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1 引言

標準音頻測試主要由經典的正弦波激勵（例如步進正弦波、chirp和雙音）主導。盡管如此，多音測試仍具有許多優點，雖然不是新事物，但它常常被忽略或未得到充分利用。

如今，越來越多的音頻設備使用無線連接。不幸的是，這種無線連接帶來了傳統有線連接所沒有的新挑戰和新問題。對于這些現代音頻設備的制造商和設計師來說，音頻測試和測量方案需要克服這些問題并提供準確可靠的結果，這一點至關重要。

本文介紹了多音測試以及如何克服無線連接導致的問題。

圖1：多音測試方法概覽

2 多音測試

多音測試已經存在多年了，首先它產生由多個音調組成的稀疏激勵信號，這將在2.1節中詳細展開，然后捕獲并分析響應。在后處理中，與激勵信號對應的激發頻率處的能量被分離出來，剩下的部分則包含了音頻系統的失真及所有噪聲。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，每個音調具有唯一且固定的頻率。如表1所示，多音信號的波峰系數比正弦波激勵大得多。為了比較信號，可以使用波峰系數或峰度，而峰度是描述任意給定數據點非常接近均值對比非常遠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，峰度比波峰系數更可取，因為峰度可以告訴信息的相似性，且統計特征更可靠。表1對此進行了說明，其中粉噪的波峰系數理論上可以是無限的，但在實際系統中，總是有一個上限。但是，實際系統的波峰系數并不可靠，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。當比較峰度值和平穩度時，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，頻率分量的相位應該是隨機的。但是，精確的屬性特性基于一些輸入參數（seed parameters），可以確保精確的激勵信號可以重復得到，從而獲得可重復且可比較的測量結果。根據特定的測量應用，信號也很靈活。激勵信號通常定義在一個頻率范圍內，具有相應的幅值和密度，或者分辨率，如每倍頻程的單位音調。也可以應用隨頻率變化的幅度整形曲線，以使其具有例如IEC 60268-21[2]中定義的典型節目材料的頻譜。

2.2 優點

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，無論是音頻設備的基波頻率響應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成分，可被認為是失真“指紋”。
當施加的激勵信號有足夠寬的頻率范圍、足夠的密度（例如，每倍頻程≥10個音調）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備的基波響應和失真響應，還可以用于長期功率和壽命測試。當用于比較和基準化不同的音頻設備時，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[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區分開。同樣，偶次和奇次失真分量也無法區分，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代音頻設備還是會產生一些其他問題，需要克服這些問題才能獲得準確的結果。

3.1 無線連接問題

無線連接中發現的一個問題是較大的延遲，這在傳統模擬連接中是不存在的。根據無線連接的特定類型和總設置，延遲可能會大于0.5秒。雖然恒定和穩定的延遲將更易于處理，但無線連接的延遲可能會發生很大變化。M.Liebig先前調查了7,800次重新初始化過程后藍牙音頻連接的延遲，結果如圖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牙耳機的延遲分布

另一個問題是采樣抖動，它是由音頻設備和測量設備的采樣率之間的不匹配產生的。與延遲問題相比，這給多音測試帶來了更嚴重的問題。在使用模擬連接測試音頻設備時有時也會出現相同的問題，如果激勵發生器和分析儀捕獲的響應不能共享公共時鐘并且不能完全同步。實際的結果是信號的頻率轉換，導致響應比激勵稍短或更長。如果響應比激勵短，響應則包含了更高的頻率（向上移動）；同樣，如果響應時間長于激勵，響應則包含了較低的頻率（向下移動）。這會導致激勵和響應之間的非相關性，且隨著頻率而增加，從而降低了測量結果的準確性。這種動態頻率變換類似于多普勒效應的頻率調制，但是更加隨機。盡管這會產生失真，但與幅度調制不同，它只會對感知音質產生較小的影響，因為幅度調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，但是如果測量系統無法補償的話，則可能掩蓋音頻設備中更為嚴重的失真。它們對基波頻率響應的影響較小，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備和麥克風之間距離的聲學延遲。但是，無線系統中的延遲可能比正常的電學或聲學延遲更長或更易變化。通常，有幾種常規方法可以處理較長和變化的延遲。第一種是使用預循環，或者在對應于捕獲響應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期的最長延遲，則單個預循環就足夠了。如果激勵非常短或延遲很長，則可以添加更多的預循環。像大多數Klippel模組一樣，Klippel R＆D中多音測量模塊MTON允許添加預循環。克服這些延遲的其他常見方法（產線測試可能需要更快的方法）包括在信號的脈沖響應中搜索能量峰值，或者使用同步信號，例如用于Klippel QC（產線終端測試）的外部同步(SYN:ExternalSynchronization)軟件[3]。

采樣抖動在音頻環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備（例如模數或數模轉換器）的音頻系統中。一般在評估大多數有線連接的完整電聲系統的音頻質量時，這些影響通常可以忽略不計。但是，當使用無線連接時，這些影響會變得更加嚴重，并可能會破壞測量結果。避免長時測量是個良好的實踐，因為激勵和響應之間的相關性通常會隨著時間而變差。另外，應該避免取平均值，因為采樣抖動會隨時間變化，也就意味著連續響應不太可能具有完全相同的時鐘關系，從而產生采樣抖動效應。然而，即使避免了長時測量和平均，結果可能仍然不準確，我們需要一種更穩健的技術來可靠準確地克服采樣抖動的影響。Klippel的MTON通過實現“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生拖尾效應，這樣可提供準確的基波頻率和總失真響應。圖3顯示了通過無線連接在一款藍牙音頻設備上使用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制被解讀為失真。藍色曲線啟用了“時鐘漂移容差”功能，可以正確識別音頻設備中揚聲器產生的主要失真，并且與通過有線（模擬電纜）輸入連接測得的音頻設備的失真沒有區別。

圖3：一款無線連接藍牙音頻設備的多音測量的響應曲線：
藍色為正確處理的結果，紅色為錯誤處理的結果。

4 結論

多音測試具有許多優點，是評估整體性能和音質的快速而強大的工具。由于現代音頻設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生的問題。Klippel的MTON可以快速、準確地評估音頻設備的基波和失真響應，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、基準測試等等。請參見參考資料中的幾個相關鏈接，包括應用筆記、網絡研討會和測量模組。

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.