機(jī)電子畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題 目 基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué) 院 機(jī)電與車輛工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè) 機(jī)械電子工程 </p><p><b>　　摘 要<

2、;/b></p><p>　　聲音信號(hào)充斥著我們的生活，它在各個(gè)領(lǐng)域都有著非常重要的應(yīng)用，包括醫(yī)學(xué)、教育、軍事、機(jī)械加工等領(lǐng)域?，F(xiàn)在的聲音分析測(cè)試系統(tǒng)主要以傳統(tǒng)的儀器為主，但是傳統(tǒng)儀器存在很多缺點(diǎn)：開發(fā)周期長(zhǎng)，成本高，功能固定，升級(jí)換代很不方便，已經(jīng)越來越不能滿足使用者的要求。</p><p>　　本文簡(jiǎn)要的介紹了一種基于labview的虛擬聲音信號(hào)采集分析系統(tǒng)，它很好的解決了傳統(tǒng)儀

3、器存在的弊端，不僅開發(fā)成本低，構(gòu)建精度高，功能也非常的靈活，還可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行自定義，為實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)的采集分析提供了一種新的途徑。</p><p>　　在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，結(jié)合聲音信號(hào)分析的功能需求和labview的設(shè)計(jì)方法，從硬件和軟件兩個(gè)方面來進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中最重要的就是傳感器的選擇，在保證可靠性和可行性的前提下，用計(jì)算機(jī)本身自帶的聲卡來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行聲音信號(hào)的采集，可以實(shí)現(xiàn)44.1K

4、Hz的采樣頻率，以及16位的采樣位數(shù)，并且可以選擇單通道和雙通道。然后在labview平臺(tái)上完成信號(hào)分析的軟件部分，實(shí)現(xiàn)聲音的采集，回放，以及分析。聲音的分析包括聲音信號(hào)瞬態(tài)特征的提取，濾波，頻譜分析，功率分析，諧波失真分析。</p><p>　　系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試，滿足了聲音信號(hào)分析的需求，價(jià)格低廉，功能靈活，升級(jí)方便，通用性好?？梢詰?yīng)用到振動(dòng)聲音，語音信號(hào)等信號(hào)的檢測(cè)分析中，還可以應(yīng)用在聲音信號(hào)的科研工作中，以及虛

5、擬儀器的教學(xué)中，可以說它的應(yīng)用前景非常廣闊。</p><p>　　關(guān)鍵詞：聲音信號(hào)，虛擬儀器，labview，聲卡采集</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Sound signal is full of our life, it in various fields have very important a

6、pplications, including medicine, education, military, machinery processing and other fields. Now the voice analysis test system is mainly to the traditional instrument, but traditional instruments exist many shortcomings

7、: development cycle is long, high cost, fixed function, the upgrade is not convenient, has become increasingly unable to meet the user's requirements.</p><p>　　This paper briefly introduces a kind of ana

8、lysis system based on labview virtual sound signal acquisition. It well solves the disadvantages existing in the traditional instruments, not only low cost of development, construct a high accuracy, function is also very

9、 flexible, can also customize according to the needs of users, provides a new way to realize the voice signal acquisition and analysis.</p><p>　　In the design of the whole system, combined with the design me

10、thod of voice signal analysis of functional requirements and labview, from two aspects of hardware and software design of the whole system. The most important is the choice of sensor, under the precondition of ensuring t

11、he reliability and feasibility, with a total count machine comes with its own sound card to replace the traditional data acquisition card for sound signal acquisition, can achieve 44.1 kHz sampling frequency, and 16 of&l

12、t;/p><p>　　System after the test, to meet the demand for voice signal analysis, low price, flexible, easy to upgrade, good versatility. Can applied to vibration sound, speech signals, signal detection and analy

13、sis, application in the scientific research work of the voice signal, and virtual instrument teaching, we can say that it is very broad application prospects.</p><p>　　KEY WORDS: sound signal, virtual instru

14、ment, labview, sound card collection</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　前 言IV</b></p>

15、<p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1選題的目的與意義1</p><p>　　1.2課題主要研究?jī)?nèi)容1</p><p>　　1.3論文的組織結(jié)構(gòu)2</p><p>　　第二章 聲音的描述3</p><p><b>　　2.1分貝3

16、</b></p><p>　　2.1.1分貝的運(yùn)算法則3</p><p>　　2.1.2為什么采用分貝3</p><p><b>　　2.2 聲壓3</b></p><p>　　2.2.1聲壓的定義3</p><p>　　2.2.2聲壓與聲強(qiáng)的關(guān)系4</p>&

17、lt;p><b>　　2.3聲壓級(jí)4</b></p><p>　　2.3.1什么是聲壓級(jí)4</p><p>　　2.3.2工作原理5</p><p>　　2.3.3傳聲器5</p><p>　　2.3.4放大器5</p><p>　　2.3.5計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)5</p>&

18、lt;p>　　第三章 虛擬儀器、labview及聲音采集簡(jiǎn)介7</p><p>　　3.1.虛擬儀器的介紹7</p><p>　　3.1.1虛擬儀器的概念7</p><p>　　3.1.2虛擬儀器的特點(diǎn)7</p><p>　　3.2labview簡(jiǎn)介7</p><p>　　3.2.1 labview的系

19、統(tǒng)組成及應(yīng)用8</p><p>　　3.2.2測(cè)試軟件控制8</p><p>　　3.3聲音采集介紹8</p><p>　　3.3.1聲音采集的概念8</p><p>　　3.3.2聲音采集的特點(diǎn)：9</p><p>　　第四章 基于labview的聲音采集方案設(shè)計(jì)10</p><p&g

20、t;　　4.1 聲音信號(hào)采集方案10</p><p>　　4.2 聲卡作為聲音信號(hào)采集裝置的可行性分析10</p><p>　　4.3 聲卡的基本結(jié)構(gòu)11</p><p>　　4.3.1聲音控制芯片11</p><p>　　4.3.2數(shù)字信號(hào)處理器12</p><p>　　4.3.3FM合成芯片12<

21、/p><p>　　4.3.4波形合成表12</p><p>　　4.3.5波表合成器芯片12</p><p>　　4.4 聲卡的工作原理12</p><p>　　4.41 聲卡的性能指標(biāo)12</p><p>　　第五章 基于labview的聲音采集系統(tǒng)的軟件部分14</p><p>　　5

22、.1聲音采集與分析流程15</p><p>　　5.2聲音分析模塊19</p><p>　　5.3聲音讀取與回放26</p><p>　　第六章 聲音采集系統(tǒng)的運(yùn)行和測(cè)試結(jié)果28</p><p>　　6.1系統(tǒng)運(yùn)行需要以下要求：28</p><p>　　6.2 采集程序測(cè)試結(jié)果28</p>

23、<p>　　6.2.1采集到的波形如下圖所示：28</p><p>　　6.2.2 聲音回放波形29</p><p><b>　　總結(jié)與展望33</b></p><p><b>　　致 謝34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b><

24、/p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　聲音采集是指把聲音信號(hào)數(shù)字化 ,并在數(shù)字狀態(tài)下進(jìn)行傳送、記錄、重放以及其它加工處理等的一整套技術(shù)。相應(yīng)地把聲音信號(hào)在原來模擬狀態(tài)下進(jìn)行加工處理的技術(shù)稱為模擬音頻。模擬音頻信號(hào)的振幅具有隨時(shí)間連續(xù)變化的性質(zhì)。所謂數(shù)字化就是指把這種模擬信號(hào)按一定的時(shí)間間隔取值 ,并將所取的值用一組二進(jìn)制編碼表示 ,從而將連續(xù)的模擬

25、信號(hào)變換為離散的數(shù)字信號(hào)的操作過程。</p><p>　　數(shù)字音頻有許多優(yōu)點(diǎn)。它可以實(shí)現(xiàn)很寬的動(dòng)態(tài)范圍，低失真，高信噪比，以及能經(jīng)受很多代的復(fù)制與處理而不會(huì)明顯地降低質(zhì)量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與普及數(shù)字設(shè)備正越來越多地取代模擬設(shè)備在生產(chǎn)過程控制和科學(xué)研究等廣泛的領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)正發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著音頻處理技術(shù)的發(fā)展音頻處理算法越來越復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理的辦法來實(shí)現(xiàn)這些算法不僅難度大，成本高，

26、有的甚至根本無法實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的聲音測(cè)試技術(shù)由于硬件昂貴（一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡可達(dá)數(shù)千元），并且不同的測(cè)試對(duì)象所需要的傳感器也不一樣，導(dǎo)致現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)一直不能很好的發(fā)展，這無疑在很大程度上限制了音頻處理技術(shù)的發(fā)展。</p><p>　　虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。它利用計(jì)算機(jī)的顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)器的控制面板。虛擬儀器利用計(jì)算機(jī)來控制與其相連接的各種硬件，來實(shí)

27、現(xiàn)對(duì)輸入輸出信號(hào)的采集、分析、控制以及顯示。它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)儀器的各種功能，還解決了傳統(tǒng)儀器存在的各種弊端。</p><p>　　利用labview的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的運(yùn)算，分析，處理。計(jì)算機(jī)的聲卡具有采集信號(hào)的能力并實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換?；谔摂M儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以在很大的程度上降低實(shí)驗(yàn)的成本，整個(gè)實(shí)驗(yàn)也變得簡(jiǎn)便，具有很好的可行性。與傳統(tǒng)儀器相比，它的成本更低，功能更強(qiáng)大，精度可靠，維護(hù)更方便。用labv

28、iew來搭建一個(gè)聲音采集系統(tǒng)有如此多的有點(diǎn)，正是促使我寫這篇論文的原因。在這里，我有利用labview的平臺(tái)來搭建一個(gè)聲音采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音信號(hào)的采集，回放，以及分析。</p><p>　　具體的工作從開始了解虛擬儀器開始。在學(xué)習(xí)labview的過程中，主要使用的是labview中的幫助信息及實(shí)例。在網(wǎng)上可從電子發(fā)燒友論壇上獲取大量的有關(guān)labview的信息，結(jié)合課本上的講解，有助于快速上手，對(duì)編程有很大的幫助

29、。</p><p>　　在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中，對(duì)聲音進(jìn)行了一定的了解，表示方法有分貝、聲壓、聲強(qiáng)，</p><p>　　測(cè)量的有聲級(jí)計(jì)及其原理。接著結(jié)合自己電腦，推敲用聲卡作為采集器，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音信號(hào)的采集的可行性。對(duì)聲卡的參數(shù)的選擇對(duì)于聲音信號(hào)保留的影響作分析。</p><p>　　明確了設(shè)計(jì)任務(wù)是采集聲音、聲音回放以及對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行分析。那么先從程序的總體結(jié)構(gòu)入手。

30、在這里我采用的是選擇結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴僮魅藛T能夠確定現(xiàn)在這個(gè)程序執(zhí)行的是采集聲音信號(hào)或者是回放聲音信號(hào)的任務(wù)，通過改變選擇結(jié)構(gòu)的條件，可以讓操作人員自己進(jìn)行選擇。其次，對(duì)采集到的聲音信號(hào)進(jìn)行分析。其中最主要的有功率譜、諧波、包絡(luò)譜分析。</p><p>　　在完成聲音采集之后，，分析信號(hào)時(shí)引入了白噪聲。加入白噪聲之后，對(duì)波形進(jìn)行濾波時(shí)，需要注意的是不能直接將波形信號(hào)接入濾波器的X端，這樣在之后的分析中波形始終一成不變，

31、是錯(cuò)誤的做法。在操作時(shí)，應(yīng)該先將輸出的波形信號(hào)進(jìn)行數(shù)組索引，提取其中的Y成分，在將其輸入到X端。根據(jù)奈奎斯特定理可以得知，要想不失真的還原出采集之前的信號(hào)，濾波器的采樣頻率必須大于信號(hào)的采樣頻率的兩倍。功率譜是針對(duì)功率有限的信號(hào)的（能量有限信號(hào)可以用能量譜分析），所表現(xiàn)的是單位頻帶內(nèi)信號(hào)功率隨頻率的變換情況。保留頻譜的幅度信息，表示了信號(hào)功率隨著頻率的變化情況，即信號(hào)功率在頻域的分布狀況。包絡(luò)譜對(duì)與沖擊力相關(guān)的事件敏感。 量化沖擊頻率

32、和強(qiáng)度對(duì)振動(dòng)分析是非常有幫助的。盡管有些機(jī)器會(huì)產(chǎn)生沖擊能量(如往復(fù)設(shè)備), 但大多數(shù)機(jī)器不會(huì)。沖擊力是破壞性的，通常表明會(huì)發(fā)生故障。最典型的包絡(luò)譜圖應(yīng)用是檢測(cè)軸承缺陷。</p><p>　　總結(jié)、致謝、參考文獻(xiàn)。</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1選題的目的與意義</p><p>

33、;　　所謂聲音采集是指把聲音信號(hào)數(shù)字化 ,并在數(shù)字狀態(tài)下進(jìn)行傳送、記錄、重放以及其它加工處理等的一整套技術(shù)。相應(yīng)地把聲音信號(hào)在原來模擬狀態(tài)下進(jìn)行加工處理的技術(shù)稱為模擬音頻。模擬音頻信號(hào)的振幅具有隨時(shí)間連續(xù)變化的性質(zhì)。所謂數(shù)字化就是指把這種模擬信號(hào)按一定的時(shí)間間隔取值 ,并將所取的值用一組二進(jìn)制編碼表示 ,從而將連續(xù)的模擬信號(hào)變換為離散的數(shù)字信號(hào)的操作過程。</p><p>　　數(shù)字音頻有許多優(yōu)點(diǎn)。它可以實(shí)現(xiàn)很寬的

34、動(dòng)態(tài)范圍，低失真，高信噪比，以及能經(jīng)受很多代的復(fù)制與處理而不會(huì)明顯地降低質(zhì)量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與普及數(shù)字設(shè)備正越來越多地取代模擬設(shè)備在生產(chǎn)過程控制和科學(xué)研究等廣泛的領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)正發(fā)揮著越來越重要的作用。然而外部世界的大部分信息是以連續(xù)變化的物理形式出現(xiàn)的。要將這些進(jìn)行量化編碼從而變成數(shù)字量這個(gè)過程就是聲音采集。它是計(jì)算機(jī)信息送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理就必須先將這些連續(xù)的物理量離散化并在監(jiān)測(cè)管理和控制一個(gè)系統(tǒng)的過程中取得原數(shù)據(jù)的主要手

35、段。聲音采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)與外部世界聯(lián)系的橋梁是獲取信息的主要途徑。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與普及數(shù)據(jù)采集技術(shù)將有廣闊的發(fā)展前景。 聲音采集系統(tǒng)的任務(wù)具體的說就是把模擬語音信號(hào)通過相關(guān)的設(shè)備轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)根據(jù)不同的的需要由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理得出所需的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。</p><p>　　虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，

36、是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。它利用計(jì)算機(jī)的顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)器的控制面板。利用labview的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的運(yùn)算，分析，處理。計(jì)算機(jī)的聲卡具有采集信號(hào)的能力并實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換?；谔摂M儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以在很大的程度上降低實(shí)驗(yàn)的成本，整個(gè)實(shí)驗(yàn)也變得簡(jiǎn)便，具有很好的可行性。</p><p>　　1.2課題主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　在計(jì)算機(jī)中，利用labvie

37、w提供的編程環(huán)境，搭建用于聲音信號(hào)采集的分析系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音信號(hào)的采集、分析、顯示。能夠?qū)π盘?hào)的特征進(jìn)行提取，分析。</p><p><b>　　主要的組成部分：</b></p><p>　?、俾曇舻牟杉到y(tǒng)。實(shí)現(xiàn)功能：將用戶從麥輸入的聲音信號(hào)進(jìn)行采集，采集的信號(hào)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中的指定位置，在labview中用波形圖可以顯示出來；</p><p>

38、;　　②聲音的分析系統(tǒng)。將采集到的信號(hào)通過濾波處理，結(jié)合labview提供的信號(hào)處理函數(shù)，可以在時(shí)域和頻域上對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行分析。具體的有自相關(guān)、卷積、拉普拉斯、均方值等。</p><p>　　1.3論文的組織結(jié)構(gòu)</p><p>　　給出論文的框架結(jié)構(gòu)，有利于編寫者保持清晰的思路和閱讀者快速了解論文的整體結(jié)構(gòu)。本篇內(nèi)容主要由摘要、目錄、聲音的描述、虛擬儀器、labview及聲音采集簡(jiǎn)介、基

39、于labview的聲音采集方案設(shè)計(jì)、基于labview的聲音采集系統(tǒng)的軟件部分、聲音采集系統(tǒng)的運(yùn)行和測(cè)試結(jié)果、.總結(jié)、致謝以及參考文獻(xiàn)組成。</p><p><b>　　第二章 聲音的描述</b></p><p><b>　　2.1分貝</b></p><p>　　分貝是表示電氣、機(jī)械和聲學(xué)等信號(hào)在傳輸過程功率增加(增益)

40、與減小(損耗的計(jì)量單位。把前后所測(cè)的兩個(gè)功率比值(( P/Po ) 取常用對(duì)數(shù)就是此功率差的貝爾數(shù)，用公式表示為</p><p>　　貝爾數(shù)B=lg((P/Po )式2.1</p><p>　　式中，P為類似功率輸出量；P。是基準(zhǔn)輸人功率。在實(shí)際使用過程，發(fā)現(xiàn)貝爾這個(gè)單位太大，故采用貝爾的十分之一為單位，稱之為分貝(decibe1)，即10分貝數(shù)等于1貝爾數(shù)。由對(duì)數(shù)性質(zhì)可知，當(dāng)(P/Po

41、)>1時(shí)，分貝數(shù)為正值，表示傳輸功率增加；當(dāng)(P/Po)<1時(shí)，分貝數(shù)為負(fù)值，表示傳輸功率減小；當(dāng)( P/Po )=l時(shí) 分貝數(shù)為零，說明傳輸功率既沒增加也沒減小。</p><p>　　2.1.1分貝的運(yùn)算法則</p><p>　　直接相加：只要兩個(gè)或數(shù)個(gè)比率是相乘關(guān)系，其對(duì)應(yīng)的分貝值就可以直接相加。</p><p>　　2.1.2為什么采用分貝<

42、/p><p>　　采用分貝作為計(jì)量單位具有以下優(yōu)點(diǎn):</p><p>　?、俜重愡m于聲學(xué)計(jì)量，且與人體的聽覺相符，聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)這三個(gè)聲學(xué)量都具有對(duì)數(shù)性質(zhì)，這和人耳對(duì)聲音的響應(yīng)是一致的。因此，以分貝度量音響符合人耳感覺。</p><p>　　②用途廣泛任何一個(gè)計(jì)量單位都不及分貝應(yīng)用廣泛。任何計(jì)量，不管其單位如何，只要能給出基準(zhǔn)值，都可以用分貝來表示。</

43、p><p>　?、蹌?dòng)態(tài)范圍大。所謂動(dòng)態(tài)范圍就是某個(gè)變量隨其自變量變化的范圍。與線性變化相比較，對(duì)數(shù)的變化范圍就大得多。</p><p>　　④使計(jì)算數(shù)目字變小對(duì)數(shù)運(yùn)算可以將龐大的線性表示量變成便于記憶書寫和計(jì)算。</p><p><b>　　⑤簡(jiǎn)化計(jì)算</b></p><p>　　由于對(duì)數(shù)運(yùn)算使龐大的數(shù)目字變小，而且還可將線

44、性量的乘法運(yùn)算變?yōu)榉重惲康募臃ㄟ\(yùn)算，所以可使運(yùn)算過程變得極為簡(jiǎn)單。</p><p><b>　　2.2 聲壓</b></p><p>　　2.2.1聲壓的定義</p><p>　　聲壓就是大氣壓受到聲波擾動(dòng)后產(chǎn)生的變化，即為大氣壓的余壓，它相當(dāng)于在大氣壓強(qiáng)上疊加一個(gè)聲波擾動(dòng)引起的壓強(qiáng)變化通過聲壓的測(cè)量可以間接求出質(zhì)點(diǎn)速度等其他物理量。聲學(xué)中常用

45、聲壓來描述聲波。</p><p>　　2.2.2聲壓與聲強(qiáng)的關(guān)系</p><p>　　聲強(qiáng)指聲波傳播的能流密度，即在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于傳播方向上單位面積的聲音能量．聲源在某點(diǎn)發(fā)出的聲波，向外傳播，在距聲源r處的聲強(qiáng)為I=E/4π,式中E是聲源每秒鐘發(fā)出的能量，聲強(qiáng)I的單位是W/m2.</p><p>　　凡能引起正常聽覺的聲波，對(duì)聲強(qiáng)有一定范圍的要求，這個(gè)范圍跟聲

46、波的頻率有關(guān)，對(duì)于每個(gè)特定頻率的聲波，要引起聽覺，其聲強(qiáng)有兩個(gè)極值．若根據(jù)正常聽覺的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以頻率為橫坐標(biāo)，以聲強(qiáng)為縱坐標(biāo)，將各種頻率的聲強(qiáng)上下限坐標(biāo)連起來，低于下限的聲強(qiáng)，不能引起聽覺．凡超過上限的聲強(qiáng)，使人耳有痛感．故上下限曲線間的區(qū)域即為聽覺范圍．國(guó)際上選定I0=W/m2作為聲強(qiáng)的參考標(biāo)準(zhǔn)，聲強(qiáng)I與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)I0之比的對(duì)數(shù)稱作聲強(qiáng)I的聲強(qiáng)級(jí)，用L表示，即L=lg(/).單位為貝爾，用BEL表示，這個(gè)單位在實(shí)用上太大，故常用貝爾的1

47、/0，即分貝（dB)作為單位，所以聲強(qiáng)級(jí)的表示式為L(zhǎng)=10lg(/)(dB).,用dB為單位，最輕音就是0瞬時(shí)聲壓：聲場(chǎng)中某一瞬時(shí)的聲壓值稱為瞬時(shí)聲壓。 </p><p>　　峰值聲壓：在一定時(shí)間間隔中最大的瞬間聲壓值稱為峰值聲壓或者巔值聲壓。如果聲壓隨時(shí)間變化是按簡(jiǎn)諧規(guī)律，那么峰值聲壓也就是聲壓的振幅。 </p><p>　　有效聲壓：在一定時(shí)間間隔中，瞬時(shí)聲壓對(duì)時(shí)間

48、取均方根值稱為有效聲壓。 ．</p><p><b>　　2.3聲壓級(jí)</b></p><p>　　2.3.1什么是聲壓級(jí)</p><p>　　聲壓級(jí)用符號(hào)SPL表示，其定義為將待測(cè)聲壓有效值與參考聲壓的比值取常用對(duì)數(shù)乘20.</p><p>　　SPL=20 </p>

49、<p>　　在空氣中參考聲壓取值一般為10e-5帕。這個(gè)數(shù)值是正常人耳對(duì)1KHz聲音剛剛能察覺到其存在的聲壓。</p><p>　　測(cè)量聲壓嘴常用的是聲級(jí)計(jì)。聲級(jí)計(jì)是最基本的噪聲測(cè)量?jī)x器，它是一種電子儀器。在把聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)時(shí)，可以模擬人耳對(duì)聲波反應(yīng)速度的時(shí)間特性；對(duì)高低頻有不同靈敏度的頻率特性以及不同響度時(shí)改變頻率特性的強(qiáng)度特性。 因此，聲級(jí)計(jì)是一種主觀性的電子儀器。 </p&g

50、t;<p><b>　　2.3.2工作原理</b></p><p>　　由傳聲器將聲音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由前置放大器變換阻抗，使傳聲器與衰減器匹配。放大器將輸出信號(hào)加到計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率計(jì)權(quán)（或外接濾波器) ，然后再經(jīng)衰減器及放大器將信號(hào)放大到一定的幅值，送到有效值檢波器 （或外按電平記錄儀） ，在指示表頭上給出噪聲聲級(jí)的數(shù)值。</p><p>&l

51、t;b>　　2.3.3傳聲器</b></p><p>　　傳聲器是把聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的裝置，它是聲級(jí)計(jì)的傳感器。常見的傳聲器有晶體式、駐極體式、動(dòng)圈式和電容式數(shù)種。</p><p>　?、?動(dòng)圈式傳聲器由振動(dòng)膜片、可動(dòng)線圈、永久磁鐵和變壓器等組成。振動(dòng)膜片受到聲波壓力以后開始振動(dòng)，并帶動(dòng)著和它裝在一起的可動(dòng)線圈在磁場(chǎng)內(nèi)振動(dòng)以產(chǎn)生感應(yīng)電流。該電流根據(jù)振動(dòng)膜片受到聲波壓

52、力的大小而變化。聲壓越大，產(chǎn)生的電流就越大，聲壓越小，產(chǎn)生的電流也越小。</p><p>　?、陔娙菔絺髀暺髦饕山饘倌て涂康煤芙慕饘匐姌O組成，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)平板電容。金屬膜片與金屬電極構(gòu)成了平板電容的兩個(gè)極板，當(dāng)膜片受到聲壓作用時(shí)，膜片便發(fā)生變形，使兩個(gè)極板之間的距離發(fā)生了變化，于是改變了電容量，位測(cè)量電路中的電壓也發(fā)生了變化，實(shí)現(xiàn)了將聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的作用。電容式傳聲器是聲學(xué)測(cè)量中比較理想的傳聲器，具

53、有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率響應(yīng)平直、靈敏度高和在一般測(cè)量環(huán)境下穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用廣泛。由于電容式傳聲器輸出阻抗很高，因而需要通過前置放大器進(jìn)行阻抗變換，前置放大器裝在聲級(jí)計(jì)內(nèi)部靠近安裝電容式傳聲器的部位。</p><p><b>　　2.3.4放大器</b></p><p>　　一般采用兩級(jí)放大器，即輸入放大器和輸出放大器，其作用是將微弱的電信號(hào)放大。輸入衰減器和輸出衰

54、減器是用來改變輸入信號(hào)的衰減量和輸出信號(hào)衰減量的，以便使表頭指針指在適當(dāng)?shù)奈恢?。輸入放大器使用的哀減器調(diào)節(jié)范圍為測(cè)量低端，輸出放大器使用的衰減器調(diào)節(jié)范圍為測(cè)量高端。7阻抗匹配，負(fù)載與內(nèi)阻相等時(shí)，負(fù)載可獲得最大輸出功率。前置放大器，高輸入阻抗與低輸出阻抗。高輸入阻抗能夠減少負(fù)載對(duì)信號(hào)源的影響和較少失真。</p><p><b>　　2.3.5計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)</b></p><p&

55、gt;　　為了模擬人耳聽覺在不同頻率有不同的靈敏性，在聲級(jí)計(jì)內(nèi)設(shè)有一種能夠模擬人耳的聽覺特性，把電信號(hào)修正為與聽感近似值的網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)叫作計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。通過計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測(cè)得的聲壓級(jí)，已不再是客觀物理量的聲壓級(jí)（叫線性聲壓級(jí)），而是經(jīng)過聽感修正的聲壓級(jí)，叫作計(jì)權(quán)聲級(jí)或噪聲級(jí)。</p><p>　　計(jì)權(quán)（又叫加權(quán)）參數(shù)是在對(duì)頻響曲線進(jìn)行了一些加權(quán)處理后測(cè)得的參數(shù)，以區(qū)別于平直頻響狀態(tài)下的不計(jì)權(quán)參數(shù)。</p>

56、<p>　　第三章 虛擬儀器、labview及聲音采集簡(jiǎn)介</p><p>　　3.1.虛擬儀器的介紹</p><p>　　3.1.1虛擬儀器的概念</p><p>　　虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。它利用計(jì)算機(jī)的顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)器的控制面板。利用labview的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的運(yùn)算

57、，分析，處理。計(jì)算機(jī)的聲卡具有采集信號(hào)的能力并實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換?；谔摂M儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以在很大的程度上降低實(shí)驗(yàn)的成本，整個(gè)實(shí)驗(yàn)也變得簡(jiǎn)便，具有很好的可行性。改實(shí)驗(yàn)基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)將極大的節(jié)省人力、物力，為今后的聲音信號(hào)采集提供很好的參考。</p><p>　　3.1.2虛擬儀器的特點(diǎn)</p><p>　　與傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器相比，虛擬儀器技術(shù)有著許多自己獨(dú)特的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，以

58、下列出其一部分特點(diǎn)：</p><p>　?、偬摂M儀器具有開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用低的特點(diǎn)；</p><p>　?、谔摂M儀器具有傳統(tǒng)儀器所無法比擬的強(qiáng)大信號(hào)處理能力。因?yàn)樘摂M儀器可以充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件資源，對(duì)信號(hào)靈活地進(jìn)行計(jì)算、分析、判斷、處理、顯示或輸出等；</p><p>　　③虛擬儀器由用戶自定義儀器功能, 而傳統(tǒng)儀器一經(jīng)設(shè)計(jì)、制造完成后, 就很難改變；</p

59、><p>　?、芴摂M儀器具有技術(shù)更新周期短的特點(diǎn)，大約為1-2年；</p><p>　?、商摂M儀器開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，可靈活地與網(wǎng)絡(luò)及其周邊設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。</p><p>　　3.2labview簡(jiǎn)介</p><p>　　labview是NI公司推出的一種圖形化編程語言。，用它開發(fā)的軟件稱為虛擬儀器。其中包括了大量的控件、工具和函數(shù)，

60、用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲(chǔ)等操作。并提供了廣泛的接口，可以與matlab在內(nèi)的多種軟件相互調(diào)用。其附帶有擴(kuò)展庫(kù)函數(shù)，滿足強(qiáng)大的專業(yè)數(shù)學(xué)分析。labview的程序語言形象、生動(dòng)，進(jìn)行控件的連線設(shè)置后即可傳輸數(shù)據(jù)，省去了許多源代碼的編寫麻煩和參數(shù)傳遞設(shè)置。</p><p>　　3.2.1 labview的系統(tǒng)組成及應(yīng)用</p><p>　　labview的構(gòu)成相當(dāng)復(fù)雜，但大體上由數(shù)據(jù)采集、

61、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及保存模塊構(gòu)成，如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 labview組成圖</p><p>　　硬件獲取測(cè)試對(duì)象的被測(cè)信號(hào)，虛擬儀器主要由計(jì)算機(jī)組成，但計(jì)算機(jī)不能自己獲得信號(hào)，因此必須有相應(yīng)的硬件來配合才可以完成所有功能。主要配件有各種傳感器、信號(hào)調(diào)理器和魔力數(shù)字轉(zhuǎn)換器等。虛擬儀器同時(shí)也會(huì)根據(jù)需要在系統(tǒng)中配置一些示波器、傳統(tǒng)儀器來輔助完成強(qiáng)大的功能。</p

62、><p>　　3.2.2測(cè)試軟件控制</p><p>　　labview實(shí)現(xiàn)了把數(shù)據(jù)采集、分析、處理和顯示燈功能通過編程集中操作。它提供了儀器操作與運(yùn)行的命令環(huán)境，衛(wèi)各類系統(tǒng)的開發(fā)提供了系統(tǒng)平臺(tái)和支撐。</p><p><b>　　3.3聲音采集介紹</b></p><p>　　3.3.1聲音采集的概念</p>

63、<p>　　聲音采樣就是把模擬音頻轉(zhuǎn)成數(shù)字音頻的過程，所用到的主要設(shè)備便是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，即ADC，與之對(duì)應(yīng)的是數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，即DAC）。采樣的過程實(shí)際上是將通常的模擬音頻信號(hào)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼0和1，這些0和1便構(gòu)成了數(shù)字音頻文件。采樣的頻率越大則音質(zhì)越有保證。由于采樣頻率一定要高于錄制的最高頻率的兩倍才不會(huì)產(chǎn)生失真。采樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對(duì)聲音信號(hào)的采

64、樣次數(shù)，采樣頻率越高聲音的還原就越真實(shí)越自然。在當(dāng)今的主流聲卡上，采樣頻率一般共分為22.05KHz、44.1KHz、48KHz三個(gè)等級(jí)，22.05只能達(dá)到FM廣播的聲音品質(zhì)，44.1KHz則是理論上的CD音質(zhì)界限，48KHz則更加精確一些。對(duì)于高于48KHz的采樣頻率人耳已無法辨別出來了，所以在電腦上沒有多少使用價(jià)值。采樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度。這個(gè)數(shù)值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音就越真實(shí)。我們首先要知道：電腦中的

65、聲音文件是用數(shù)字0和1來表示的。所以在電腦上錄音的本質(zhì)就是把模擬聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。反之，在播放時(shí)則是把數(shù)字信號(hào)還原成模擬聲音信號(hào)輸出。</p><p>　　3.3.2聲音采集的特點(diǎn)：</p><p>　?、佻F(xiàn)代采集系統(tǒng)一般都由計(jì)算機(jī)控制使得聲音采集的質(zhì)量和效率等大為提高，也節(jié)省了硬件的投資。 </p><p>　　②軟件在聲音采集系統(tǒng)中的作用越來越大，這增加了

66、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。 </p><p>　?、勐曇舨杉c聲音處理相互結(jié)合得日益緊密形成聲音采集與處理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)從聲音采集處理到控制的全部工作。 </p><p>　?、苈曇舨杉^程一般都具有“實(shí)時(shí)”特性，實(shí)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)是能滿足實(shí)際需要對(duì)于通用聲音采集系統(tǒng)一般希望有盡可能高的速度，以滿足更多的應(yīng)用環(huán)境。 </p><p>　?、蓦S著微電子技術(shù)的發(fā)展，電路集成度的提高，

67、聲音采集系統(tǒng)的體積越來越小，可靠性越來越高。 </p><p>　　第四章 基于labview的聲音采集方案設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 聲音信號(hào)采集方案</p><p>　　虛擬儀器的信號(hào)采集所需要的硬件主要有以下三個(gè)選擇：由美國(guó)國(guó)家儀器公司開發(fā)的一系列專用的數(shù)據(jù)采集卡，國(guó)產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡，以及本設(shè)計(jì)所用到的計(jì)算機(jī)自帶的聲卡，在設(shè)計(jì)聲音采集系統(tǒng)的硬件部分時(shí)，主

68、要從可行性、可靠性、通用性、成本等各方面考慮。</p><p>　　用美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)。</p><p>　　NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡是專為虛擬儀器開發(fā)的，提供多種總線類型，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇總線類型。該采集卡功能非常強(qiáng)大，提供多通道（至少4通道以上）的模擬輸入，傳輸帶寬大，采樣精度高，延時(shí)少，數(shù)據(jù)采集功能也非常強(qiáng)大，但是它的價(jià)格也特別昂貴，其官方報(bào)

69、價(jià)基本都在7000元以上，普通用戶很難接受，所以本課題設(shè)計(jì)不采用此種數(shù)據(jù)采集卡。</p><p>　　用國(guó)產(chǎn)的普通數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)。</p><p>　　國(guó)產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡相對(duì)于國(guó)外品牌來說比較便宜，但是對(duì)于普通用戶來說，依然是很昂貴的，比如中泰的數(shù)據(jù)采集卡要4000多元人民幣，凌華的DAQ-2006高達(dá)一萬多人民幣。當(dāng)然，也有一些相對(duì)便宜的數(shù)據(jù)采集卡，但是這些數(shù)據(jù)采集卡的質(zhì)量很難保證，普

70、通用戶難以區(qū)分其好壞，并且測(cè)量精度也不高，傳輸速率也比較慢。本設(shè)計(jì)不采用此種數(shù)據(jù)采集卡。</p><p>　　用電腦自帶的聲卡采集數(shù)據(jù)。</p><p>　　計(jì)算機(jī)的聲卡是計(jì)算機(jī)硬件的一部分，且其本身就是一個(gè)很好的A/D，D/A轉(zhuǎn)化裝置，完全符合本課題的數(shù)據(jù)采集要求。而且在計(jì)算機(jī)上完成數(shù)據(jù)采集任務(wù),成本幾乎為零，這樣就不需要購(gòu)買數(shù)據(jù)采集硬件模塊。</p><p>　

71、　綜上所述，本課題打算用電腦自帶的聲卡作為聲音信號(hào)的采集裝置。</p><p>　　4.2 聲卡作為聲音信號(hào)采集裝置的可行性分析</p><p>　　NI公司以及其他公司開發(fā)的數(shù)據(jù)采集卡，價(jià)格昂貴，不適合我們普通大學(xué)生使用，而聲卡作為計(jì)算機(jī)硬件的一部分，價(jià)格并不貴，且虛擬儀器本身就是基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)開發(fā)的，因此用聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡也能充分體現(xiàn)虛擬儀器對(duì)計(jì)算機(jī)資源的最優(yōu)化應(yīng)用。</p&g

72、t;<p>　　目前市場(chǎng)上大部分聲卡性能都比較好，最高的采樣頻率可以達(dá)到96kHZ,采樣位數(shù)可達(dá)8位到32位。而電腦自帶的聲卡，也支持16位、44.1kHz的CD音質(zhì)，16位、48kHz的DVD音質(zhì)，24位、44.1kHz的錄音室音質(zhì)等。電腦的聲卡有兩個(gè)聲道，可以實(shí)現(xiàn)兩路采集，如果有需要還可以配置多塊聲卡，實(shí)現(xiàn)多路采集。每路采集的信號(hào)最高頻率可以達(dá)到22.05kHz，信噪比達(dá)到96dB。由于聲卡自帶有增益控制，所以即使在不

73、加信號(hào)衰減電路的情況下，也能測(cè)量從1微伏到1伏的信號(hào)。</p><p>　　聲卡的時(shí)基精度通常為0.00x%。比如一個(gè)時(shí)基精度為0.002%的聲卡，當(dāng)采樣頻率為48kHz時(shí)，它的誤差僅為0.96Hz，一個(gè)好的聲卡，其噪聲電平可以低于100dB，諧波失真THD低于0.001%。</p><p>　　用聲卡作為聲音信號(hào)的采集裝置，可以構(gòu)建一個(gè)低成本、高性能、簡(jiǎn)單方便的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。因此，本課題

74、設(shè)計(jì)采用聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡的方案是可行的。</p><p>　　4.3 聲卡的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖4-1 聲卡的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　聲卡是由一些電子器件與連接器構(gòu)成的。電子器件用來完成各種特定的功能。連接器用來連接輸入輸出信號(hào)。</p><p>　　4.3.1聲音控制芯片</p><p>　　聲音

75、控制芯片的功能是把從采集設(shè)備中獲取的聲音信號(hào)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將其轉(zhuǎn)換成一串?dāng)?shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)到電腦中。重放時(shí)，這些數(shù)字信號(hào)送到一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器還原為模擬波形，放大后送到揚(yáng)聲器發(fā)聲。</p><p>　　4.3.2數(shù)字信號(hào)處理器</p><p>　　DSP芯片通過編程實(shí)現(xiàn)各種功能。它可以處理有關(guān)聲音的命令、執(zhí)行壓縮和解壓縮程序、增加特殊聲效和傳真MODEM等。大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，加速了多媒體

76、軟件的執(zhí)行。但是，低檔聲卡一般沒有安裝DSP，只有高檔聲卡才配有DSP芯片。</p><p>　　4.3.3FM合成芯片</p><p>　　低檔聲卡一般采用FM合成聲音，以降低成本。FM合成芯片的作用就是用來產(chǎn)生合成聲音。</p><p>　　4.3.4波形合成表</p><p>　　在波表ROM中存放有實(shí)際樂音的聲音樣本，供播放MIDI使

77、用。一般的中高檔聲卡都采用波表方式，可以獲得十分逼真的使用效果。</p><p>　　4.3.5波表合成器芯片</p><p>　　波表合成器芯片的功能是按照MIDI命令，讀取ROM中的樣本聲音合成并轉(zhuǎn)換成實(shí)際的樂音。低檔聲卡沒有這個(gè)芯片。</p><p>　　4.4 聲卡的工作原理</p><p>　　首先，聲卡通過麥克風(fēng)（帶麥的耳機(jī)亦可，

78、本設(shè)計(jì)中由于電腦自帶了麥克風(fēng)，所以不另增加麥克風(fēng)設(shè)備）等硬件，獲取到聲音信號(hào)，此時(shí)的聲音信號(hào)為模擬信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換以后，得到對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，保存到計(jì)算機(jī)里，然后再對(duì)其進(jìn)行各種處理。如果要播放保存的聲音信號(hào)，那么只需要把數(shù)字信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)過揚(yáng)聲器播放就可以了。上述過程稱為脈沖編碼調(diào)制技術(shù)。</p><p>　　下圖反映了聲卡的工作原理。</p><p>　　圖4-2 聲

79、卡的工作原理</p><p>　　4.41 聲卡的性能指標(biāo)</p><p>　　判別聲卡的性能，主要有以下幾個(gè)指標(biāo)：采樣頻率、采樣深度（采樣位數(shù)）、聲道數(shù)、頻率范圍和頻率響應(yīng)等。</p><p>　　采樣頻率：即每秒鐘能夠采集的聲音信號(hào)的數(shù)量。采樣頻率越高，聲卡采集到的聲音信號(hào)波形就越細(xì)膩，保真度就越高。同時(shí)，高精度的采集會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量增大，需要的存儲(chǔ)空間也會(huì)更大?，F(xiàn)

80、如今的主流聲卡，采樣頻率一般為22.05kHz、44.1kHz、48kHz三個(gè)等級(jí)。個(gè)別計(jì)算機(jī)已經(jīng)達(dá)到24位，96kHz的錄音室要求，但是對(duì)于人耳來說，高于48kHz的采樣頻率已經(jīng)無法分辨了，安裝在計(jì)算機(jī)上也沒有必要。</p><p>　　采樣位數(shù)：即把聲音信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的二進(jìn)制位數(shù)。采樣位數(shù)越高，那么聲音的質(zhì)量也越高。比如16位的聲卡能把聲音信號(hào)分為=65536 個(gè)量化等級(jí)來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在普通聲卡

81、都能達(dá)到16位采樣位數(shù)，足以達(dá)到甚至超出普通數(shù)據(jù)采集的需要。</p><p>　　聲道數(shù)：現(xiàn)在的聲卡一般都是雙聲道，可以實(shí)現(xiàn)兩路采集。聲卡的輸入輸出都可以有左右兩個(gè)通道。</p><p>　　頻率范圍與頻率響應(yīng)：頻率范圍是指音響系統(tǒng)能夠回放的最低有效頻率與最高有效頻率之間的范圍；頻率響應(yīng)是指將一個(gè)以恒電壓輸出的音頻信號(hào)與系統(tǒng)相連接時(shí)，音箱產(chǎn)生的聲壓隨頻率的變化而發(fā)生增大或衰減、相位隨頻率而

82、發(fā)生變化的現(xiàn)象。以聲卡作為虛擬測(cè)試儀器的硬件設(shè)備必須對(duì)其頻率特性有所了解。</p><p>　　對(duì)于一般的實(shí)驗(yàn)以及工程上的測(cè)試，聲卡對(duì)信號(hào)的量化精度與采樣頻率已經(jīng)達(dá)到了足夠的要求，甚至在性能上還高于一些低端的數(shù)據(jù)采集卡。</p><p>　　第五章 基于labview的聲音采集系統(tǒng)的軟件部分</p><p>　　本次聲音采集系統(tǒng)基于labview的開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行搭建。

83、主要由三個(gè)部分組成：外部聲音采集、內(nèi)部已有聲音文件讀?。曇艋胤牛⑿盘?hào)分析。在聲音回放和外部聲音采集的設(shè)計(jì)時(shí)選擇了選擇結(jié)構(gòu)，在函數(shù)面板中能夠找到。通過設(shè)定S端的值（布爾開關(guān)設(shè)置），能夠解決直接連線時(shí)無法確定數(shù)據(jù)流的問題，并且返回用于下一步分析的數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　假</b></p><p><b>　　真</b></p&g

84、t;<p>　　頻譜 </p><p><b>　　分析</b></p><p>　　圖5-1 系統(tǒng)程序流程圖</p><p>　　5.1聲音采集與分析流程</p><p>　　圖5-2 聲音采集與分析程序流程圖</p><p><b>　　程

85、序圖如下：</b></p><p>　　圖5-3 聲音采集與分析系統(tǒng)程序圖</p><p>　　圖5-3聲音文件回放程序圖</p><p>　　為了更加清楚地了解程序的這個(gè)結(jié)構(gòu)和各個(gè)部分，我這里將會(huì)對(duì)labview中提供的聲音采集及聲音文件讀取的關(guān)鍵性函數(shù)做一些介紹。</p><p>　　在labview中提供了大量的有關(guān)聲音信號(hào)

86、處理及回放的函數(shù)，主要由三個(gè)部分組成，聲音的輸入與輸出，聲音文件在計(jì)算機(jī)中的讀取。在labview的程序面板中任意位置右鍵即可調(diào)出函數(shù)。在聲音函數(shù)這里，你看一看到如下界面</p><p>　　圖5-4 有關(guān)聲音編程關(guān)鍵函數(shù)</p><p>　　在labview中用后綴名為.vi表示labview的文件格式，labview中一個(gè)函數(shù)就是一個(gè)vi。下面的章節(jié)我們就用vi來代替函數(shù)，可以達(dá)到簡(jiǎn)要

87、的效果。軟件中的的輸入庫(kù)收集了與聲音采集相關(guān)的VI，輸出庫(kù)收集了與聲音播放相關(guān)的VI，文件庫(kù)收集與聲音文件讀寫等相關(guān)的VI，我們可以調(diào)用這些子VI來實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音的采集，保存，播放等操作，簡(jiǎn)化編程，提高效率。</p><p>　　其中最為關(guān)鍵的vi是配置聲音輸入，我將詳細(xì)介紹它。聲音配置子vi（Sound Input Configure.vi),可以對(duì)將要采集的聲音信號(hào)進(jìn)行配置，在參數(shù)設(shè)置合理的情況下可以完成聲音采集

88、任務(wù)。選中聲音配置vi后，點(diǎn)擊顯示及時(shí)幫助，即可出現(xiàn)配置聲音輸入的引腳圖?？旖萱ICtrl+E可以快速切換到前面版。</p><p>　　圖5-5 配置聲音輸出子vi</p><p>　　圖5-6 配置聲音輸出前面板</p><p>　　圖5-7配置聲音輸出程序框</p><p>　　配置聲音輸入子vi是用來實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音的輸入設(shè)置，設(shè)置參數(shù)的有

89、：采樣模式、采樣數(shù)、采樣頻率、采樣位數(shù)、通道數(shù)等。，根據(jù)建議，在測(cè)試時(shí)我采用16位單通道，每通道22050Hz的采樣頻率以及每通道100000采樣數(shù)，用來保證采樣信號(hào)的波形穩(wěn)定及較小干擾。labview程序提供用戶自定義功能，用戶能夠根據(jù)需要自己設(shè)置采樣頻率，采樣通道等參數(shù)。</p><p>　　圖5-8 前面板中參數(shù)設(shè)置</p><p>　　程序分析：該程序在運(yùn)行時(shí)，首先對(duì)系統(tǒng)的采集模塊

90、進(jìn)行初始化，并判斷輸入信號(hào)是否錯(cuò)誤，如果輸入信號(hào)無誤，則開始配置聲音格式參數(shù)，如果用戶設(shè)置的參數(shù)有誤，則該程序會(huì)生成錯(cuò)誤報(bào)表，顯示錯(cuò)誤代碼。如果用戶設(shè)置的參數(shù)沒有錯(cuò)誤，程序則完成聲音輸入配置，通過聲卡采集信號(hào)，把采集到的信號(hào)保存起來，并在labview程序的運(yùn)行下，把采集到的信號(hào)以波形實(shí)時(shí)顯示出來。</p><p>　　圖5-9 實(shí)時(shí)采集的聲音信號(hào)波形</p><p><b>　

91、　5.2聲音分析模塊</b></p><p>　　在聲音分析部分，引入了白噪聲，并疊加后進(jìn)行濾波分析，相關(guān)分析有幅值、相位、功率譜、自相關(guān)、拉普拉斯變換、包絡(luò)譜分析。</p><p>　　圖5-10 幅值相位分析模塊</p><p>　　圖5-11 幅值、相位分析函數(shù)</p><p>　　在這里需要連線的是窗，幅度及相位腳。在窗這

92、里，選擇hanning窗。漢寧（Hanning）窗可以看成是升余弦窗的一個(gè)特例，漢寧窗可以看作是3個(gè)矩形時(shí)間窗的頻譜之和，或者說是 3個(gè) sinc（t）型函數(shù)之和，而括號(hào)中的兩項(xiàng)相對(duì)于第一個(gè)譜窗向左、右各移動(dòng)了π/T，從而使旁瓣互相抵消，消去高頻干擾和漏能。適用于非周期性的連續(xù)信號(hào)。因?yàn)槁曇粜盘?hào)的特點(diǎn)，選擇hanning窗能夠有助于對(duì)其幅度和相位的分析。</p><p>　　圖5-12幅值、相位分析前面板<

93、/p><p><b>　　功率譜分析</b></p><p>　　功率譜的概念是針對(duì)功率有限信號(hào)的(能量有限信號(hào)可用能量譜分析)，所表現(xiàn)的是單位頻帶內(nèi)信號(hào)功率隨頻率的變換情況。保留頻譜的幅度信息，但是丟掉了相位信息，所以頻譜不同的信號(hào)其功率譜是可能相同的。有兩個(gè)重要區(qū)別： </p><p>　　①功率譜是隨機(jī)過程的統(tǒng)計(jì)平均概念，平穩(wěn)隨機(jī)過程的功率譜

94、是一個(gè)確定函數(shù)；而頻譜是隨機(jī)過程樣本的Fourier變換，對(duì)于一個(gè)隨機(jī)過程而言，頻譜也是一個(gè)“隨機(jī)過程”。（隨機(jī)的頻域序列） </p><p>　　②功率概念和幅度概念的差別。此外，只能對(duì)寬平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)的二階矩過程談功率譜，其存在性取決于二階局是否存在并且二階矩的Fourier變換收斂； </p><p>　　而頻譜的存在性僅僅取決于該隨機(jī)過程的該樣本的Fourier變換是否收斂。<

95、;/p><p>　　圖5-13 功率譜程序圖</p><p>　　圖 5-14 功率譜前面板</p><p>　　圖5-15功率譜分析程序</p><p>　　圖5-16 功率譜測(cè)量引腳</p><p>　　圖5-17 自相關(guān)分析程序</p><p>　　圖5-18 自相關(guān)前面板</p&g

96、t;<p><b>　　諧波失真分析</b></p><p>　　波失真（THD）指原有頻率的各種倍頻的有害干擾。放大1 kHz的頻率信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生2 kHz的2次諧波和3 kHz及許多更高次的諧波，理論上此數(shù)值越小，失真度越低。 由于放大器不夠理想，輸出的信號(hào)除了包含放大了的輸入成分之外，還新添了一些原信號(hào)的2倍、3倍、4倍……甚至更高倍的頻率成分（諧波），致使輸出波形走樣。這

97、種因諧波引起的失真叫做諧波失真。諧波失真是由于系統(tǒng)不是完全線性造成的。</p><p>　　圖5-19 諧波失真分析程序圖</p><p>　　圖5-20 諧波失真分析vi</p><p>　　圖5-21諧波失真分析前面板</p><p>　　這里值得注意的是，必須對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換（由波形數(shù)組轉(zhuǎn)換為波形）才能在導(dǎo)出的信號(hào)里看到輸出的信號(hào)以及

98、其頻譜圖，其原因是由原始信號(hào)直接分析得到的導(dǎo)出信號(hào)其類型為一維數(shù)組，內(nèi)容為簇2元素，不能直接與解除捆綁函數(shù)相連，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到的導(dǎo)出信號(hào)其類型為簇2元素，符合解除捆綁函數(shù)類型。</p><p>　　5.3聲音讀取與回放</p><p>　　此模塊可以將已經(jīng)錄入的聲音文件讀取出來，并通過聲卡播放以及顯示聲音的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和波形</p><p>　　圖5-22 聲音文件的讀取

99、與回放程序</p><p>　　這里需要注意的是對(duì)聲音采樣數(shù)的設(shè)置，過低聲音很明顯失真，過高看到的波形圖沒有變化。</p><p>　　圖5-23 聲音讀取回放前面板</p><p>　　第六章 聲音采集系統(tǒng)的運(yùn)行和測(cè)試結(jié)果</p><p>　　6.1系統(tǒng)運(yùn)行需要以下要求：</p><p><b>　　硬件

100、環(huán)境：</b></p><p>　　虛擬儀器的硬件核心是計(jì)算機(jī)，由于本系統(tǒng)是基于電腦聲卡來進(jìn)行聲音信號(hào)的采集的，所以要正常運(yùn)行本系統(tǒng)需配有聲卡的電腦。</p><p><b>　　軟件環(huán)境：</b></p><p>　　本系統(tǒng)在labview2013環(huán)境下編寫，所以運(yùn)行本系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)使用高于本版本的labview軟件。在labview

101、環(huán)境下，本系統(tǒng)分為前面板和后面板，后面板為程序框圖，前面板為顯示控件。</p><p><b>　　聲卡配置:</b></p><p>　　系統(tǒng)的性能取決于聲卡的性能，聲卡性能越好，則系統(tǒng)能采集到的頻率越高。第二章已經(jīng)介紹到本計(jì)算機(jī)的聲卡最高采樣頻率可以為192kHz，根據(jù)采樣定理（奈奎斯特定理）：當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)最高頻率的2倍時(shí)，經(jīng)過采樣之后的信號(hào)會(huì)完整的保留原始

102、信號(hào)的信息；所以本系統(tǒng)能采集的聲音信號(hào)最高頻率為96kHz。一般計(jì)算機(jī)都支持16位采樣位數(shù)已經(jīng)單聲道、立體聲兩種采樣通道。</p><p>　　6.2 采集程序測(cè)試結(jié)果</p><p>　　由于本計(jì)算機(jī)自帶麥克風(fēng)（如果沒有可用帶麥的耳機(jī)代替），運(yùn)行程序以后，系統(tǒng)自動(dòng)采集接收到的信號(hào)，同時(shí)將采集到的信號(hào)保存到用戶指定的文件路徑下，以供后續(xù)研究使用。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)能很好的完成聲音信號(hào)的采集、保存

103、工作。</p><p>　　測(cè)試時(shí)的各參數(shù)設(shè)置如下：</p><p>　　采樣頻率：22.05kHz，通道：2，采樣位數(shù):16，采樣模式：連續(xù)采樣，采樣通道數(shù)設(shè)定為100000。</p><p>　　6.2.1采集到的波形如下圖所示：</p><p>　　圖6-1 采集的聲音信號(hào)波形</p><p>　　6.2.2 聲

104、音回放波形</p><p>　　按照程序的結(jié)構(gòu)，采集聲音與回放聲音用一個(gè)條件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)切換。當(dāng)在前面板上按下布爾按鍵，改變其值時(shí)，就會(huì)切換到聲音回放模式。在聲音回放的參數(shù)設(shè)置里面，要得到較好的回放效果，需要恰到好處地設(shè)定采樣數(shù)，采樣數(shù)過大，波形顯示與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)具有較小變化，甚至不變，采樣數(shù)設(shè)置小了，播放出的聲音文件有較大失真，經(jīng)過試驗(yàn)，在采樣數(shù)是2000左右時(shí)有較好的效果。</p><p>

105、<b>　　圖6-2 聲音回放</b></p><p>　　在完成聲音采集之后，，分析信號(hào)時(shí)引入了白噪聲。在設(shè)置參數(shù)的時(shí)候，要特別注意波形發(fā)生器的采樣頻率，此頻率必須和前面的聲音信號(hào)采集的頻率保持一致，否則運(yùn)行程序是將會(huì)提示，兩者具有不同的dt值，dt也就是采樣間隔。加入白噪聲之后，對(duì)波形進(jìn)行濾波時(shí)，需要注意的是不能直接將波形信號(hào)接入濾波器的X端，這樣在之后的分析中波形始終一成不變，是錯(cuò)誤的

106、做法。在操作時(shí)，應(yīng)該先將輸出的波形信號(hào)進(jìn)行數(shù)組索引，提取其中的Y成分，在將其輸入到X端。根據(jù)奈奎斯特定理可以得知，要想不失真的還原出采集之前的信號(hào)，濾波器的采樣頻率必須大于信號(hào)的采樣頻率的兩倍，所以，這里我設(shè)定濾波器的采樣頻率為60000。</p><p>　　圖7-3 濾波后波形</p><p>　　在濾波之后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析的時(shí)候，運(yùn)用了拉普拉斯變換、諧波分析、自相關(guān)函數(shù)、功率譜分析、

107、幅值、相位。功率譜是針對(duì)功率有限的信號(hào)的（能量有限信號(hào)可以用能量譜分析），所表現(xiàn)的是單位頻帶內(nèi)信號(hào)功率隨頻率的變換情況。保留頻譜的幅度信息，表示了信號(hào)功率隨著頻率的變化情況，即信號(hào)功率在頻域的分布狀況。 </p><p><b>　　圖7-4 功率譜圖</b></p><p>　　諧波 (harmonic wave)，從嚴(yán)格的意義來講，諧波是指電流中所含有的頻率為基波

108、的整數(shù)倍的電量，一般是指對(duì)周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。非正弦波里含有大量的諧波，不同的波形里含有不同的諧波成份。在倍頻器、變頻器里，就必須要進(jìn)行諧波分析，分柝各次諧波的分布；在樂器、音響、放大器……也要分析諧波成份。奇次諧波，指頻率為基波頻率的3、5、7……倍的諧波；偶次諧波，指頻率是基波頻率的2、4、6……倍的諧波。對(duì)f(t)=-f(t+T/2)　的函數(shù)(T為函數(shù)周期)，偶次諧波及直流分量為

109、0；對(duì)f(t)=f(t+T/2)　的函數(shù)，奇次諧波為0。非正弦波里含有大量的諧波，不同的波形里含有不同的諧波成份。在倍頻器、變頻器里，就必須要進(jìn)行諧波分析，分柝各次諧波的分布；在樂器、音響、放大器……也要分析諧波成份。奇次諧波，指頻率為基波頻率的3、5、7……倍的諧波；偶次諧波，指頻率是基波頻率的2、4、6……倍的諧波。對(duì)f(t)=-f(t+T/2)　的函數(shù)(T為函數(shù)周期)，偶次諧波及直流分量為0；對(duì)f(t)=f(t+T/2)　的函數(shù)，

110、奇次諧波為0。</p><p>　　圖7-5 諧波分析圖</p><p>　　“包絡(luò)” 譜圖的術(shù)語不是對(duì)信號(hào)處理過程的確切描述，但仍是我們?yōu)榱撕?jiǎn)化時(shí)所用的術(shù)語。 包絡(luò)譜和傳統(tǒng)的頻譜在外觀上(振幅和頻率)并沒有區(qū)別只是表示不同的信息 包絡(luò)譜圖對(duì)正弦運(yùn)動(dòng)不敏感– 而不象FFT圖能用位移，速度和加速度參數(shù)確定簡(jiǎn)單正弦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的復(fù)雜信號(hào)。 包絡(luò)譜對(duì)與沖擊力相關(guān)的事件敏感。 量化沖擊頻率和強(qiáng)度