1 引言
標(biāo)準(zhǔn)音頻測試主要由經(jīng)典的正弦波激勵（例如步進正弦波、chirp和雙音）主導(dǎo)。盡管如此，多音測試仍具有許多優(yōu)點，雖然不是新事物，但它常常被忽略或未得到充分利用。
如今，越來越多的音頻設(shè)備使用無線連接。不幸的是，這種無線連接帶來了傳統(tǒng)有線連接所沒有的新挑戰(zhàn)和新問題。對于這些現(xiàn)代音頻設(shè)備的制造商和設(shè)計師來說，音頻測試和測量方案需要克服這些問題并提供準(zhǔn)確可靠的結(jié)果，這一點至關(guān)重要。
本文介紹了多音測試以及如何克服無線連接導(dǎo)致的問題。
圖1：多音測試方法概覽
2 多音測試
多音測試已經(jīng)存在多年了，首先它產(chǎn)生由多個音調(diào)組成的稀疏激勵信號，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，與激勵信號對應(yīng)的激發(fā)頻率處的能量被分離出來，剩下的部分則包含了音頻系統(tǒng)的失真及所有噪聲。圖1對該過程進行了描述。
2.1 激勵信號
如IEC 60268-21[2]所定義，多音激勵信號包括三個或更多音調(diào)，每個音調(diào)具有唯一且固定的頻率。如表1所示，多音信號的波峰系數(shù)比正弦波激勵大得多。為了比較信號，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)點非常接近均值對比非常遠(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，因為峰度可以告訴信息的相似性，且統(tǒng)計特征更可靠。表1對此進行了說明，其中粉噪的波峰系數(shù)理論上可以是無限的，但在實際系統(tǒng)中，總是有一個上限。但是，實際系統(tǒng)的波峰系數(shù)并不可靠，因為它取決于所分析信號的峰值，該峰值可能隨時間變化，并且可能隨捕獲信號的長度而變化。當(dāng)比較峰度值和平穩(wěn)度時，多音激勵與粉噪非常相似。
表1：幾個常見音頻測試激勵信號的比較
多音激勵信號的偽隨機性也很重要。對于類噪聲信號，頻率分量的相位應(yīng)該是隨機的。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信號可以重復(fù)得到，從而獲得可重復(fù)且可比較的測量結(jié)果。根據(jù)特定的測量應(yīng)用，信號也很靈活。激勵信號通常定義在一個頻率范圍內(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
如前所述，多音激勵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，無論是音頻設(shè)備的基波頻率響應(yīng)還是全面失真評估都可以提取出來。這種失真測量包括了諧波和互調(diào)成分，可被認(rèn)為是失真“指紋”。
當(dāng)施加的激勵信號有足夠?qū)挼念l率范圍、足夠的密度（例如，每倍頻程≥10個音調(diào)）和足夠的振幅（大信號域），則會激活換能單元的所有非線性，導(dǎo)致典型的加熱和強制對流冷卻，（如果有的話）還會激活DSP保護功能（限幅器、壓縮器等）。
最后，多音測量帶來了一些非常棒的實際好處。它可以在同一測量中快速評估音頻設(shè)備的基波響應(yīng)和失真響應(yīng)，還可以用于長期功率和壽命測試。當(dāng)用于比較和基準(zhǔn)化不同的音頻設(shè)備時，與僅使用正弦波測試相比，它可以提供更加真實、完整的結(jié)果。IEC60268-21的多個方面都建議了多音測試，包括評定maxSPL、100小時測試和輸入校準(zhǔn)[2]。
2.3 缺點
多音測量的綜合失真評估給出的失真曲線，其各個失真分量無法分離，這意味著諧波成分無法與互調(diào)區(qū)分開。同樣，偶次和奇次失真分量也無法區(qū)分，因此無法找出跡象表明非線性是對稱的還是非對稱的。
最后，多音測量是基于能量的測量。因此，它對脈沖失真（也稱為異常音rub&buzz）不是很靈敏。需要靈敏的脈沖失真檢測，建議進行時域分析[5]。
3 無線多音測試
盡管多音測試的好處顯而易見，但通過無線連接測試現(xiàn)代音頻設(shè)備還是會產(chǎn)生一些其他問題，需要克服這些問題才能獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。
3.1 無線連接問題
無線連接中發(fā)現(xiàn)的一個問題是較大的延遲，這在傳統(tǒng)模擬連接中是不存在的。根據(jù)無線連接的特定類型和總設(shè)置，延遲可能會大于0.5秒。雖然恒定和穩(wěn)定的延遲將更易于處理，但無線連接的延遲可能會發(fā)生很大變化。M.Liebig先前調(diào)查了7,800次重新初始化過程后藍(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，這對應(yīng)于超過21米范圍的聲音延遲。
圖2：重新初始化后無線連接到藍(lán)牙耳機的延遲分布
另一個問題是采樣抖動，它是由音頻設(shè)備和測量設(shè)備的采樣率之間的不匹配產(chǎn)生的。與延遲問題相比，這給多音測試帶來了更嚴(yán)重的問題。在使用模擬連接測試音頻設(shè)備時有時也會出現(xiàn)相同的問題，如果激勵發(fā)生器和分析儀捕獲的響應(yīng)不能共享公共時鐘并且不能完全同步。實際的結(jié)果是信號的頻率轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致響應(yīng)比激勵稍短或更長。如果響應(yīng)比激勵短，響應(yīng)則包含了更高的頻率（向上移動）；同樣，如果響應(yīng)時間長于激勵，響應(yīng)則包含了較低的頻率（向下移動）。這會導(dǎo)致激勵和響應(yīng)之間的非相關(guān)性，且隨著頻率而增加，從而降低了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。這種動態(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。盡管這會產(chǎn)生失真，但與幅度調(diào)制不同，它只會對感知音質(zhì)產(chǎn)生較小的影響，因為幅度調(diào)制可能會引起波動和粗糙度[1]。盡管這些影響在聽覺上不太重要，但是如果測量系統(tǒng)無法補償?shù)脑�，則可能掩蓋音頻設(shè)備中更為嚴(yán)重的失真。它們對基波頻率響應(yīng)的影響較小，但對失真和相位測量的影響較大，尤其在高頻（≥1 kHz）時。
3.2 解決方案
在音頻測量中，處理延遲并不是一個新問題。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)延遲更長或更易變化。通常，有幾種常規(guī)方法可以處理較長和變化的延遲。第一種是使用預(yù)循環(huán)，或者在對應(yīng)于捕獲響應(yīng)的實際激勵之前使用激勵信號的迭代。如果激勵信號的長度大于預(yù)期的最長延遲，則單個預(yù)循環(huán)就足夠了。如果激勵非常短或延遲很長，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中多音測量模塊MTON允許添加預(yù)循環(huán)�？朔@些延遲的其他常見方法（產(chǎn)線測試可能需要更快的方法）包括在信號的脈沖響應(yīng)中搜索能量峰值，或者使用同步信號，例如用于Klippel QC（產(chǎn)線終端測試）的外部同步(SYN:ExternalSynchronization)軟件[3]。
采樣抖動在音頻環(huán)境中也不是新鮮事物，因為它固有地存在于所有集成了時鐘設(shè)備（例如模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器）的音頻系統(tǒng)中。一般在評估大多數(shù)有線連接的完整電聲系統(tǒng)的音頻質(zhì)量時，這些影響通常可以忽略不計。但是，當(dāng)使用無線連接時，這些影響會變得更加嚴(yán)重，并可能會破壞測量結(jié)果。避免長時測量是個良好的實踐，因為激勵和響應(yīng)之間的相關(guān)性通常會隨著時間而變差。另外，應(yīng)該避免取平均值，因為采樣抖動會隨時間變化，也就意味著連續(xù)響應(yīng)不太可能具有完全相同的時鐘關(guān)系，從而產(chǎn)生采樣抖動效應(yīng)。然而，即使避免了長時測量和平均，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)來可靠準(zhǔn)確地克服采樣抖動的影響。Klippel的MTON通過實現(xiàn)“時鐘漂移容差（Clock Drift Tolerance）”功能解決了這一問題。通過激活此功能，可以正確識別并從失真分量分離出基波分量，可避免由采樣抖動而產(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顯示了通過無線連接在一款藍(lán)牙音頻設(shè)備上使用MTON進行多音測量的不同處理的失真曲線。紅色曲線不能補償采樣抖動，無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“時鐘漂移容差”功能，可以正確識別音頻設(shè)備中揚聲器產(chǎn)生的主要失真，并且與通過有線（模擬電纜）輸入連接測得的音頻設(shè)備的失真沒有區(qū)別。
圖3：一款無線連接藍(lán)牙音頻設(shè)備的多音測量的響應(yīng)曲線：
藍(lán)色為正確處理的結(jié)果，紅色為錯誤處理的結(jié)果。
4 結(jié)論
多音測試具有許多優(yōu)點，是評估整體性能和音質(zhì)的快速而強大的工具。由于現(xiàn)代音頻設(shè)備的無線特性日漸豐富，因此音頻測試和測量解決方案必須能夠可靠地克服無線連接所產(chǎn)生的問題。Klippel的MTON可以快速、準(zhǔn)確地評估音頻設(shè)備的基波和失真響應(yīng)，即使使用的無線連接具有較長且變化的延遲和采樣抖動。
Klippel有大量免費的可用信息，這些信息涉及多音測試、無線連接測試、基準(zhǔn)測試等等。請參見參考資料中的幾個相關(guān)鏈接，包括應(yīng)用筆記、網(wǎng)絡(luò)研討會和測量模組。
文獻
[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.
