CN101355829B - 减小噪音影响的发声设备测试装置及测试方法 - Google Patents

减小噪音影响的发声设备测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

一种减小噪音影响的发声设备测试方法，包括步骤：采集发声设备所发出的模拟信号；将该模拟信号转换成数字信号；截取一段预设长度的数字信号进行第一次快速傅立叶变换得到第一频谱，记录每个频率幅值；截取2倍预设长度的数字信号进行第二次快速傅立叶变换后得到第二频谱，记录第二频谱中与第一频谱中相同的频率对应的前一频率的频率幅值即噪音成分幅值；用每个频率幅值分别减去与每个频率对应的噪音成分幅值，得到一消噪的频域音频信号；对该消噪的频域音频信号做反傅立叶变换得到一消噪后的时域音频信号并对其做相关参数测试。同时还提供了一种发声设备测试装置。通过该方法和装置，以较小的成本获得了较准确的测试结果。

Description

减小噪音影响的发声设备测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及一种发声设备测试装置及其测试方法，特别涉及一种对发声设备各项参数进行测试时减小噪音影响的发声设备测试装置及测试方法。
背景技术
目前，对发声设备如喇叭、音箱等进行测试的方法大致分为两种：一种是人工检测，主要依靠作业员耳朵听发声设备所发出的声音来判别发声设备的好坏，这种方法虽然简单，但受作业员主观影响大，而且没有考虑环境以及发声设备的噪音影响，结果不准确，检测质量低，同时作业员的听力也会受到损害。另一种是采用专用音频测量仪器如Audio Precision(AP)公司的AP2700系列等音频分析仪进行测试，该音频测试仪器测试结果很准确，但测试仪器的价格昂贵，而且测试时，须配合AP公司的标准麦克风和校准器，使之成为一套专业的电声测试系统。
中国知识产权局在2001年11月1日公告的，专利号为CN2403628Y，名称为“多功能电喇叭测试装置”的专利中揭露了一种多功能电喇叭的测试装置，该测试装置能够对车用电喇叭各项参数进行测试。该测试装置在测试电喇叭的总谐波失真时，利用传声器如麦克风采集一声波信号，该声波信号经过一A/D转换器转换成一数字信号，处理器对该数字信号截取一整周期，然后调用快速傅立叶变换程序算出各次谐波幅值相对于基频幅值的比值得到总谐波失真。然而该装置测试电喇叭各项性能时没有考虑噪音的影响，测试的准确度会因为噪音干扰而下降。
发明内容
有鉴于此，提供一种能减小噪音影响的发声设备测试装置及测试方法，对待测发声设备发出的音频信号先进行消噪处理再进行各项参数的测试，从而用较小的成本提高了对发声设备参数测试的准确性，以解决现有技术中存在的问题。
该减小噪音影响的发声设备测试装置包括一声音采集装置、一音频处理装置、一存储器及一处理单元。其中该声音采集装置用于采集一发声设备所发出之时域模拟音频信号。该音频处理装置用于将该声音采集装置采集到的时域模拟音频信号转换成时域数字音频信号。该处理单元包括一录入模块、一傅立叶变换模块、一运算模块以及一测试模块。
其中该录入模块用于将音频处理装置转换的时域数字音频信号储存于存储器中，傅立叶变换模块用于调用存储器中的时域数字音频信号并截取一预设长度的数字音频信号，对该预设长度的数字音频信号进行第一次快速傅立叶变换，记录所得频谱中每个频率的频率幅值于存储器中，再次调用存储器中的时域数字音频信号并截取两倍预设长度的数字音频信号，对该两倍预设长度的数字音频信号进行第二次快速傅立叶变换，记录第二次傅立叶变换所得频谱中与第一次傅立叶变换所得频谱中每一相同频率的前一频率的频率幅值即为该每一频率的噪音成分幅值于存储器中。该运算模块，用存储器中记录的第一次傅立叶变换的每个频率幅值减去第二次傅立叶变换后所记录的第一次傅立叶变换的每个频率幅值对应的噪音成分幅值，得到一与第一次傅立叶变换后的频率相同的频域音频信号。该傅立叶变换模块还对该运算模块得到的频域音频信号进行反傅立叶变换，得到一时域音频信号。该测试模块，对经过反傅立叶变换后的时域信号进行相关参数测试。
该减小噪音影响的发声设备测试方法包括以下步骤：采集一发声设备所输出之时域模拟音频信号；将时域模拟音频信号转换成时域数字音频信号；存储该时域数字音频信号；对所存储的时域数字音频信号截取一预设长度的时域数字音频信号，对截取的预设长度数字音频信号进行第一次快速傅立叶变换；记录所得频谱中每个频率的频率幅值；对所存储的时域数字音频信号截取两倍预设长度的数字音频信号，对该两倍预设长度的数字音频信号进行第二次快速傅立叶变换；记录第二次傅立叶变换所得频谱中与第一次傅立叶变换所得频谱中一相同频率的前一频率的频率幅值即为该频率的噪音成分幅值；用第一次傅立叶变换的每个频率幅值减去第二次傅立叶变换后所记录的噪音成分幅值，得到一与第一次傅立叶变换后的频率相同的频域信号；对该频域音频信号进行反傅立叶变换，得到一时域音频信号；对经过反傅立叶变换后的时域音频信号进行相关参数测试。
这样，通过本发明的发声设备测试装置和方法，用较小的成本获得了发声设备各项参数较准确的测试结果。
附图说明
图1是减小噪音影响的发声设备测试系统的架构图。
图2是傅立叶变换模块对音频信号进行第一次快速傅立叶变换的频谱图。
图3是傅立叶变换模块对音频信号进行第二次快速傅立叶变换的频谱图。
图4是减小噪音影响的发声设备测试方法的流程图。
具体实施方式
请参阅图1，为减小噪音影响的发声设备测试系统的架构图。该发声设备测试系统包括一发声设备测试装置1及一第一发声设备2a及/或一第二发声设备2b。该第一发声设备2a可为具有喇叭且可播放自身存储器中的音频文件的设备如媒体播放器、手机等手持设备，该第二发声设备2b为只能被动播放其他电子装置中的音频文件的设备如音箱等。在对第二发声设备2b进行测试时，该第二发声设备2b通过一音频连接线连接至发声设备测试装置1或者其他电子装置上。该发声设备测试装置1包括一处理单元10、一音频采集装置20、一音频处理装置30及一存储器40。
其中，该音频采集装置20用于采集第一发声设备2a或者第二发声设备2b所发出的时域模拟音频信号。在本实施方式中该音频采集装置20采用超心型话筒，由于这种超心型话筒对偏离方向的声音大量衰减，故应将该超心型话筒正对且尽量靠近发声设备，但是为了避免接触产生新的噪音，话筒不能接触发声设备。该音频处理装置30为普通声卡，用于将音频采集装置20采集到的时域模拟音频信号转换成时域数字音频信号。本实施方式中，通过一特定测试音频文件对发声设备进行测试，当所测试的发声设备为第一发声设备2a时，则测试音频文件存储于第一发声设备2a的存储器中，当所测试的发声设备为第二发声设备2b时，则测试音频文件存储于发声设备测试装置1的存储器40中，该第一发声设备2a以及存储器40中的音频文件可为任意频率音频信号。为了提高测试准确性，本实施方式中，该测试音频文件为1000赫兹(1KHZ)频率的标准参考音频信号。同时第一发声设备及/或第二发声设备所输出的音频信号的音量应大于90分贝，这样可减小环境噪音的干扰。
处理单元10包括一录入模块101、一播放模块102、一傅立叶变换模块103、一运算模块104以及一测试模块105。其中录入模块101，用于将音频处理装置转换的时域数字音频信号储存于存储器40中。播放模块102用于在所测试的发声设备为第二发声设备2b，且第二发声设备2b连接至该测试设备1时，调用储存于存储器40中的音频文件，并将该音频文件传输至音频处理装置30转换为模拟音频信号后通过第二发声设备2b输出。该傅立叶变换模块103调用存储在存储器40中的数字音频信号对其分别进行第一次及第二次快速傅立叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)，具体变换过程请参阅图2及图3。
请参阅图2，为傅立叶变换模块对音频信号进行第一次快速傅立叶变换的频谱图。傅立叶变换模块103调用储存在存储器40中的时域数字音频信号后，首先对该数字音频信号进行第一次FFT变换，即截取一预设长度的时域数字音频信号，为了避免不是整周期截取数字音频信号所产生的截断效应，即减小频谱泄漏，可对该预设长度的时域数字音频信号加窗处理后进行FFT变换，得到图2所示频谱图。该窗可为汉明(Hamming)窗或汉宁(Hanning)窗等窗函数。
图2所示频谱图横坐标每一个点为逐渐均匀增大的频率值，纵坐标为每个频率值的幅值(db)。横坐标每个点的频率可由下述傅立叶公式1确定：
f i = f s N * 2 * i (0≤i≤N)
其中，i表示频谱图横坐标第i个点，fi为该点的频率，fs为采样频率，N为所截取的数字音频信号长度，由于0≤i≤N，可知共有N个点表示从0HZ到fs/2的频率。
在本实施方式中，采样频率fs设为96KHZ，第一次FFT变换截取的数字音频信号长度设为4096个数字音频信号点，即N＝4096，由上述的傅立叶公式1可知得到频谱图的频率范围在0HZ到48KHZ之间，有4096个点均匀地表示这些频率即有4096个频率，记录每个频率对应的幅值即频率幅值Fa于存储器40中。
请参阅图3，为傅立叶变换模块103对音频信号进行第二次FFT变换所得到的频谱图。在第二次FFT变换中，傅立叶变换模块103再次调用存储器40中的时域数字音频信号，然后截取长度为第一次FFT变换所截取的预设长度的2倍的时域数字音频信号，对该两倍预设长度的时域数字音频信号加窗处理后进行第二次FFT变换，得到图3所示频谱图。该频谱图的频率范围仍然是0到fs/2。由傅立叶公式1可以推出傅立叶公式2如下：
i = N * 2 f s * f i (0≤i≤N)
由于第二次FFT变换的长度为第一次FFT变换的两倍，则由傅里叶公式2可知，若第一次傅立叶变换后表示频率fi的点为第i点，则在第二次傅立叶变换后表示频率fi的点将变为第2i点，即在第二次傅立叶变换后，表示相同频率值的点数为第一次傅立叶变换后的两倍。即在本实施方式中，如果第一次FFT变换中代表每个频率点为1、2、3、...、4096，则在第二次傅立叶变换后代表同一频率的点则变为第1*2、第2*2、3*2、...、第4096*2点等偶数点，第1、第3、第5、...、第8191等4096个奇数点为新插入的点，即为第一次FFT变换的各频率分离出来的噪音成分，即第二次FFT变换的第2n-1点为第一次FFT变换的第n点分离出来的噪音成分(1≤n≤4096)，例如第1点为第一次FFT变换的第1点的频率分离出的噪音成分，第3点为第一次FFT变换的第2点的频率分离出来的噪音成分，第5点为第一次FFT变换的第3点的频率分离出来的噪音成分，...，第8191个点为第一次FFT变换的第4092点的频率分离出的噪音成分。记录该每个奇数点的幅值即噪音成分幅值Na于存储器40中。
在得到消噪前信号频率幅值Fa以及噪音成分幅值Na后，运算模块104用频率幅值Fa逐一减去噪音成分幅值Na，即，该第一次FFT变换的第1点的幅值减去第二次FFT变换的第1点的幅值，第一次FFT变换的第2个点的幅值减去第二次FFT变换的第3个点的幅值等等。则可消去大部分噪音，得到消去了噪音成分的有4096个点的频域信号。傅立叶变换模块103对该消去了噪音成分的频域信号做反傅立叶变换得到一时域的音频信号，然后将消噪后的时域音频信号发送给测试模块105。测试模块105根据消噪后的时域音频进行发声设备的各项参数如总谐波失真的测试，由于各项参数的测试为现有一般技术，因此在本发明中不多加描述。
请参阅图4，为减小噪音影响的发声设备测试方法流程图。首先，发声设备输出一段时域模拟音频信号(S101)；音频采集装置20采集该时域模拟音频信号并通过声音处理装置30将该时域模拟音频信号转换成时域数字音频信号(S102)；该时域数字音频信号通过录入模块101被储存在存储器40中(S103)；傅立叶变换模块103调用存储器40中的时域数字音频信号，并截取一预设长度的数字音频信号，在对该预设长度的数字音频信号加窗处理后进行第一次快速傅立叶变换(S104)；记录频率幅值Fa(S105)；傅立叶变换模块103再次调取存储器40中的时域数字音频信号，并截取2倍预设长度的时域数字音频信号，对该2倍预设长度的时域数字音频信号加窗处理后进行第二次快速傅立叶变换(S106)；记录第二次傅立叶变换所得频谱中与第一次傅立叶变换所得频谱中相同的每一频率的前一频率的频率幅值即为该每个频率的噪音成分幅值Na(S107)；用第一次快速傅立叶变换得到的频率幅值Fa减去第二次快速傅立叶变换得到的噪音成分幅值Na，得到一消噪的频域音频信号(S108)；傅立叶变换模块103对消噪的频域音频信号进行反傅立叶变换得到消噪的时域音频信号然后传送该消噪的时域音频信号至测试模块105(S109)；测试模块105根据该消噪的时域音频信号对总谐波失真等各项参数进行测试(S110)。

Claims (8)

1.一种减小噪音影响的发声设备测试装置，其包括：一存储器，一测试模块，一音频采集装置用于采集一发声设备所输出之时域模拟音频信号，一音频处理装置用于将该音频采集装置采集到的时域模拟音频信号转换成时域数字音频信号，以及一录入模块用于将音频处理装置转换成的时域数字音频信号储存于存储器中，其特征在于，该发声设备测试装置还包括：
一傅立叶变换模块，用于调用存储器中所述时域数字音频信号并截取一预设长度的时域数字音频信号，对该预设长度的时域数字音频信号进行第一次傅立叶变换，记录所得频谱中每个频率的频率幅值于存储器中，再次调用存储器中的时域数字音频信号并截取两倍预设长度的时域数字音频信号，对该两倍预设长度的时域数字音频信号进行第二次快速傅立叶变换，记录第二次傅立叶变换所得频谱中与第一次傅立叶变换所得频谱中每一相同频率的前一频率的频率幅值即该第一次傅立叶变换所得频谱中每一频率的噪音成分幅值于存储器中；
一运算模块，用存储器中记录的第一次傅立叶变换所获得的每个频率的频率幅值减去第二次傅立叶变换后所获得的该频率的噪音成分幅值，得到一与第一次傅立叶变换后的频率相同的频域音频信号；
该傅立叶变换模块还对该运算模块得到的频域音频信号进行反傅立叶变换，得到一时域音频信号，该测试模块对经过反傅立叶变换后的时域音频信号进行相关参数测试。
2.如权利要求1所述发声设备测试装置，其特征在于，所述音频采集装置为超心型话筒。
3.如权利要求1所述发声设备测试装置，其特征在于，该存储器中还存储一音频文件，该发声设备测试装置还包括一播放模块；在所测试的发声设备为只能被动播放其他电子装置中的音频文件的设备时，播放模块调用储存于存储器中的音频文件，并将该音频文件传输至音频处理装置转换为模拟音频信号后通过发声设备输出。
4.如权利要求1所述发声设备测试装置，其特征在于，该傅立叶变换模块在对时域数字音频信号进行第一次及第二次傅立叶变换之前，先对该时域数字音频信号进行加窗处理。
5.如权利要求4所述的发声设备测试装置，其特征在于，进行加窗处理的窗函数为海明窗或汉宁窗。
6.一种减小噪音影响的发声设备测试方法，其特征在于，该方法包括：
采集一发声设备所输出之时域模拟音频信号；
将时域模拟音频信号转换成时域数字音频信号；
存储该时域数字音频信号；
对所存储的时域数字音频信号截取一预设长度的时域数字音频信号，对截取的预设长度的时域数字音频信号进行第一次快速傅立叶变换；
记录所得频谱中每个频率的频率幅值；
对所存储的时域数字音频信号截取两倍预设长度的时域数字音频信号，对该两倍预设长度的时域数字音频信号进行第二次快速傅立叶变换；
记录第二次傅立叶变换所得频谱中与第一次傅立叶变换所得频谱中每一相同频率的前一频率的频率幅值即该第一次傅立叶变换所得频谱中每一频率的噪音成分幅值；
用第一次傅立叶变换的每个频率幅值减去第二次傅立叶变换后所记录的噪音成分幅值，得到一与第一次傅立叶变换后的频率相同的消噪的频域音频信号；
对该频域音频信号进行反傅立叶变换，得到一消噪的时域音频信号；
对该消噪的时域音频信号进行相关参数测试。
7.如权利要求6所述的发声设备测试方法，其特征在于，该方法还包括在对时域数字音频信号进行第一次及第二次傅立叶变换之前先对该时域数字音频信号进行加窗处理的步骤。
8.如权利要求7所述的发声设备测试方法，其特征在于，进行加窗处理的窗函数为海明窗或汉宁窗。
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