音频分析的原理及应用探析

音频是多媒体中的一种重要媒体。人们能够听见的音频信号的频率范围大约是60Hz～20kHz，其中语音大约分布在300Hz～4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。声音经过模拟设备记录或再生，成为模拟音频，再经数字化成为数字音频。这里所说的音频分析就是以数字音频信号为分析对象，以数字信号处理为分析手段，提取信号在时域、频域内一系列特性的过程。衡量音频设备的主要技术指标有频率响应特性、谐波失真、信噪比、动态范围等。

音频测量一般包括信号电压、频率、信噪比、谐波失真等基本参数。大部分音频参数都可以由这几种基本参数组合而成。音频分析可以分为时域分析、频域分析、时频分析等几类。由于信号的谐波失真对于音频测量比较重要，因此将其单独归类为失真分析。

1）时域分析通常是将某种测试信号输入待测音频设备，观察设备输出信号的时域波形来评定设备的相关性能。最常用的时域分析测试信号有正弦信号、方波信号、阶跃信号及单音突变信号等。

2）频域分析是音频分析的重要内容，频域分析的主要依据是频率响应特性曲线图。正弦信号检测、脉冲信号检测及MLS信号检测都能够得到设备的频率响应。频率响应曲线图反映了音频设备在整个音频范围内的频率响应的分布情况。一般来说，曲线峰值处的频率成分，回放声压大、声压强；曲线谷底处频率成分声压小、声音弱。若波峰和波谷起伏太大，则会造成较严重的频率失真。

3）时频特性描述了音频设备在时间轴上随着时间的变化其频域特性的变化情况。时频特性不仅在频率的变化过程中描述了音频设备的响应状态，而且还在时间的变化过程中描述了音频设备的响应状态，也就是从三维的角度全面地描述了音频设备的响应特性。描述音频设备时频特性的常用工具是后沿累积频谱图，也称瀑布图。在某个时刻将激励信号输入待测设备，在接下来的一段时间内，不断地采集设备的输入信号并作出频率响应曲线，然后将曲线按照时间顺序叠加到同一幅图上，就形成三维的后沿累积频谱图。(www.xing528.com)

4）音频设备的失真包括谐波失真、互调失真、相位失真及瞬态失真等几类。谐波失真是音频测量中最重要的一类失真，是衡量音频设备性能的重要指标。谐波失真，简单地说，就是声音信号经音频设备重放后多出来的额外的谐波成分。谐波失真可由式（14-4）表示

式中，e₁为信号基频分量的电压值；e_i（2≤i≤N）是信号各次谐波分量的电压值；e_n是信号噪声电压值。

式（14-4）表示的是总谐波失真和噪声成分在信号所占的比例，通常记为THD+N。在音频分析中，有时还要测量各阶谐波成分在信号中各自的比例，称作i（i≥2）阶失真。谐波失真的单位即可以是百分比，也可以采用分贝值。

在实际的音频测量时，通常在一定的频率范围内选取若干个频率点，分别测量出各点的谐波失真，然后将各谐波失真数值以频率为横坐标连成一条曲线，称为谐波失真曲线。