声卡延迟测试方案及分析

章佩　王晓晨　张茂盛

摘 要：针对不同声卡之间因运算能力差异导致音频信号处理、传送存在延迟的问题，本文提出一种多声卡延迟测试方案。通过多个实验比较内置声卡和外置声卡在延迟方面的差异，，在不同声卡的不同通道中分配不同频率的音频信号，同步播放后利用人工头录音，分析频谱差异计算出不同频率信号之间的时间差，从而得出各通道音频信号的延迟。实验结果表明在频率范围400—4000Hz范围内，对于同一块声卡，通道间基本无延迟，但是外置声卡声音延迟比内置声高，平均延迟约50ms。

关键词：延迟；测试；声卡；音频

1 引言

随着计算机技术的发展，人们对声音的要求不再只是“有声音”即可，更加追随空间感的体验，例如在一个音乐会的录音，在舞台各方向同时传来的不同乐器的声音，我们只能听到各个方向不同乐器的综合声，而不能分辨哪个乐器声音是从哪个方向来的，感觉不到像在音乐厅现场听音乐时的那种空间感和方位感，如果录音时能够把不同声源的空间位置反映出来，使人们在听录音时，就好像身临其境直接听到各方向声源发音一样，这样使得人们的听视觉能够得到一致满足，因此多声道的引入给人们带来了很大程度的听觉享受。为了重建声源的空间方位信息，研究人员陆续提出了立体声[1]、5.1声道[2]、7.1声道[3]，以及22.2声道[4-6]等多声道[7]回放系统，然而，当前主流的声卡均仅支持5.1、7.1声道，无法直接连接8个以上的扬声器。使用多声卡级联以支持更多声道数，是业内广泛采用的解决方案。由于各种声卡的计算资源、运算能力、接口等互不相同，导致不同声卡的延迟[8]并不一样，而延迟的差异会导致声音效果和声像出现偏差，影响听众的听觉享受。如果能了解各种声卡延迟的差异，则可以用于指导扬声器的配置，消除延迟带来的影响。但是对于用户而言，购置声卡后并不知道各声卡延迟之间的区别，只能被动的直接将声卡连接功放或扬声器使用。

本文提出了一种声卡延迟测试方法，实现了在一定的频率范围内内置声卡和外置声卡时间延迟的比较。本文首先介绍了声卡延迟测试的实验环境和基本方案，然后介绍了实验过程，通过四次不同的实验，得出每一个实验的结论，并对不同的实验结论进行比较，得出外置声卡声音延迟比内置声卡延迟高，在实验过程中可能存在一些客观的影响因素，对可能存在的干扰因素进行了分析。

2 实验方案

2.1 实验环境

为了尽量避免外界因素的干扰，本测试方案选用一个封闭的小房间，房间尺寸为6.5米（长）×4.5米（宽） ×3.5米（高），将人工头放置在小房间的正中央，8个音箱围绕人工头前方半圆内，与人工头距离相同。音箱间距离大致相同。采用人工头录音，存储在计算机中进行分析。8个音箱与人工头距离相同。选用华硕PCI-E内置声卡1块、创新USB外置声卡1块以及台式机一台。

实验的具体配置如下：将台式机中安装内置华硕声卡，同时外接USB创新声卡。两块声卡各接四通道，其中内置华硕声卡连接了左前、右前、左侧、右侧四个输出接口，外置创新声卡连接了左前、右前、左后和右后四个输出接口，在测试过程中，在台式机上将8轨道信号同时播放，在Audition中设置轨道1-4连接内置华硕声卡，轨道5-8连接外置创新声卡，人工头录音后传送至笔记本进行分析并计算出各通道的延迟。测试系统配置图如图1所示。

2.2 实验数据

在测试过程中，在台式机上将8轨道信号同时播放，其中轨道1-4连接内置华硕声卡，轨道5-8连接外置创新声卡。

实验1：从400Hz开始，每300Hz生成一个脉冲信号，共生成8个轨道音频信号（400-2500Hz），400Hz、700Hz、1000Hz、1300Hz等分配至内置声卡，1600Hz、1900Hz、2200Hz、2500Hz等分配給外置声卡，均为单声道、16位、采样率48kHz；

实验2：将实验1的轨道与频率的对应顺序颠倒，即频率为2500Hz、2200Hz、1900Hz、1600Hz信号传送至内置声卡，1300Hz、1000Hz、700Hz、400Hz等稍低频率的音频信号传送至外置声卡。

3 实验结果

实验1结果：对于同一个声卡而言，各通道之间基本无延迟。但是外置声卡与内置声卡之间延迟比较明显：外置创新声卡（轨道5-8，频率1600-2500Hz）比内置华硕声卡（轨道1-4，频率400-1300Hz）延迟约高50ms，如图2所示。

实验2结果：2500Hz（内置声卡、轨道1）、2200Hz（内置声卡、轨道2）延迟最小，1900Hz（内置声卡、轨道3）、1600Hz（内置声卡、轨道4）比轨道1与轨道2延迟高约10ms，400-1300Hz的较低频率部分由外置声卡传送，延迟明显高于内置声卡，约高40-50ms。

4 结束语

实验结果显示，同一声卡的不同声道之间，用户基本感知不到音频的延迟，而内置声卡与外置声卡的延迟出现明显差异。另外，由于房间存在环境噪声，如外部噪声、玻璃窗的声音、电脑主机翁鸣声，以及反射声等对录音造成了一些影响，导致录制的频率成分较宽，且相邻频率的差异比较模糊，如无法明显分别出400Hz与700Hz的区别。因此实验结果难以确定精确延迟，但是呈现出了明显的规律。下一步将在更宽频率范围、更好的环境、更多的级联声卡及更多通道中测量各声卡的延迟。

[参考文献]

[1]曾广兴.立体声技术.现代音响技术应用，1998：广东科技出版社.

[2]王啟发.5.1声道环绕声制作系统.音响技术，2008（4）：p.45-47.

[3]刘东.享受虚拟7.1声道音效硕美科.G945，游戏耳机.微型计算机， 2010（028）：p.76-76.

[4]韩伟.NHK更高临场感的未来电视研发近况.有线电视技术， 2010（003）：p.10-15.

[5]曹玉雯，姜波.22.2声道系统的发展与标准化.电声技术，2012.36（12）： p.77-82.

[6]梁华.数字影院多声道环绕声技术的新发展.演艺科技，2012.4：p.007.

[7]巫毒.多声道环绕立体声耳机一览.计算机与网络，2002.11：p.005.

[8]种兰祥，阎丽，张首军.基于计算机声卡的多通道数据.西北大学学报 （自然科学版），2002.32（6）.