贵的中高档声卡，更应该小心保护，以免带来大的损失。笔者在试验过程中未加保护时烧坏了好几块声卡，请大家引以为戒！合适的保护措施包括衰减网络和过压抑制，如图1所示。如果测量电网交流电信号，必须另加隔离电路！

图1

图中的电位器可以用带刻度的精密电位器，但最好不要用多圈线绕式的，因其电感量大，易使高频信号衰减严重。最好是用多段开关配合固定电阻来构成，例如用优质的多段音量电位器。保护二极管最好用2-4V的瞬态抑制二极管，或稳压管，不推荐普通二极管串联的方法，因其高频特性差。由于工作于交流状态，需要两只反向串联。

最基本的硬件只要声卡和输入输出信号线就够了，可以进行一般的线路信号测试。但由于其输出电平和功率有限，也不能进行声学测试，因此一般还需要增加功放电路和传声器。如果用专业的电容传声器，就需要特殊的供电电路提供极化电压，并且需要专门的前置放大电路。

图2给出了基本的电脑音频测试系统的原理框图，大家可以参考有关资料具体设计其中的每一部分。

图2

后面我们会看到，笔者介绍的系统是可以进行脉冲信号测试分析的，因此有合适的脉冲发生器是需要的，这也是一些价格昂贵的专业测试系统所必备的功能，很有实用价值。当然用软件产生脉冲信号是可能的，问题是一般的声卡根本不能正确输出需要的脉冲，除非你拥有顶级的专业声卡，可以输出近100KHz信号，否则一般的20KHz带宽根本不够。

我们希望脉冲信号仍然受控于电脑软件，如图3所示，用简单的555定时器电路加过零触发电路，将软件产生的正弦波形作为触发输入即可。脉冲宽度约5uS，即带宽200KHz。

图3

另外需要说明，用于音频测试的计算机是有要求的，应该是配置简单、性能稳定、电磁干扰小的系统，否则难以达到应有的性能指标。一般来讲音频测试并不需要很高速的计算机，因此可以用“过期”的低速系统(主频四五百兆以上，内存尽可能大)来构建测试平台，并辅以合理的降噪、隔离、屏蔽措施。

这样的硬件系统可以说是非常简单的，但它已足以胜任绝大多数常见的专业测试系统所能进行的测试项目，其它的工作我们要依赖软件的强大处理能力。

3.软件“三剑客”简介

目前适合配合声卡作为音频虚拟仪器使用的软件有好多种，其中包括专门为声卡音频虚拟仪器设计的软件。但笔者只推荐三种软件：Spectra，Adobe Audition(原CoolEdit)，和RMAA。

这三种软件的共同优点是功能强，精度高，数值特别精确，图示非常精细，可以放大到很高倍率，展示出分毫毕现的图示化分析结果，完全可以满足专业化测量测试的要求，对于业余应用更是绰绰有余。另外，三种软件中RMAA是免费软件，另两种的试用版都可以使用全部功能，而有些功能不咋地的软件试用版却设置种种障碍而无法实用。要知道Adobe Audition 1.0的售价为299美元，而Spectra LAB432的全功能版价值3995美元！对于囊中羞涩的电子爱好者，这种天价软件的全功能试用版何等可爱！因此它们都非常值得推荐。

三种软件的侧重点不同，各有长处，互为补充，即便是免费的RMAA也具有特有的非常实用的功能，决不可小觑！根据不同的测试项目选用不同的软件，将使你拥有一套音频测试的倚天利剑！

根据笔者的实验，三种软件结合可以完成几乎所有的常见专业音频测试项目，并且自由度更大，可以设计非常复杂的测试信号和自由设计测试过程。不过有些项目的测试操作和计算分析可能比某些专业的软硬件系统复杂些，这当然也是可以理解的。

先来看Spectra，最高版本Spectra LAB432。这可是身出名门，由著名的惠普公司分离出的Sound Technology公司推出的音频分析软件。Spectra LAB即“频谱分析实验室”的意思，其主要功能也正是图示化的频谱分析，也可以产生常用的测试信号，最大的特色是可以进行三维频谱分析，为我们进行脉冲响应测试分析提供了可能性。

再看Adobe Audition，最新版本1.0，2003年8月才发布。是由Syntrillium公司开发的CoolEdit Pro2.1变化而来，因为2003年中Syntrillium公司被Adobe公司收购了。CoolEdit的意思是“（音乐）酷编辑”，本来是为录音和多轨音频编辑处理而设计的，但是由于其波形发生和处理的强大功能，使其可以产生和编辑几乎任意的波形，因此作为音频虚拟仪器软件很合适。

最后说说RMAA，即“Right Mark Audio Analyzer”，意即“客观音频分析软件”，是由俄罗斯硬件资讯网站IXBT.com开发的音频硬件测试软件，最新版本5.2，2003年12月8日才发布。可别小看它是免费软件，功能可一点不弱，不但可以快速测试频响、噪声、动态范围、谐波失真、互调失真、通道分离度等全部项目，更为可贵的是提供了频响校正、全频带谐波失真测试等独有的功能，使用很方便，十分值得推荐！

4. 音频测试项目简介

4.1. FFT

首先介绍一个最重要的概念：FFT，即快速傅立叶变换，上述软件的许多测试项目都是基于快速傅立叶变换分析的结果。这是现代电子学频谱分析的常规手段，特别是引入计算机技术后，更是方便快捷而且直观精确的不二选择。简单讲，一般信号波形的记录都是以时间-幅度相关的形式直观表现出来的，称为时域分析；而快速傅立叶变换就是分析计算信号波形中的频谱成分强度，将其能量从时间积分，从而得出频率-能量相关的形式，称为频域分析。注意这里讲的是频率-能量相关，而非一般认为的频率-幅度相关，因为傅立叶变换实际上已经无法确认信号不同频率间的幅度关系，而只能计算出其能量关系。理解这一点对理解快速傅立叶变换分析的结果很重要，据笔者所知大部分教科书或工具辞书都没有讲明这一点，软件的帮助文件也常常做出频率-幅度相关的错误解释，所以提请读者注意。

对于完全随机分布的信号，例如白噪声、粉红噪声，其每一频段能量平均分布在所有时段，因此与振幅是完全成正比的，故而FFT分析的结果称为频率-幅度关系也是可以的；但对于那些各频段能量分布随时间变化的信号，例如对数扫频信号、一般的语音、音乐，就不能这样理解了，事实上它们的高频部分振幅与低频相同或甚至更高，但FFT分析的结果却是低于低频的，因为它们占的时间比例小，这时必须用能量的观点去理解，否则会令人困惑，这是笔者长时间学习和分析思考得出的结论。

在用Spectra和Adobe Audition进行扫频测试时，上述思路会对我们分析和做结论有所帮助。例如对数扫频的振幅实际是恒定的，但FFT分析的结果为-3dB/oct衰减（oct：octave，八度音，倍频程）。

4.2. 频率响应测试

频率响应的平直与否直接关系到重放频带的范围以及重放信号的保真度。对于所有电声设备，频率响应无疑是最基本的指标，因而成为所有测试项目中最基本的一项。传统的频率响应测量大多采用扫频/点频信号或白噪声/粉红噪声信号，电路测试比较简单，只需将待测设备接入回路并调节好回路电平即可，声学测量大多在专业消声室进行。由于消声室构造复杂投资大而难以普及，近几十年开发了许多适用于普通房间环境的测试方法和测试系统，其基本原理一般都是用一个合适的时间窗口来接受信号，其它时间关闭以舍去反射的影响。近年来计算机技术的进步使得复杂的程序和计算得以快速完成，FFT分析普遍使用。现在几乎所有的专业测试系统都是基于计算机的，大多具有时间窗口功能，可以在普通环境进行声学测试，比较好的系统具有脉冲响应FFT分析和前/后沿累积频谱三维显示功能，能够对电声器材的特性进行更全面和深刻的反映。

这些系统当然都是相当昂贵的，不过本文介绍的软件可以完成所有类似的测试项目。

先说噪声测试，即用白噪声、粉红噪声作测试信号。Spectra和Adobe Audition都可以产生精确的噪声，而RMAA的普通测试模式为一段类白噪声，频带范围为5Hz至1/2取样频率，其实质是一系列点频的混合，在 1KHz至10KHz间最密集，而且其高低频都有衰减，其目的是与实际的音乐频谱尽量接近，并不是严格的白噪声。

再看扫频测试。Spectra和Adobe Audition都可以自己定义扫频特性，特别是Adobe Audition，可以非常自由地产生想要的信号。RMAA的声学测量模式为20至20000Hz的对数扫频，但与Spectra和Adobe Audition的分析方法有所不同，正常的结果是完全平直的。

脉冲响应测试和FFT分析需要Spectra和Adobe Audition配合，也可以称为“瞬态响应”，放到5.4节讨论。

4.3.信噪比

信噪比是反映器材质量的又一重要指标，由器材产生的与输入信号无关的信号都是噪声。信噪比指的是设备能够处理的最大信号与噪声的比值，一般以最大信号为0dB，噪声用负分贝值表示，即在最大不失真信号的若干分贝以下，取正值就是信噪比。噪声大的设备会将小信号淹没，丢失许多信号细节，因此噪声应该越小越好。噪声也是有频带的，有时可能频带很宽，但我们计量时一般只取音频范围，而且要用人耳的敏感曲线（A计权）去均衡，可以得到实用的，也是更好看的噪声指标。例如-120dB的噪声表示噪声有效值是最大不失真信号的百万分之一，差不多是现代声卡、放大器所能达到的最好水平。而-80dB 的噪声表示噪声有效值是最大不失真信号的一万分之一，只能算一般水平。

噪声的测量是比较简单的，只需测量无输入信号时的输出电平即可，不过要注意应该将设备的增益调节到最大不失真状态，否则会给出虚假的高指标。这在任何测试系统里都是一样的。

在用FFT分析时可以引入“分段噪声”的概念，与我们听音的要求是不一样的。例如某系统的噪声是-85dBA，那么一般认为-85dB以下的信号就无法还原了。但事情并没有那么简单，-85dBA的噪声到底是由哪些频段产生的呢？

图4

让我们看一看噪声频谱分析的情况。如图4，这是一个典型的主板集成声卡的噪声频谱，由Adobe Audition分析出的结果。RMAA测试的结果为噪声水平-53.0dBA，可以说是相当差的结果，而且二者是吻合的。由图中我们可以看出，其噪声能量大部分分布在300Hz以下，而且主要是由50Hz和75Hz的谐波产生的，可以推断是交流电源和显卡的干扰造成的，而其余频段则能量小得多，到 1KHz以上都在-86dB以下。这就是“分段噪声”的体现。

怎么理解上述的分析结果呢？简单的办法就是将上述曲线看作“掩蔽曲线”（峰谷多的地方取峰值顶点连线），凡是频谱在此曲线以下的信号都是不可能正确还原的，而不是简单的所有低于-53.0dB的信号。比如在1KHz以上-80dB的信号就可以还原（当然质量不高），由FFT分析检测出来，实际上人耳也有类似的检测能力，只不过由于掩蔽效应，灵敏度比计算机的精确FFT分析要低很多。

4.4.动态范围

动态范围是指设备能够处理的最大信号与最小信号的比值。这个概念容易与“信噪比”的概念混淆，那么二者有什么区别呢？可以理解，小于噪声幅度的信号是无法正确还原的，但是有的设备能够在无信号或信号特别低时从某些环节将噪声连同小信号切除，从而得出更好的信噪比指标（这就是“动态降噪”的基本原理）。这时实质上还是无法正确处理小信号的，而动态范围的测量就可以避免这样的人为优化。动态范围的测量是用一个小信号（一般用-60dB/1000Hz 的正弦波）输给设备，然后滤除信号，测量其余频率的噪声和谐波水平，再用最大信号与之相比，结果就是动态范围。

可以预见动态范围一般要低于信噪比，但在没有特殊电路或软件处理噪声的情况下，一般二者差距不大，可以互相参考。图5给出了动态范围测试的结果。这里基本没有产生大于噪声的谐波，因此动态范围和信噪比是基本一样的。

图5

需要指出，测量出的动态范围与“理论上”的动态范围是不同的。例如现在的数字音源，大多用数字信号能够还原的理论值来标注，例如CD的动态范围96 dB ，DVD采用24bit记录能达到144dB！实际上由于模拟器件的限制，那样的指标是根本不可能实现的，你只需测试一下其噪声水平就知道了。只不过目前音像节目后期制作大部分都是用计算机数字处理的，在许多环节的处理过程中用高比特可以尽量避免信号劣化。（实际上甚至可能用48bit量化来处理！）

4.5. 总谐波失真THD

总谐波失真是指由输入信号激发的其它频率的能量总和，是典型的非线性失真。其测量方法是输入一个强信号（一般为-3dB/1000Hz，略低于最高值，防止削顶而产生大量谐波），然后测量其余频率的总能量与信号能量的比值。可以理解，总谐波失真越小，设备的保真度越高，信号的纯度越高。特别对于晶体管电路，其谐波成分大部分为奇次即基波的3、5、7倍，失真大时使声音发毛刺耳，很不耐听，因此该指标值越小越好。而电子管电路有些例外，其谐波成分以偶数为主，结果使声音显得温暖、甜润，结果虽然失真较大却挺讨人喜欢，但这已涉及到人的主观感受而不是严格的高保真概念了。

传统的测试方法THD只测1000 Hz，这其实是远远不够的，许多设备在不同的频段THD值差别很大，特别是在电声测试时，一个频点根本不可能反映全貌。好在这里介绍的三个软件都可以方便地改变THD测试信号的频率并很快得出希望的计算结果，特别是RMAA的声学测量同时附带全音频范围THD测量功能（实际可以单测2、3次谐波，也可以是 THD+N，即包含噪声），可以生成一条THD曲线，如图6所示为THD+N，直观地显示出THD变化的规律。

图6

4.6. 互调失真IMD

互调失真是由两个频率互相调制，相加相减，再加减其结果而产生的一系列谐波。当然了，本来没有的东西，还是越少越好。有些设备的频响很好，但互调失真很严重，结果表现为音质不好听。

标准的IMD测试常用的测试信号有两种，分别为250/8020 Hz和60/7000 Hz按4/1的比例混合。与THD测试一样，软件的取值范围是很广的，可以进行自由的设置。

4.7. 通道分离度

通道分离度是指各声道间互相干扰的隔离能力，也不必多言，当然越高越好了。随着数字音响系统取代普通磁带录放机，数字环绕声代替模拟系统，获得高的通道分离度已困难不大，关键在于A-D/D-A和模拟电路的性能。

5. 声学测量

先解释一下本文所涉及的两个概念：音频测量和声学测量。音频测量是广义的，一切有关音频指标的测量都包含在内，包括电路测量和声学测量；而声学测量是指涉及到电声转换设备的测量，如扬声器、音箱、耳机、麦克风等的测量。声学测量常常需要用到标准的麦克风和放大电路，比较专业化，也比纯电路测量要复杂得多，大多涉及到环境的影响，因此将其单独列出来讨论。

5.1. 扬声器/音箱阻抗

阻抗测试是与一般电路测试类似的电声测试项目，不需要电声转换输入（传声器），因此测试也比较方便。测试信号为线性或对数扫频，用于计算扬声器电参数时可以只取到几百赫兹的低频，以便快速完成测试。典型的测试电路如图7所示，只需要用一台功放和一只标准电阻接入测试回路即可，即给扬声器提供一个10mA恒流扫频信号来记录其两端的电压曲线，从而求得阻抗曲线。用扬声器阻抗曲线可以计算出几个重要的参数，如谐振频率“Fo” 和扬声器的“Qo”值，即品质因数等。具体的测试原理和计算方法许多书籍和文章都有介绍，但方法有所出入，有些存在缺点和错误，得不到精确的结果。这里介绍一套比较详细和精确的计算方法，详情见下节。

图7

音箱测试与扬声器测试原理一样，典型的音箱阻抗曲线如图8所示。对于目前最常见的倒相式音箱，其低频扬声器阻抗特性有一个特点，那就是双谐振峰。这是由于倒相管的谐振耦合到了扬声器上，使其除频率较高的扬声器振动系统谐振峰外在较低的频率增加了一个谐振峰。根据倒相式音箱的设计理论，当两个峰值相等时倒相管处于正确的谐振状态，如果第一谐振峰低，则说明倒相管太细太长，反之则证明倒相管太粗太短。根据这一原则，我们可以方便地对音箱倒相管的状态进行检测调整。图中给出了一个正确设计的倒相音箱的低频阻抗分析曲线，由AdobeAudition生成。当然也有双谐振峰不等而造成特殊效果的设计，不过无论如何，知道阻抗曲线对了解音箱的低频特性是有益的。

图8

5.2. 扬声器电参数计算

扬声器的电参数计算大多是基于自由场测试阻抗曲线得出的，实际只有单峰。这里我们借用一下图8中的第二谐振峰来说明。计算步骤如下：

1）.测量直流阻抗Re。
2）.计算谐振峰F0处的阻抗Zmax
3）. R0=Zmax/Re
4）. Rf=Re/
5）. 查找F1、F2，分别为曲线上F0前后阻抗等于Rf的点。
6）. Qms=F0* /（F2-F1）…………………机械Q值
7）. Qes=Qms/（R0-1）…………………………电Q值
8）. Qts=Qms*Qes/（Qms+Qes） ………………总Q值

这里的Qts就是上节所述的Qo。

扬声器的另外一个重要参数是Vas，即等效容积。它对于音箱设计时快速选定箱体容积非常有用。测试时需要将扬声器装在一只小的密闭箱体上，磁体向外，防止影响体积。该箱体的大小应使扬声器谐振频率提高一半以上，容积为Vt。新的谐振频率记为Fct。然后用上述公式计算出新的电Q值，记为Qect。

Vas=Vt*（Fct*Qect/F0*Qes-1）

上式可近似化简为：

Vas=1.15*Vt*[（Fct/F0）2-1]

也可以得到相当精确的结果。如果我们采用可调容积的测试箱，使Fct/F0固定为1.5，则

Vas=1.44*Vt

5.3.扬声器/音箱频率响应

如前所述，专业的扬声器频率响应测试一般是在消声室内进行的，这对业余爱好者当然是可望而不可即的，那么我们如何进行测试呢？

对于低频扬声器，最简单的方法是近场测试，即将传声器放到离扬声器中心5-10厘米的地方，传声器轴线与扬声器轴线重合进行测量，这时环境产生的反射和驻波都远远低于直达声强度，可以忽略不计。这对封闭式音箱箱体设计测试已经够用了。

然而对于高频扬声器，近场测量是不可取的。因为当频率高到一定程度，波长的1/4与音箱面板尺寸接近或更小时，将会产生严重的干涉现象，造成严重的频响峰谷，近场测量根本不能正确反映事实。另外倒相式音箱和多扬声器系统没有单一的轴心，也无法进行近场测试。

过去几十年中，许多学者付出了很大精力研究上述问题的解决办法，设计了几种巧妙的测试方法的测试系统，其中最有效、应用最广泛的就是下节介绍的瞬态响应测试。这里先给大家介绍一个更容易实现的方案，即余弦猝发声。

根据余弦猝发声测试的原理，用余弦包络的五周正弦波信号驱动，再用峰值检波器读取，就可以消除反射和驻波的影响。而本文介绍的软件产生和记录这样的信号都非常方便，用Adobe Audition生成信号，由Spectra记录和分析，因其有“峰值保持”功能。图9给出了一个典型的余弦猝发声波形。

图9

5.4. 扬声器瞬态响应——瀑布图

扬声器的频率响应是一个重要指标，但还远远不能反映扬声器的全部性能。反映扬声器性能的另外一个重要的指标就是瞬态响应。由于扬声器是一个复杂的机电模型，有其特殊的惯性特征，并不是信号一来立刻能跟上反应，信号一停马上能停止振动，而是有一个“加速”和“刹车”的过程，这就是扬声器的瞬态响应特征。在实际工作过程中，由于信号是不断变化地输送过来，因此这些“加速”和“刹车”的过程是叠加错杂的，结果就是在信号中叠加了一些特别的谐波，这才是不同的扬声器间风格差异很大的主要原因。

测量瞬态响应的基本原理，就是测量每一频率前后沿的衰减特性。可以想见，这在没有计算机自动化测试的时代是非常费事而且测量很困难、结果难以精确的测试项目。

在计算机FFT分析得到应用后情况完全改观。由电子频谱学的基本原理可知，一个脉冲信号包含了非常广的频谱，其低频下限为脉冲间隔频率，高频上限为脉冲宽度的倒数，例如10微妙的单脉冲即包含了从直流一直到100KHz的频谱。我们可以认为脉冲是在有限频段内各频率成分间相位完全一致的白噪声，其特性是基本一样的。这样的信号产生和记录都很方便，而且有一些附带的优点，其一是可以用一个时间窗口来切除反射，其二是可以取任意多个脉冲响应来平均以降低噪声的影响。有了这些特征，脉冲响应测试可以在普通环境中得出基本相当于消声室的测试结果。

脉冲响应的FFT分析，即脉冲的前/后沿累积频谱，一般俗称“瀑布图”，因为其形状确实像山脉、瀑布和水面组成的图画，挺“漂亮”的。虽然这个东西比较专业，不很容易理解，但对于理解电声器材的性能特征是非常重要的，这里给大家解释一下。

图10

一个典型的脉冲波形记录如图10所示，由于是很大的倍率显示，出现反射前的E点无法显示出来，图中只是示意点。所谓“后沿累积频谱”，就是从脉冲顶点0开始，向后切取到出现反射前的E点，进行FFT分析，得出频率响应曲线；然后将开始点变为波峰后的1、2、3……点，重复上述过程，得出第1、2、3……条余波曲线；这样不断变换切取点，直到切取点达到预定的延迟时间（例如1毫秒）。当然实际的切取间隔要比图中示意密得多。将这些曲线累积显示，即得到后沿累积频谱的三维显示图，一个典型的后沿三维累积频谱如图11所示。这里脉冲的产生和记录以及后期的切取处理都是由 Adobe Audition完成的，而三维累积频谱由Spectra LAB完成。

图11

从图中我们可以看到，最后一条频谱线，即时间位于0毫秒的曲线，就是频响曲线。靠前的叠加上去的曲线都是余波，到0.5 毫秒后，大部分余波已经降到阀值以下，成为“水面”，但仍然有一些频率的余波一直持续到1毫秒以后，如光标处约620Hz的地方。这样的余波对准确还原音频信号肯定是不利的，然而目前还没有能够不出现长余波的扬声器，只能采取折衷措施避免太差的响应，这也正是扬声器设计的难点所在，是扬声器质量差别的关键地方。

前沿累积频谱的测试与上述过程类似，只不过切取点是向前推，时间轴取负值，实际应用的较少见。

前/后沿累积频谱的有效低频下限是由0点到E点的长度决定的。对于任何信号的FFT分析，其最低频都是有效信号长度的倒数，即必需能接收到一个完整的周期，才能完成FFT分析。例如测试时扬声器和传声器距离所有的反射面最近为1.5米，来回共3米，因为声速为300米/ 秒，可知反射将在0.01秒后出现，这样切取后低频下限就被限制在100Hz。实际使用时一般再将此值提高一倍，得到更加精确可靠的结果，这也正是一些专业测试系统的参数。

上图中低于100Hz的曲线不足取信，不必理会。事实上专门设计的测试系统是不会显示低频下限以下的频率曲线的。

6.直流信号测试

我们知道，所谓的音频信号都是交流信号，那么我们关心的一些直流信号例如温度记录和控制、电压、湿度、机械压力、位置等等，能不能用本文介绍的系统来记录和分析呢？这要从软硬件两方面看。首先看软件，Spectra和Adobe Audition都是具有直流信号记录、分析的功能的，Adobe Audition还能产生和编辑处理直流信号。但毕竟它们都不是专门的过程测控软件，有时候有些力不从心，业余试验探索一下倒也不妨。不过它们对瞬态变化的反应都不错，可以记录和分析像开关过程、冲击过程等通常难以捕捉的信号，具有存储示波器的主要特征，而且更精细得多，波形的存储、后期处理和计算都更方便。

再看硬件。与通用的虚拟仪器硬件不同，一般的声卡都是为音频应用而设计的，理所当然不具备直流信号的处理能力。好一些的声卡能处理低至几赫兹的信号，比较差的甚至在20Hz就有比较严重的衰减，靠这样的声卡去处理直流信号当然不行。不过从技术资料看有些顶极的专业声卡可能是具有直流处理能力的，可惜笔者没条件试验。不过话说回来，用那样昂贵的声卡来“玩”是太奢侈了。那么就没有合适的声卡了吗？幸运得很，经笔者多方考察、分析、试验，找到了一款，而且是几乎最便宜的PCI声卡。这就是CMI8738，由台湾骅讯公司设计生产，这是笔者所知的唯一能够输出/输入直流信号的声卡。

判断一款声卡是否具有直流处理能力，最简单的办法就是用Adobe Audition产生一段直流信号，然后用声卡的内部混音端口录音，如果能完全一致地录制，则证明具有直流处理能力，反之则不行。当然这样只是证明了声卡核心的直流处理能力，要实际使用还需要对模拟输入/输出部分进行改造，因为一般的声卡输入/输出都带有隔直电容，不可能正确处理直流信号。图12给出了 CMI8738内部混音端口录制的直流信号波形。图中光标处（约4.8秒处）为信号起始点，其前面为按下录音按扭后按播放按扭前的等待时间，信号长度为 10秒，其后面又跟着一段按停止按扭前的静音，这些都证明信号是确确实实正确录制下来的。

图12

对于CMI8738，所有的数字/模拟信号处理都集成在单一芯片内，我们只需要将输入/输出隔直电容短路即可，实践证明这样就可以从外部处理直流信号了。但是有一个问题，这时无信号的地参考电位被记录在波形负峰值处，无法记录和处理负信号，因为CMI8738的核心参考电位在1/2VCC处（实际上大多数单电源供电的设备都是这样的）。这时我们可以将输入/输出的地端断开，接到一个1/2VCC参考电位上即可，实际用稳压管、基准电源等都可以。这样一个廉价而精度相当高的直流虚拟仪器硬件就完成了。

7.虚拟仪器系统定标及计量

以上所述都是定性测量，还没有涉及如何精确计算声卡测量的数值。

最近在网上看到不少言论，称声卡是不能用来测试的，即便是那些顶级声卡，还有RMAA等软件测试的结果是不可靠的。

事实果真如此吗？笔者不敢苟同。诚然，最好的专业测试系统指标是要比顶级声卡好一点（但差距已经不明显），也不大可能有专业厂家用声卡当作测试仪器。但专业测试系统的天价是一般人根本不敢问津的，况且专业厂家不用声卡当作测试仪器，根本原因是因为没有配套的接口和标准计量档位，使用不方便，并不是质量达不到要求。如果用合适的计算机平台，加上简单的外部设备，当作测试仪器用是完全可以的，这不也正是我们业余爱好者可以大展身手的地方吗？

再说软件。Spectra LAB432的3995美元绝不是白要的！其精确无比的图示分析恐怕目前难有望其项背的敌手。而RMAA的测试信号是有点特殊，因此有细微差异也是正常的。笔者使用中发现三个软件的测试结果都相当稳定，而且可以相互印证！当然简约稳定的计算机系统是软件可靠运行的必要条件。

下面我们就看看如何给声卡虚拟仪器系统定标。

声卡输入输出时波形电平所对应的外部数值是怎样的？换句话说，波形输出后电平多高，录制的波形电平对应多高的电压？专业声卡可以将输出电平做成标准的0分贝（0.775V）或+4分贝（1.228V）并可以设置和精确显示，但一般多媒体声卡大多做不倒，事实证明不同的声卡输入输出电平是不同的，这点有必要搞清楚，以便于准确计量和防止过载。

由于WINDOWS的音量控制条只能作大概的滑动，不能进行准确的调节，一般声卡驱动程序所带的音量控制台也是如此，这在一般放音使用时当然不存在什么问题，但要作为计量标准就不行了。因此我们一般将其固定在最大值进行测试，首先测量输出值，用Adobe Audition 产生一段扫频正弦波播放，同时用一只精度较高的交流电压表测量输出电压，扫频的范围根据电压表的频响范围而定，一般万用表取20 Hz至2000 Hz，而专用的交流毫伏表可取到20kHz以上。接下来测量输入对应值，将扫频信号通过输入端口回授录制下来，根据录下的波形电平可以求得输入特征电压，一个可能的情况是输入增益高，结果发生过载，这时必须调低放音音量，使录制电平刚好达到0分贝，再回头测量该音量放音的电压值即可。

将上述两个特征电压记录下来，结合输入输出放大/衰减部分的倍率，就可以求出需要的数据。下面给出分贝值变化与电压变化的关系式：

S=20log(V1/V0)   < 分贝值等于变化电压与参考电压的比值以10为底取对数再乘以20>

例如：8738声卡的0分贝波形输出对应1.1205V电压（正弦波有效值），将此波形从线路输入端录入（静音选中），得到的电平值为-0.753dB（幅值91.70%，16 bit样本数30048），略有衰减，不会发生削顶失真，这是一个非常好的特性。据此我们可以计算出录制电平为0分贝时对应的输入电压为1.2224V （相对于0.775V的0 dB约+4dB）。

既然有些专业声卡能够对输入输出电平进行精确设置，那么我们可不可以借用其驱动程序呢？很遗憾，据笔者所知该类声音控制驱动都是专用的，不能用于其它声卡，其突出的表现就是与WINDOWS的音量控制不连动；而一般多媒体声卡的音量控制驱动大多采用标准的VXD或WDM程序编写，可以与WINDOWS的音量控制连动，从而也就能够用于其它的声卡。那么一般多媒体声卡到底有没有能够精确调节音量控制的呢？笔者多方寻找，终于碰到了一种，这就是Avance ALS300的驱动程序。

该声卡的质量不敢恭维，但其音量控制很有特色，如图13所示，除了与其它控制程序一样能够在音量指示条上用鼠标拖动调节外，还可以点击右侧的“∧”、“∨”按钮来调节，这时是以步进的方式来调节的，左侧指示窗口的指示条也将逐格增减，我们根据指示条的状态即可知道音量衰减的准确数值。

图13

现将指示条的状态与衰减倍率的关系列表如下（200Hz正弦波，8738声卡线路输出端，经精确检定的UT56四位半万用表AC 2V、200mV档测量）：

由表格给出的数据可知，该控制程序的主音量控制基本是以2分贝一格的步长调节的，而波形控制的步长不是整数，不推荐使用。可能是编程的bug，1格的数值有两个（点击控制按钮两次均显示一格），而15、16格的数值相同，使用时要注意，不过我们一般不应将衰减率调到一格。

该声卡驱动程序可以到http://www.realtek.com.tw网站去下载（这类软件都是免费的），特别说明，你并不需要真正使用该声卡，只需将声卡驱动程序安装，就会产生一个上述的音量控制工具，随时打开都可以控制其它实际使用的声卡。

知道了声卡输入输出电平对应的外部电压，再我们的扩展接口和衰减/放大调节面板上标定数值不就是很简单的事了吗？我们业余爱好者最大的乐趣，不就是这样“少花钱多办事”吗？

结语

可以看到，用本文介绍的方案构建音频虚拟仪器，具有极其灵活的选择余地，投资可大可小，功能强大无比，可以做出最精确的测试数据，软硬件都可以随时自由搭配和升级，而且互不影响……优点数不胜数。在这里我们要感谢文中提及的软件和硬件的开发、制造、推广人员，是他们的辛勤劳动和合理设置使我们具备了所有的必要条件！

想仔细看看火花放电的波形吗？想试试脑电图、心电图的测试吗？想知道二极管的特性曲线吗？想测试压敏/热敏器件的反应时间吗？想知道保险管熔断的过程吗？……这些以前业余爱好者测起来很困难甚至根本无法测的过程，现在都可以轻松搞定！当然具体的应用涉及具体的专业知识，也涉及具体的安全措施，提请大家注意，希望大家在掌握必备的基础知识后再行动。无论如何，该系统可以给我们的想象和好奇插上翅膀，让我们自由翱翔于电子世界的广阔天空！

http://jyzx.zsjy.gov.cn/XKJY/ShowArticle.asp?ArticleID=67