Спектральный анализ звука программа. Осцилограф, анализатор спектра, звуковой измеритель и генератор в одной программе Wavetools

Как получить частотные спектры аудио файла

Получить спектр трэка или просто проверить качественные характеристики аудио файла можно с помощью различных программ. Попробуем рассмотреть наиболее доступные, интересные и удобные программы.

Sonic Visualiser

Бесплатная программа для визуализации и анализа аудио-музыкальным данных. Обладает очень развитыми функциями спектрального анализа.

Мультиплатформенная, поддерживает форматы: aiff, au, avr, caf, flac, htk, iff, mat, mp3, oga, ogg, paf, sd2, sds, sf, voc, w64, wav, wve, xi.

Настройки спектрограммы по-настоящему инженерные: можно выбирать глубину нахлёста окон, шкалы просмотра и способы отбора значений бинов, очень удобна навигация. Отдельно нужно отметить высокую скорость прорисовки и расчёта спектра.

К официальной информации, пожалуй нужно добавить: уверенно работает на win7 x64, не требует установки (выполнена в виде единого запускаемого файла), имеет полностью русскоязычный интерфейс и не оставляет програмных файлов в папках с проверяемым аудио материалом.

Программа для мастеринга, анализа и реставрации аудио материала.

Можно затащить файл мышкой в окно программы или открыть через окно импорта: File > Open

Ползунок масштабирования по шкале времени:

Ползунок масштабирования по шкале частот:

Adobe Audition

Аудиоредактор, предназначенный для редактирования, микширования и восстановления цифрового звука.

Затягиваем мышкой исследуемый файл на ярлык программы и видим:

Можно затащить файл мышкой в окно программы или открыть через окно импорта: Файл > Открыть...

Переходим к спектру. Кликаем по кнопке в верхней части программы:

Или открываем: Вид > Показать частотный спектр

Для детального рассмотрения спектра, кликаем правой кнопкой мыши по шкале частот и выбираем на вкладке строку Увеличение (Частота)

Теперь достаточно ухватиться левой кнопкой мыши за шкалу частот и перемещением вверх, вниз детально ее рассмотреть. В нижней правой части находится кнопка Увеличение (Время) - масштабирование по шкале времени.



Спектроанализаторы значительно упрощают процесс сведения, позволяя делать более обьективную, подкреплённую визуально эквализацию. Чем может быть полезен анализатор спектра ? Чем они различаются? Где скачать спектроанализатор? Как обычно, обо всём по порядку.

Для начала, небольшой обзор и сравнение vst анализаторов, которыми я пользовался.

Прекрасный, динамичный 1 анализатор. Это первый мой vst, и с ним я проработал долгое время, пока не появилась потребность в более точном приборе. Дело в том, что минимальный шаг измерения PAZ Analyzer’а в низкочастотной области (кнопка «LF res.») равен 10Гц, и этого катастрофически нехватало. В поисках бесплатной альтернативы, я наткнулся на

Простой и точный анализатор от отечественного производителя. В нём достаточно настроек, чтобы отображать данные так же, как и PAZ Analyzer, но есть существенный (для меня, по крайней мере) недостаток, из-за которого, я перестал им пользоваться: при высоких значениях FFT 2 , интерфейс жутко тормозит, прямо слайд-шоу…

Этот анализатор я нашёл совершенно случайно, перейдя по чьей то рекомендательной ссылке. Он клёвый При относительно невысокой стоимости, имеет демо-версию без ограничения по времени пользования или функционалу (единственное ограничение заключается в том, что в демо-версии программа переключается в режим bypass на 5 секунд, через каждые 40 секунд работы). Плюс, красивый интерфейс с быстрым обновлением кривой, высокую точность и море функций, вплоть до возможности высчитывать разницу в АЧХ нескольких сигналов.

Выбор сделан, но оставался один момент, который меня беспокоил. Я привык к анализатору PAZ и его отображению АЧХ. SPAN и FreqAnalyst же, отображали кривую… как то не так. Анализатор от Waves «видел» большинство студийных миксов как горизонтальную прямую, но его «конкуренты» - почему то с подъёмом в низкочастотной области и завалом на высоких частотах, хотя на слух этого не воспринималось. Кому (чему) верить?

Разобрался я достаточно быстро, решив протестировать анализаторы шумом - сигналом, занимающим всю полосу частот. В поисках звуковых сэмплов шума, я наткнулся на , в которой упоминалось о цветах шума. Как же я сразу не догадался! PAZ имеет логарифмическую характеристику отображения АЧХ, что соответствует горизонтальной прямой при измерении розового шума. Анализаторы SPAN и FreqAnalyst по умолчанию «откалиброваны» белым шумом. Исправить это легко, благодаря регулятору Slope, изменяющему наклон кривой АЧХ:

Итак, с инструментами для анализа и их особенностями мы более-менее определились. Что дальше?

Работа со спектроанализатором

Алексей Лукин

Спектроанализатор - прибор для измерения и отображения спектра сигнала - распределения энергии сигнала по частотам. В этой статье рассматриваются основные виды анализаторов спектра и иллюстрируется их применение для редактирования и реставрации звука. Особое внимание уделяется современным анализаторам, основанным на FFT - быстром преобразовании Фурье.

Зачем анализировать спектр?

Традиционно в цифровой звукозаписи аудиодорожка представляется в виде осциллограммы, отображающей форму звуковой волны (waveform), то есть зависимость амплитуды звука от времени. Такое представление достаточно наглядно для опытного звукорежиссёра: осциллограмма позволяет увидеть основные события в звуке, такие как изменения громкости, паузы между частями произведения и зачастую даже отдельные ноты в сольной записи инструмента. Но одновременное звучание нескольких инструментов на осциллограмме "смешивается" и визуальный анализ сигнала становится затруднительным. Тем не менее, наше ухо без труда различает отдельные инструменты в небольшом ансамбле. Как же это происходит?

Когда сложное звуковое колебание попадает на барабанную перепонку уха, оно с помощью серии слуховых косточек передаётся на орган, называемый улиткой. Улитка представляет собой закрученную в спираль эластичную трубочку. Толщина и жёсткость улитки плавно меняются от края к центру спирали. Когда сложное колебание поступает на край улитки, это вызывает ответные колебания разных частей улитки. При этом резонансная частота у каждой части улитки своя. Таким образом улитка раскладывает сложное звуковое колебание на отдельные частотные составляющие. К каждой части улитки подходят отдельные группы слуховых нервов, передающие информацию о колебаниях улитки в головной мозг (более подробно о слуховом восприятии можно прочитать в статье "Основы психоакустики " И. Алдошиной в журнале "Звукорежиссер" №6, 1999). В результате в мозг поступает информация о звуке, уже разложенная по частотам, и человек легко отличает высокие звуки от низких. Кроме того, как мы вскоре увидим, разложение звука на частоты помогает различить отдельные инструменты в полифонической записи, что значительно расширяет возможности редактирования.

Полосовые спектроанализаторы

Первые звуковые анализаторы спектра разделяли сигнал на частотные полосы с помощью набора аналоговых фильтров. Дисплей такого анализатора (рис. 1) показывает уровень сигнала во множестве частотных полос, соответствующих фильтрам.

Рис. 1. Третьоктавный анализатор Specan32, эмулирующий известный прибор KlarkTeknik DN60

На рис. 2 приведён пример частотных характеристик полосовых фильтров в анализаторе, удовлетворяющем стандарту ГОСТ 17168-82. Такой анализатор называется третьоктавным, так как в каждой октаве частотного диапазона имеется три полосы. Видно, что частотные характеристики полосовых фильтров перекрываются; их крутизна зависит от порядка используемых фильтров.

Рис. 2. Частотные характеристики фильтров третьоктавного спектроанализатора

Важным свойством спектроанализатора является баллистика - инерционность измерителей уровня в частотных полосах. Она может регулироваться заданием скорости нарастания (атаки) и спада уровня. Типичное время атаки и спада в таком анализаторе - порядка 200 и 1500 мс.

Полосовые спектроанализаторы часто применяются для настройки АЧХ (амплитудно-частотной характеристики) акустических систем на концертных площадках. Если на вход такому анализатору подать розовый шум (имеющий одинаковую мощность в каждой октаве), то дисплей покажет горизонтальную линию, с возможной поправкой на вариацию шума во времени. Если розовый шум, проходя через звукоусилительную систему зала, исказился, то изменения его спектра будут видны на анализаторе. При этом анализатор, как и наше ухо, будет малочувствителен к узким провалам АЧХ (менее 1/3 октавы).

Преобразование Фурье

Преобразование Фурье - это математический аппарат для разложения сигналов на синусоидальные колебания. Например, если сигнал x (t ) непрерывный и бесконечный по времени, то его можно представить в виде интеграла Фурье:

Интеграл Фурье собирает сигнал x (t ) из бесконечного множества синусоидальных составляющих всевозможных частот ω , имеющих амплитуды X ω и фазы φ ω .

На практике нас больше интересует анализ конечных по времени звуков. Поскольку музыка не является статичным сигналом, её спектр меняется во времени. Поэтому при спектральном анализе нас обычно интересуют отдельные короткие фрагменты сигнала. Для анализа таких фрагментов цифрового аудиосигнала существует дискретное преобразование Фурье :

Здесь N отсчётов дискретного сигнала x (n ) на интервале времени от 0 до N -1 синтезируются как сумма конечного числа синусоидальных колебаний с амплитудами X k и фазами φ k . Частоты этих синусоид равны kF/N , где F - частота дискретизации сигнала, а N - число отсчётов исходного сигнала x (n ) на анализируемом интервале. Набор коэффициентов X k называется амплитудным спектром сигнала . Как видно из формулы, частоты синусоид, на которые раскладывается сигнал, равномерно распределены от 0 (постоянная составляющая) до F /2 - максимально возможной частоты в цифровом сигнале. Такое линейное расположение частот отличается от распределения полос третьоктавного анализатора.

FFT-анализаторы

FFT (fast Fourier transform) - алгоритм быстрого вычисления дискретного преобразования Фурье. Благодаря ему стало возможным анализировать спектр звуковых сигналов в реальном времени.

Рассмотрим работу типичного FFT-анализатора. На вход ему поступает цифровой аудиосигнал. Анализатор выбирает из сигнала последовательные интервалы («окна») , на которых будет вычисляться спектр, и считает FFT в каждом окне для получения амплитудного спектра X k . Вычисленный спектр отображается в виде графика зависимости амплитуды от частоты (рис. 3). Аналогично полосовым анализаторам, обычно используется логарифмический масштаб по осям частот и амплитуд. Но из-за линейного расположения полос FFT по частоте спектр может выглядеть недостаточно детальным на нижних частотах или излишне осциллирующим на верхних частотах.

Рис. 3. Дисплей FFT-анализатора

Если рассматривать FFT как набор фильтров, то, в отличие от полосовых фильтров третьоктавного анализатора, фильтры FFT будут иметь одинаковую ширину в герцах, а не в октавах. Поэтому розовый шум на FFT-анализаторе будет уже не горизонтальной линией, а наклонной, со спадом 3 дБ/окт. Горизонтальной линией на FFT-анализаторе будет белый шум - он содержит равную энергию в равных линейных частотных интервалах.

Параметр N - число анализируемых отсчётов сигнала - имеет решающее значение для вида спектра. Чем больше N , тем плотнее сетка частот, по которым FFT раскладывает сигнал, и тем больше деталей по частоте видно на спектре. Для достижения более высокого частотного разрешения приходится анализировать более длинные участки сигнала. Если сигнал в пределах окна FFT меняет свои свойства, то спектр будет отображать некоторую усреднённую информацию о сигнале со всего интервала окна.

Когда нужно проанализировать быстрые изменения в сигнале, длину окна N выбирают маленькой. В этом случае разрешение анализа по времени увеличивается, а по частоте - уменьшается. Таким образом, разрешение анализа по частоте обратно пропорционально разрешению по времени. Этот факт называется соотношением неопределённостей .

Весовые окна

Один из простейших звуковых сигналов - синусоидальный тон. Как будет выглядеть его спектр на FFT-анализаторе? Оказывается, это зависит от частоты тона. Мы знаем, что FFT раскладывает сигнал не по тем частотам, которые на самом деле присутствуют в сигнале, а по фиксированной равномерной сетке частот. Например, если частота дискретизации равна 48 кГц и размер окна FFT выбран 4096 отсчётов, то FFT раскладывает сигнал по 2049 частотам: 0 Гц, 11.72 Гц, 23.44 Гц, ..., 24000 Гц.

Если частота тона совпадает с одной из частот сетки FFT, то спектр будет выглядеть "идеально": единственный острый пик укажет на частоту и амплитуду тона (рис. 4, белый график).

Если же частота тона не совпадает ни с одной из частот сетки FFT, то FFT "соберёт" тон из имеющихся в сетке частот, скомбинированных с различными весами. График спектра при этом размывается по частоте (рис. 4, зелёный график). Такое размытие обычно нежелательно, так как оно может закрыть собой более слабые звуки на соседних частотах. Можно также заметить, что амплитуда максимума зелёного графика ниже реальной амплитуды анализируемого тона. Это связано с тем, что мощность анализируемого тона равна сумме мощностей коэффициентов спектра, из которых этот тон составлен.

Рис. 4. Спектр синусоидального тона различных частот с весовыми окнами и без них

Чтобы уменьшить эффект размытия спектра, сигнал перед вычислением FFT умножается на весовые окна - гладкие функции, похожие на гауссиан, спадающие к краям интервала. Они уменьшают размытие спектра за счёт некоторого ухудшения частотного разрешения. Если рассматривать FFT как набор полосовых фильтров, то весовые окна регулируют взаимное проникновение частотных полос.

Простейшее окно - прямоугольное: это константа 1, не меняющая сигнала. Оно эквивалентно отсутствию весового окна. Одно из популярных окон - окно Хэмминга. Оно уменьшает уровень размытия спектра примерно на 40 дБ относительно главного пика.

Весовые окна различаются по двум основным параметрам: степени расширения главного пика и степени подавления размытия спектра ("боковых лепестков") . Чем сильнее мы хотим подавить боковые лепестки, тем шире будет основной пик. Прямоугольное окно меньше всего размывает верхушку пика, но имеет самые высокие боковые лепестки. Окно Кайзера обладает параметром, который позволяет выбирать нужную степень подавления боковых лепестков.

Другой популярный выбор - окно Хана. Оно подавляет максимальный боковой лепесток слабее, чем окно Хэмминга, но зато остальные боковые лепестки быстрее спадают при удалении от главного пика. Окно Блэкмана обладает более сильным подавлением боковых лепестков, чем окно Хана.

Для большинства задач не очень важно, какой именно вид весового окна использовать. Главное, чтобы оно было. Популярный выбор - Хан или Блэкман. Использование весового окна уменьшает зависимость формы спектра от конкретной частоты сигнала и от её совпадения с сеткой частот FFT.

Рисунок 4 сделан для синусоид, однако, исходя из него, нетрудно представить, как будет выглядеть спектр реальных звуковых сигналов. Каждый пик в спектре будет иметь некоторую размытую форму, в зависимости от своей частоты и выбранного весового окна.

Чтобы компенсировать расширение пиков при применении весовых окон, можно использовать более длинные окна FFT: например, не 4096, а 8192 отсчета. Это улучшит разрешение анализа по частоте, но ухудшит по времени.

Спектрограмма

Часто возникает необходимость проследить, как спектр сигнала меняется во времени. FFT-анализаторы помогают сделать это в реальном времени при воспроизведении сигнала. Однако в ряде случаев оказывается удобна визуализация изменения спектра во всём звуковом отрывке сразу. Такое представление сигнала называется спектрограммой . Для её построения применяется оконное преобразование Фурье : спектр вычисляется от последовательных окон сигнала (рис. 5), и каждый из этих спектров образует столбец в спектрограмме.

Рис. 5. Вычисление спектрограммы сигнала

По горизонтальной оси спектрограммы откладывается время, по вертикальной - частота, а амплитуда отображается яркостью или цветом. На спектрограмме гитарной ноты на рис. 6 видно развитие звучания: оно начинается с резкой атаки и продолжается в виде гармоник, кратных по частоте основному тону 440 Гц. Видно, что верхние гармоники имеют меньшую амплитуду и затухают быстрее, чем нижние. Также на спектрограмме прослеживается шум записи - равномерный фон тёмно-синего цвета. Справа показана шкала соответствия цветов и уровней сигнала (в децибелах ниже нуля).

Рис. 6. Спектрограмма гитарной ноты с разными размерами окна FFT

Если менять размер окна FFT, становится хорошо видно, как меняется частотное и временное разрешение спектрограммы. При увеличении окна гармоники становятся тоньше, и их частота может быть определена более точно. Однако размывается во времени момент атаки (в левой части спектрограммы). При уменьшении размера окна наблюдается обратный эффект.

Особенно полезна спектрограмма при анализе быстро меняющихся сигналов. На рис. 7 показана спектрограмма вокального пассажа с вибрато. По ней легко определить такие характеристики голоса, как частота и глубина вибрато, его форма и ровность, наличие певческой форманты. По изменению высоты основного тона и гармоник прослеживается исполняемая мелодия.

Рис. 7. Спектрограмма вокального пассажа с вибрато

Применения спектрограммы

Современные средства реставрации звука, такие как программа iZotope RX , активно используют спектрограмму для редактирования отдельных частотно-временных областей в сигнале. С помощью этой техники можно найти и подавить такие нежелательные призвуки, как звонок мобильного телефона во время важной записи, скрип стула пианиста, кашель в зрительном зале и т.п.

Проиллюстрируем использование спектрограммы для удаления свиста поклонников из концертной записи.


Рис. 8. Удаление нежелательных призвуков с помощью спектрограммы

На рис. 8 свист легко находится: это светлая кривая линия в районе 3 кГц. Если бы частота свиста была постоянной, то его можно было бы подавить с помощью режекторного фильтра. Однако в нашем случае частота меняется. Для выделения свиста на спектрограмме удобно воспользоваться инструментом «волшебная палочка» из программы iZotope RX II. Одно нажатие приводит к выделению основного тона свиста, повторное нажатие выделяет гармоники. После этого свист можно удалить, просто нажав на клавишу Del. Однако более аккуратный способ - воспользоваться модулем Spectral Repair: это позволит избежать "дыр" в спектре после удаления свиста. После применения этого модуля в режиме ослабления с вертикальной интерполяцией (Attenuate vertically) свист практически полностью исчезает из записи: как визуально, так и на слух.

Еще одно полезное применение спектрограммы - анализ присутствия в записи следов компрессии MP3 или других кодеков с потерями. У большинства записей оригинального (несжатого) качества частотный диапазон простирается до 20 кГц и выше; при этом энергия сигнала плавно спадает с ростом частоты (как на рис. 6, 7). В результате психоакустической компрессии верхние частоты сигнала квантуются сильнее нижних, и верхняя граница спектра сигнала обнуляется (как на рис. 8). При этом частота среза зависит от содержания кодируемого сигнала и от битрейта кодера. Ясно, что кодер стремится обнулять только те частоты в сигнале, которые в данный момент не слышны (замаскированы). Поэтому частота среза, как правило, меняется во времени, что образует на спектрограмме характерную "бахрому" с островками энергии на тёмном фоне.

Аналогичная ситуация иногда возникает и с низкочастотными помехами, такими как задувание ветра в микрофон или постоянная составляющая (смещение по постоянному току, DC offset). Они могут располагаться на инфранизких частотах и не обнаруживать себя без помощи спектроанализатора или осциллографа.

Заключение

Среди опытных звукорежиссёров старой школы распространено мнение, что анализировать и редактировать сигналы следует исключительно на слух, не полагаясь на индикаторы и анализаторы. Разумеется, анализаторы - не панацея в случае отсутствия слуха. Вряд ли кто-то серьёзно воспринимает идею сведения композиции "по приборам".

Спектр и спектрограмма - способы представления звука, более близкие к слуховому восприятию, нежели осциллограмма. Надеюсь, что эта статья откроет новые возможности в анализе и редактировании звука для тех, кто ранее с этими представлениями не работал.

Статус темы: Закрыта.

  1. SpectraLab ​


    Добро пожаловать в SpectraLAB!

    SpectraLAB - мощный двухканальный анализатор спектра. Программа связывается с любой Windows совместимой звуковой картой. Обеспечивает спекральный анализ в режиме РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ, а также Запись, Воспроизведение и возможность Пост-Обработки;

    Она позволяет Вам получить частотную характеристику и искажение, а также позволяет провести функциональные измерения. Она поддерживает Быстрое Преобразование Фурье (FFT) (размеры – 65536), окно сглаживания, цифровую фильтрацию, перекрывающую обработку, усреднение, удержание пика, запуск, прореживание, сужение полосы или октавы (1/1, 1/3, 1/6, 1/9, 1/12) , масштабирует и отображает, экспортирует и печатает Временную Последовательность, Спектр, Фазу, график трехмерной поверхности, и Спектрограмму.

    Утилита Сигнального Генератора производит розовый/белый шум, свип-сигнал, тоны и импульсы. Хотя вся сигнальная обработка выполняется на ЦПУ, исполнение в режиме реального времени возможно с сегодняшними машинами (типичный показатель коррекции 30 Гц на 60 MГц Пентиум с 1024 точкой FFT)

    1. Запуск Примеров

    Программой предусмотрен ряд примеров, которые помогут Вам изучить многие характеристики и возможности этой мощной программы. Иконы установлены на программном менеджере, чтобы позволить Вам быстро запускать анализатор с корректной установкой для каждого примера.
    Просто дважды нажмите на одной из иконок или используйте опцию Файл /Загрузка конфигурации для выполнения этого примера.

    2. Защита от копирования

    Это программное обеспечение является защищенной копией, использующей технику "Ключ Разрешения", которая ограничивает обработку в специфическом компьютере. Никакие аппаратные средства "dongle" не требуются.

    Если Вы приобрели программное обеспечение, вам необходимо получить Ключ Разрешения, чтобы программное обеспечение было полностью функциональным.

    Если Вы еще не приобрели программное обеспечение, Вы можете получить временный Ключ Разрешения бесплатно или под обязательство.

    Независимо от лицензионного статуса, Вы можете использовать режим Пост-Обработки, чтобы проанализировать любой из.WAV файлов поставленного образца.

    3. Получение Ключа Разрешения

    "Ключ Разрешения" является уникальным кодом, который позволяет осуществить программную операцию. Эта Ключ Разрешения спаривается с "Централизованным Кодом", который является уникальным для вашего компьютера. Поскольку Централизованный Код является специфичным для каждого компьютера, мы не можем обеспечить Вас соответствующим Ключом Разрешения до тех пор, пока Вы не пришлете нам свой Централизованный Код. Этот Централизованный Код легко получить, выбрав команду меню License / Status and Authorization и следуя инструкциям на экране.

    Что такое Анализатор Спектра?
    ​

    Анализатор спектра является инструментом для преобразования сигнала из временной зависимости в частотную. Если Вы знакомы с обычным осциллографом, то Вы знаете, как выглядит временная зависимость.
    Частотная зависимость известна как спектр. Если Вы не измеряете единственный тон, то осциллограф дает немного информации в отношении частоты;
    Тем не менее, анализатор спектра, несомненно, показывает эту информацию. Звуковой Анализатор Спектра, по определению, ограничен обработкой сигналов на звуковой полосе (от 20 Гц до 20 000 Гц).
    Специфический предел частоты определяется возможностями вашей звуковой карты (смотри Частоту дискретизации для дополнительной информации).

    1. Что он может делать?

    2. Как он работает?

    Программа работает вместе со звуковой картой на вашем компьютере. Подключите аудиосигнал, который должен быть измерен, к линейному входу или в гнездо микрофона на обратной стороне звуковой карты.
    SpectraLAB затем использует эту карту для того, чтобы выполнить "Аналого-цифровое" преобразование на аудиосигнале. Этот отцифрованный звук затем пройдет через математический алгоритм, известный как Быстрое Преобразование Фурье (FFT), который преобразует сигнал из временного интервала в частотный. Для выполнения этого преобразования на вашем компьютере используется CPU.

    Системные Требования
         ​

    1. Аппаратные требования:

    - IBM PC или совместимый с 80386 DX CPU или выше (486DX минимально рекомендуемый) + минимум 8 Mб RAM.
    - Монитор VGA, способный отобразить 256 цветов.
    - Жесткий Диск со свободным пространством 4Mб. Требуется, чтобы дополнительное пространство хранило звуковые файлы.
    - Математический co-процессор.
    -Windows совместимая звуковая карта: рекомендуется 16-битовая карта
    - Мышь или другое координатное устройство.

    2. Программные требования:

    Microsoft Windows95, Windows 3.1 + Win32s, WindowsNT
    - Драйверы Звуковой Карты (поддерживающие вашу Звуковую Карту)

    1. ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
    ​

    1.1 Основная Операция

    Программа имеет три специальных Режима обработки сигнала и пять способов Представления картины зависимости сигнала.

    1.1.1 Режимы обработки сигнала

    - В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ звук берется непосредственно со звуковой карты, программа обрабатывает его и отображает результаты. Необработанный цифровой звук не загружается в память и не может быть сохранен на диске. Вы можете, однако, прогнать его на неопределенном периоде времени.

    РЕЖИМ РЕГИСТРАТОРА позволяет Вам сохранять необработанный цифровой звук на вашем жестком диске в формате.WAV файла. Вы можете также воспроизвести звук с помощью акустической системы, подключенной к Вашей звуковой карте.

    РЕЖИМ ПОСТ-ОБРАБОТКИ позволяет Вам обрабатывать звуковые данные, которые были ранее записаны и загружены на диск как.WAV файл. Этот режим более подходит для анализа, чем предыдущие режимы. В частности, этот режим допускает использование Обрабатываемых Перекрытий, для того чтобы эффективно представитьвременное решение в Спектрограмме и) Графике Трехмерной поверхности.

    1.1.2 Способы представления зависимости сигнала

    - Временная Серия показывает цифровую картину звука, похожую на картину на экране осциллографа (амплитуда против времени).

    Картину зависимости амплитуды сигнала от частоты позволяет увидеть представление в виде Спектра.

    Фаза отображает зависимость фазы сигнала от частоты.

    Спектрограмма показывает зависимость спектра от времени. Амплитуда показывается в цвете или полутоновой шкале.

    Представление в виде Трехмерной поверхности позволяет увидеть перспективу спектра во времени.

    1.2 Установка Анализатора

    Скачать программу SpectraLab и прочитать полный текст инструкции можно во вложении ниже...

  2. Шкалы программы SpectraLab
    ​

    1. Шкалы для измерения напряжений

    В анализаторе спектра программы SpectraLab всегда одновременно работают 2 вольтметра действующих (эффективных или среднеквадратических (rms – root mean square)) значений напряжения. Один измеряет действующее значение максимальной по уровню составляющей спектра и результат индицируется на табло Peak Amplitude rms Power Level . Вольтметр осциллографа измеряет пиковое значение напряжений. Один измеряет действующее значение максимальной по уровню составляющей спектра и результат индицируется на табло Peak Amplitude rms . Другой вольтметр измеряет действующее значение всех составляющи х спектра в полосе от 20 до 20000 Гц, независимо от выбора частоты дискретизации. Результаты измерений этого вольтметра индицируются на табло Power Level .

    Вольтметр осциллографа измеряет пиковое значение напряжений. Шкалы этих вольтметров могут быть градуированы в процентах относительно максимально допустимого напряжения, вольтах или милливольтах (peak или rms ). Для измерения уровней сигналов по мощности шкалы этих вольтметров могут быть также отградуированы в децибелах шкалы FS .

    К сожалению, линейная шкала часто искажает вид измеряемой АЧХ, особенно когда измерения производятся при сильно отличающихся уровнях тестового сигнала.

    Этого недостатка лишены логарифмические амплитудные шкалы. Для примера на рис. изображены две частотные характеристики в разных шкалах. На рис.А по вертикали отложено реальное выходное напряжение исследуемого устройства в вольтах. Как видим, эти две АЧХ не очень то похожи. На рис. B по вертикали отложены не вольты, а децибелы. Сразу видно, что эти характеристики идентичны, только одна находится чуть выше, а другая - ниже.
    2. Шкалы для измерения уровней сигналов

    В программе SpectraLab измерение уровней аналоговых электрических сигналов с помощью вольтметров может производится в шкалах dBu, dBV и dB FS (Full Scale) . Обычно в аналоговых трактах диапазон шкалы dBV простирается от минус 3 до +25 dBu . К сожалению пиковое входное напряжение звуковых карт не превышает 5 В, поэтому в программе SpectraLab шкала уровней ограничена сверху значением +6…12 dBV .

    В программе SpectraLab основной шкалой измерения уровней сигналов является шкала dBFS (Full Scale ). В этой шкале 0 дБFS соответствует цифровой сигнал с во всех разрядах которого только логические единицы, это может быть 24, 16 или 8 бит.
    Этому уровню может соответствовать любое пиковое напряжение , не превышающее максимально допустимый по перегрузке входной уровень звуковой карты. Диапазон измеряемых уровней по этой шкале простирается от 0 до минус 190 dBFS, градуируется она в уровнях эффективного значения напряжения. (по уровням мощности).

    В программе SpectraLab предусмотрена возможность представления осциллограммы, в которой измерение уровня сигнала производится по шкале FS с использованием для измерения напряжения вольтметра действующих значений (рис.выше).
    В аудиотехнике звуковое давление и интенсивность звуковых колебаний обычно измеряется в децибелах в шкале dBSPL (Sound Pressure Level ). Такая возможность пред усмотрена в программе SpectraLab.
    В этой шкале за нулевой уровень интенсивности условились принимать интенсивность звука, равную I0 = 10 (в –12 степени) Вт/м2. Нулевой уровень по звуковому давлению P0 определяется расчетным путем по формуле

    и он равен 2.04 10(в –5 степени) Па.
    В этой формуле p – удельное сопротивление воздуха, p = 1.23 кГ/м3, Сs-скорость распространения звука, Cs = 340 м/с.

    Для иллюстрации на рис. ниже приведен график возможных уровней звукового давления.
    На этом рисунке приведены две шкалы: в децибелах - шкала линейная, а в Паскалях – нелинейная, поэтому пользоваться ей затруднительно.
    В программе SpectraLab в режиме логарифмической шкалы измерения производятся в шкале SPL, а в режиме линейной шкалы – в Паскалях.


    Частота тональных звуков, кГц
    Частотная зависимость абсолютного и болевого порогов слышимости​


    Для того чтобы измерение уровней звукового давления можно было производить в шкале FS необходимо эту шкалу согласовать со шкалой SPL. Для этого надо задаться максимальным уровнем звукового давления в шкале SPL - Lmax , который будет соответствовать 0 дБ в шкале FS. Тогда при измерениях уровня звукового давления 0 dB в шкале SPL будет соответствовать уровень минус Lmax в шкале FS.
    По этому уровню устанавливается график абсолютного порога слышимости в шкале FS.

    Обычно принимается, что Lmax 120 dBspl , тогда в шкале FS 0 dBspl = -120 dBFS . На рис.выше приведены АЧХ одной и той же фонограммы в шкалах FS и SPL . Они выполнены в предположении, что Lmax = 90 dBspl , поэтому графики просто сдвинуты по шкале на эти 90 децибел. При этом 0 dB SPL в шкале FS соответствует минус 90 dB FS.

  3. 3. Частотные шкалы

    В программе SpectraLab при измерении АЧХ частотная шкала может быть линейной, логарифмической и октавной.

    Линейная частотная шкала в электроакустике применяется редко, когда необходимо снять АЧХ в узком диапазоне частот.
    Логарифмическая частотная шкала в электроакустике применяется для измерения АЧХ электрических трактов. Логарифмическая шкала обладает свойством периодичности (рис.ниже). Она состоит из последовательности одинаковых основных логарифмических шкал , отличающихся масштабом в 10 раз: 1, 10, 100, 1000, 10000, 100000 Гц . Основная логарифмическая шкала частот имеет диапазон в одну декаду с отношением частот в начале и конце шкалы, равным 10. В пределах этой шкалы длина отрезка шкалы b от начала нач F до заданной частоты F пропорциональна логарифму отношения этих частот где D физическая длина основной логарифмической шкалы.

    В основной логарифмической частотной шкале нет отсчетных точек в частотных интервалах 1 – 2 , 10-20, 100-200….Гц. При построении графиков приведенная формула позволяет получить местоположение точек для частот в этих интервалах. Если например, длина шкалы основной логарифмической шкалы равна 3 см, и требуется определить м е- сто отсчета частоты 16 кГц. По приведенной формуле получим: b 0,6 см.

    Логарифмическая шкала исключительно удобна для отображения очень больших диапазонов по частоте как при электрических, так и электроакустических измерениях. Это связано с тем, что современные электрические и электроакустические тракты имеют очень широкий частотный диапазон. Так отношение верхней частоты к нижней в звуковом диапазоне частот равно 1000, и такой широкий диапазон в линейной шкале просто невозможно представить. Частотный диапазон современных усилителей на интегральных микросхемах еще шире – от нуля до 10 и более МГц.

    В электроакустике дополнительным преимуществом логарифмической шкалы частот является то, что ощущение высоты тона пропорционально логарифму воздействия. Поэтому в музыке ноты, различающиеся по частоте в два раза, воспринимаются как одна и та же нота, а интервал между нотами в пол тона соответствует отношению их частот 21/12.
    Именно поэтому нотная шкала - логарифмическая.
    Однако, логарифмическая шкала для измерения АЧХ громкоговорителей применяется редко, так как в этой шкале невозможно измерить звуковое давление громкоговорителя и на АЧХ видны даже очень короткие пики и провалы, которые на слух не воспринимаются (рис.выше.)

    Октавная шкала частот . В этой шкале диапазон звуковых частот может быть разделен на октавы и доли октавы (1/2, 1/3,1/6 ….). Если в эту шкалу в ходит частота 1 кГц, она называется основной шкалой. Значения октавной шкалы частот определяются расчетным путем по формуле

    где x = 0,1,2,3,.... m = 1,2,3,6,12... . При m = 1 - это октавная шкала частот, m 2 - это полу октавная шкала частот m 3 - это треть октавная шкала частот. Для не специалистов в области электроакустики эти частоты выглядят необычно. Наиболее часто используется 1/3 октавная шкала частот: 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500…….Гц

    Именно в этой шкале по стандарту AES17 требуется измерять АЧХ громкоговорителей по точкам, логарифмическим скользящим тоном и розовым шумом. Это связано с тем, что только при таких измерениях площадь АЧХ пропорциональна давлению громкоговорителя.

    В программе SpectraLab одновременно с АЧХ измеряется уровень мощности всех составляющих спектра. По этому уровню рассчитывается звуковое давление громкоговорителя в заданном диапазоне частот. Выбор 1/3 октавной шкалы связан с тем, что по стандарту пики и провалы АЧХ шириной меньше 1/6 октавы на слух не воспринимаются.
    Поэтому они исключаются при измерении неравномерности АЧХ и расчете звукового давления.

    На рис.выше приведены спектры одной и той же самой фонограммы в октавной шкале частот, измеренные с помощью розового шума с использованием разных полос усреднения: 1, 1/3, 1/6 и 1/24 октавы. Даже на взгляд можно определить насколько сильно отличаются их неравномерности.

    4. Шкалы для измерения спектрограмм

    В программе SpectraLab возможно измерять двумерные и трехмерные спектрограммы фонограмм (рис.ниже) в масштабе: частота – время и время – частота – амплитуда. При этом уровень сигнала выделяется цветом.

    5. Тестовые сигналы программы SpectraLab

    Шум и его характеристики ​


    Уровень мощности шум а – это уровень суммарной мощности всех составляющих спектра в Ln в установленном диапазоне частот в шкале FS. При измерении этот уровень индицируется на табло Power Level или Total Prw . Пиковые уровни шума индицируются на табло Peak Amplitude. В осциллографе уровень мощности шума измеряется вольтметром действующих значений в полосе от 0 до частоты Найквиста и индицируется на его дисплее.

    Уровень спектральной плотности мощности - это уровень мощности шума в полосе частот шириной 1 Гц.

    Спектр шума – это графи к зависимости уровня спектральной плотности мощности шума от частоты.

    Неравномерность спектра шума - это разность в децибелах максимального и минимального уровней спектра шума.

    Белый шум – это шум, у которого уровень спектральной плотности мощности не зависит от частоты. Спектр такого шума измеряется в логарифмической шкале частот. Теоретически график спектра должен быть в виде прямой линии вдоль оси частот.

    В программе SpectraLab спектр белого шума существенно отличается от теоретического, и его неравномерность в диапазоне 20-20000 Гц достигает 20 дБ (рис.ниже С ).

    Средний уровень спектральной плотности мощности белого шума Lds в диапазоне от 0 до частоты Fmax Найквиста рассчитывается по формуле
    При Fmax = 20000 Гц уровень Lds ниже уровня Ln на 43 дБ (рис.С ). По этой формуле решается и обратная задача, когда по измеренному уровню Lds определяется уровень мощности шума Ln .

    Спектр шума на графиках определяется линией Noise floor .(рис.Е ). Этот уровень отличается от уровня спектральной плотности мощности тем, что измеряется полосой сканирования не равной 1 Гц. Для перехода от уровня Noise floor (Lnfloor) к уровню Lds необходимо ввести поправочный коэффициент Kww.

    Эта поправка зависит от коэффициента оконной функции SB , частоты дискретизации fs и FFTsize быстрого преобразования Фурье. Рассчитывается она по формуле

    В зависимости от поправочного коэффициента уровень Noise floor поднимается или опускается. При правильно выбранных параметрах Фурье преобразования поправочный коэффициент близок к нулю и тогда Lds = Lnfloor . Среднее значение Lnfloor измеряется с помощью перекрестия на частоте 1000 Гц.

    Неравномерность спектра белого шума N определяется как разность в децибелах ма ксимального и минимального уровней Noise floor в интересующем диапазоне частот. Неравномерность измеряется по дисплею анализатора спектра с помощью перекрестия, вызываемого нажатием левой кнопки мышки.

    Розовый шум – это шум, у которого уровень спектральной плотности мощности с повышением частоты уменьшается обратно пропорционально частоте. У такого шума мощность шума в октавной полосе частот одинакова во всем звуковом диапазоне. Поэтому при использовании розового шума для измерения АЧХ можно использовать только октавную шкалу частот с интервалом усреднения 1/12 или 1/24 октавы. В такой шкале в программе SpectraLab спектр розового шума имеет вид близкий к прямой линии вдоль оси частот, его частотный диапазон измерения 30-16000 Гц, неравномерность спектра достигает 6- 8 дБ (рис.D ).

    Сигнал скользящего тона

    Характеристики сигнала скользящего тона : начальная и конечная частоты, время сканирования, закон изменения частоты (линейный и логарифмический ).

    Выбор закона изменения частоты скользящего тона зависит от используемой часто тной шкалы анализатора спектра. В случае линейной и логарифмической шкал необходимо использовать линейный закон изменения частоты. Если используется дробная октавная шкала, то необходимо выбирать логарифмический закон.

    Частота скользящего тона при линейном законе увеличивается линейно со временем, поэтому при логарифмической шкале частот на низких частотах возникают динамические погрешности. Они тем больше, чем меньше время сканирования и выше разрешающая способность анализатора спектра. Частотный диапазон измерения 2-20000 Гц, на частотах ниже 200 Гц большие инструментальные погрешности измерения уровня АЧХ (рис.Е ).


    Частота скользящего тона при логарифмическом законе на низких частотах нарастает медленнее, а на высоких – быстрее, чем при линейном законе. Поэтому при октавной шкале частот на низки х частотах динамические погрешности существенно меньше. Частотный диапазон измерения 30-16000 Гц, инстументальные погрешности невелики (рис.F ).

  4. Сигнал с линейно нарастающим напряжением

    Характеристики сигнала с линейно нарастающим по времени напряжением: начальный и конечный уровни сигнала, частота сигнала и время нарастания. На рис.G . преднамеренно приведены осциллограммы сигнала с линейно нарастающим напряжением в линейной и логарифмической шкалах, для того чтобы продемонстрировать преимущество логарифмических шкал. Как видно, в линейной шкале графи к больше похож на экспоненциальную или квадратическую функцию, тогда как в логарифмической шкале – это пила.

    6. Измерение технических характеристик электроакустического тракта

    Измерение шума тракта

    В программе SpectraLab с помощью анализатора спектра измеряются: спектр шума и уровень мощности шума в выбранном диапазоне частот , уровень Noise floor, неравномерность спектра и средний уровень спектральной плотности мощности шума. С помощью осциллографа измеряется интегральный уровень мощности шума в диапазоне час-тот от 0 до частоты Найквиста.

    Измерение THD, THD+N, SNR и DR в программе SpectraLab

    Коэффициент гармонических искажений THD определяется как отношение суммарного действующего значения напряжения гармоник к действующему значению напряжения первой гармоники сигнала. Этот коэффициент измеряется в процентах, с индикацией результата измерения на табло THD.
    Коэффициент нелинейных искажений THD+N определяется как отношение суммарного действующего значения напряжения гармоник и шума к действующему значению напряжению всего сигнала V . Измеряется этот коэффициент в процентах и результат измерения индицируется на табло THD+N.

    В технически х характеристиках электроакустических зв уковых трактов част о значения THD и THD+N приводят в децибелах. Переход от процентов к децибелам производится по формулам:

    Коэффициенты THD и THD+N могут измеряться при любом уровне сигнала.

    В программе SpectraLab SNR определяется как отношение мощности первой гармоники сигнала P1 к суммарной мощности гармоник и шума Pn , включающего в себя и все не гармонические дискретные составляющие спектра, если они есть. Измеряется в децибелах при любых уровнях сигнала с индикацией результата измерения на табло SNR .

    В этой формуле высшая гармоника определяется частотой Найквиста или полосовым фильтром на входе анализатора спектра. Сравнивая приведенные выше формулы, можно видеть, что

    В цифровом тракте значение SNR может зависеть от уровня сигнала, из-за увеличения нелинейных искажений в АЦП при уровне сигнала близком к 0 dB FS . Поэтому в программе SpectraLab для характеристики отношения сигнал/шум измеряемого тракта нужно использовать максимальное значение SNR max. Уровень сигнала, при котором этот параметр измеряется, подбирается экспериментально. Обычно, это от минус 0,1 до минус 3 дБ FS.

    Измерение SNR по стандарту AES17

    В цифровом тракте отношение сигнал/шум определяется как отношение максимального уровня сигнала (0 dBFS) , независимо от величины нелинейных искажений, к уровню шума в тракте при отсутствии сигнала (пауза). По стандарту AES17 AES SNR равен уровню мощности шума Ln с обратным знаком

    Измерения должны производиться с использованием взвешивающего фильтра типа A с тем, чтобы результаты измерений лучше коррелировались со слуховым восприятием.
    В программе SpectraLab предусмотрена возможность измерения мощности шума с тремя взвешивающими фильтрами типа: A, B и С. Их частотные характеристики приведены на рис.H . Измеренное по стандарту AES17 значение SNR всегда больше, чем SNR max , измеренное в программе SpectraLab.

    Измерение динамического диапазона DR по стандарту AES17

    В цифровом тракте динамический диапазон определяется как отношение максимального уровня сигнала (0 dBFS) , независимо от величины нелинейных искажений, к уровню шума и нелинейных искажений в тракте при наличии сигнала. DR - это характеристика АЦП. По определению DR это (THD+N)dB c обратным знаком.

    В соответствии со стандартом AES17 значение THD+N dB измеряется на частоте 997 Гц при уровне сигнала минус 60 дБ с тем, чтобы снизить влияние нелинейных искажений АЦП и ошибок квантования. Измерения должны производиться с использованием взвешивающего фильтра типа A с тем, чтобы результаты измерений лучше коррелировались со слуховым восприятием. При этом DR рассчитывается по формулам

    Всегда DRaes больше DRmax и фирмам производителям звуковых карт это нравится. Измеренные по стандарту AES17 значения SNR и DR отличаются мало. Именно поэтому эти две характеристики часто отождествляются.

    Измерение интермодуляционных искажений IMD

    В программе SpectraLab измеряется коэффициент интермодуляционных искажений IMD с помощью двух стандартных тестовых сигналов с частотой 250 и 8020 Гц. Сигнал высокой частоты по уровню меньше низкочастотного на 12 дБ. Коэффициент IMD определяется как уровень мощности разностных продуктов нелинейных искажений третьего порядка. Измеряется этот коэффициент в процентах, и результат измерения индицируется на табло IMD.

    Измерение амплитудно-частотнах характеристик (АЧХ)

    В программе SpectraLab АЧХ исследуемого тракта измеряется как комплексная передаточная функция (модуль и фаза). Эта функция вычисляется как разность уровней входного и выходного уровней исследуемого тракта, поэтому амплитудные и фазовые искажения тестовых сигналов при таком измерении исключаются.

    Это позволяет для измерения АЧХ использовать белый и розовый шум, сигналы линейного и логарифмического скользящего тона с любой частотной шкалой с примерно одинаковой погрешностью измерения.
    На рис.I . в качестве примера приведена АЧХ профессиональной звуковой карты, снятой с помощью белого и розового шума, а также линейно скользящего тона. Все графики сливаются, а неравномерность АЧХ не превышает 0,015 дБ в диапазоне от 1 до 20000 Гц.

    Статус темы: Закрыта.