機電子畢業(yè)設計--基于虛擬儀器的聲音采集系統設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　題 目 基于虛擬儀器的聲音采集系統設計</p><p>　　學 院 機電與車輛工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 機械電子工程 </p><p><b>　　摘 要<

2、;/b></p><p>　　聲音信號充斥著我們的生活，它在各個領域都有著非常重要的應用，包括醫(yī)學、教育、軍事、機械加工等領域?，F在的聲音分析測試系統主要以傳統的儀器為主，但是傳統儀器存在很多缺點：開發(fā)周期長，成本高，功能固定，升級換代很不方便，已經越來越不能滿足使用者的要求。</p><p>　　本文簡要的介紹了一種基于labview的虛擬聲音信號采集分析系統，它很好的解決了傳統儀

3、器存在的弊端，不僅開發(fā)成本低，構建精度高，功能也非常的靈活，還可以根據用戶的需要進行自定義，為實現聲音信號的采集分析提供了一種新的途徑。</p><p>　　在整個系統的設計上，結合聲音信號分析的功能需求和labview的設計方法，從硬件和軟件兩個方面來進行整個系統的設計。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，用計算機本身自帶的聲卡來代替?zhèn)鹘y的數據采集卡進行聲音信號的采集，可以實現44.1K

4、Hz的采樣頻率，以及16位的采樣位數，并且可以選擇單通道和雙通道。然后在labview平臺上完成信號分析的軟件部分，實現聲音的采集，回放，以及分析。聲音的分析包括聲音信號瞬態(tài)特征的提取，濾波，頻譜分析，功率分析，諧波失真分析。</p><p>　　系統經過測試，滿足了聲音信號分析的需求，價格低廉，功能靈活，升級方便，通用性好。可以應用到振動聲音，語音信號等信號的檢測分析中，還可以應用在聲音信號的科研工作中，以及虛

5、擬儀器的教學中，可以說它的應用前景非常廣闊。</p><p>　　關鍵詞：聲音信號，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課題主要研究內容1</p><p>　　1.3論文的組織結構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聲壓與聲強的關系4</p>&

17、lt;p><b>　　2.3聲壓級4</b></p><p>　　2.3.1什么是聲壓級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計權網絡5</p>&

18、lt;p>　　第三章 虛擬儀器、labview及聲音采集簡介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7</p><p>　　3.2labview簡介7</p><p>　　3.2.1 labview的系

19、統組成及應用8</p><p>　　3.2.2測試軟件控制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：9</p><p>　　第四章 基于labview的聲音采集方案設計10</p><p&g

20、t;　　4.1 聲音信號采集方案10</p><p>　　4.2 聲卡作為聲音信號采集裝置的可行性分析10</p><p>　　4.3 聲卡的基本結構11</p><p>　　4.3.1聲音控制芯片11</p><p>　　4.3.2數字信號處理器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12</p><p>　　第五章 基于labview的聲音采集系統的軟件部分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 聲音采集系統的運行和測試結果28</p><p>　　6.1系統運行需要以下要求：28</p><p>　　6.2 采集程序測試結果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>　　總結與展望33</b></p><p><b>　　致 謝34</b></p><p><b>　　參考文獻35</b><

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

25、信號變換為離散的數字信號的操作過程。</p><p>　　數字音頻有許多優(yōu)點。它可以實現很寬的動態(tài)范圍，低失真，高信噪比，以及能經受很多代的復制與處理而不會明顯地降低質量。隨著計算機技術的發(fā)展與普及數字設備正越來越多地取代模擬設備在生產過程控制和科學研究等廣泛的領域中計算機測控技術正發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著音頻處理技術的發(fā)展音頻處理算法越來越復雜，采用傳統的模擬信號處理的辦法來實現這些算法不僅難度大，成本高，

26、有的甚至根本無法實現。傳統的聲音測試技術由于硬件昂貴（一個數據采集卡可達數千元），并且不同的測試對象所需要的傳感器也不一樣，導致現代測試技術一直不能很好的發(fā)展，這無疑在很大程度上限制了音頻處理技術的發(fā)展。</p><p>　　虛擬儀器是現代計算機技術和儀器技術深層次結合的產物，是計算機輔助設計領域的一項重要技術。它利用計算機的顯示器的顯示功能模擬傳統器的控制面板。虛擬儀器利用計算機來控制與其相連接的各種硬件，來實

27、現對輸入輸出信號的采集、分析、控制以及顯示。它不僅能夠實現傳統儀器的各種功能，還解決了傳統儀器存在的各種弊端。</p><p>　　利用labview的強大功能實現數據信號的運算，分析，處理。計算機的聲卡具有采集信號的能力并實現A/D轉換?；谔摂M儀器的聲音采集系統設計可以在很大的程度上降低實驗的成本，整個實驗也變得簡便，具有很好的可行性。與傳統儀器相比，它的成本更低，功能更強大，精度可靠，維護更方便。用labv

28、iew來搭建一個聲音采集系統有如此多的有點，正是促使我寫這篇論文的原因。在這里，我有利用labview的平臺來搭建一個聲音采集系統，實現對聲音信號的采集，回放，以及分析。</p><p>　　具體的工作從開始了解虛擬儀器開始。在學習labview的過程中，主要使用的是labview中的幫助信息及實例。在網上可從電子發(fā)燒友論壇上獲取大量的有關labview的信息，結合課本上的講解，有助于快速上手，對編程有很大的幫助

29、。</p><p>　　在整個設計的過程中，對聲音進行了一定的了解，表示方法有分貝、聲壓、聲強，</p><p>　　測量的有聲級計及其原理。接著結合自己電腦，推敲用聲卡作為采集器，實現對聲音信號的采集的可行性。對聲卡的參數的選擇對于聲音信號保留的影響作分析。</p><p>　　明確了設計任務是采集聲音、聲音回放以及對聲音信號進行分析。那么先從程序的總體結構入手。

30、在這里我采用的是選擇結構，因為操作人員能夠確定現在這個程序執(zhí)行的是采集聲音信號或者是回放聲音信號的任務，通過改變選擇結構的條件，可以讓操作人員自己進行選擇。其次，對采集到的聲音信號進行分析。其中最主要的有功率譜、諧波、包絡譜分析。</p><p>　　在完成聲音采集之后，，分析信號時引入了白噪聲。加入白噪聲之后，對波形進行濾波時，需要注意的是不能直接將波形信號接入濾波器的X端，這樣在之后的分析中波形始終一成不變，

31、是錯誤的做法。在操作時，應該先將輸出的波形信號進行數組索引，提取其中的Y成分，在將其輸入到X端。根據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，濾波器的采樣頻率必須大于信號的采樣頻率的兩倍。功率譜是針對功率有限的信號的（能量有限信號可以用能量譜分析），所表現的是單位頻帶內信號功率隨頻率的變換情況。保留頻譜的幅度信息，表示了信號功率隨著頻率的變化情況，即信號功率在頻域的分布狀況。包絡譜對與沖擊力相關的事件敏感。 量化沖擊頻率

32、和強度對振動分析是非常有幫助的。盡管有些機器會產生沖擊能量(如往復設備), 但大多數機器不會。沖擊力是破壞性的，通常表明會發(fā)生故障。最典型的包絡譜圖應用是檢測軸承缺陷。</p><p>　　總結、致謝、參考文獻。</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數字化 ,并在數字狀態(tài)下進行傳送、記錄、重放以及其它加工處理等的一整套技術。相應地把聲音信號在原來模擬狀態(tài)下進行加工處理的技術稱為模擬音頻。模擬音頻信號的振幅具有隨時間連續(xù)變化的性質。所謂數字化就是指把這種模擬信號按一定的時間間隔取值 ,并將所取的值用一組二進制編碼表示 ,從而將連續(xù)的模擬信號變換為離散的數字信號的操作過程。</p><p>　　數字音頻有許多優(yōu)點。它可以實現很寬的

34、動態(tài)范圍，低失真，高信噪比，以及能經受很多代的復制與處理而不會明顯地降低質量。隨著計算機技術的發(fā)展與普及數字設備正越來越多地取代模擬設備在生產過程控制和科學研究等廣泛的領域中計算機測控技術正發(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的。要將這些進行量化編碼從而變成數字量這個過程就是聲音采集。它是計算機信息送入計算機進行處理就必須先將這些連續(xù)的物理量離散化并在監(jiān)測管理和控制一個系統的過程中取得原數據的主要手

35、段。聲音采集系統是計算機與外部世界聯系的橋梁是獲取信息的主要途徑。數據采集技術是信息科學技術的發(fā)展尤其是計算機技術的發(fā)展與普及數據采集技術將有廣闊的發(fā)展前景。 聲音采集系統的任務具體的說就是把模擬語音信號通過相關的設備轉換成計算機能識別的數字信號根據不同的的需要由計算機進行相應的計算和處理得出所需的數據。與此同時將計算得到的數據進行顯示。</p><p>　　虛擬儀器是現代計算機技術和儀器技術深層次結合的產物，

36、是計算機輔助設計領域的一項重要技術。它利用計算機的顯示器的顯示功能模擬傳統器的控制面板。利用labview的強大功能實現數據信號的運算，分析，處理。計算機的聲卡具有采集信號的能力并實現A/D轉換。基于虛擬儀器的聲音采集系統設計可以在很大的程度上降低實驗的成本，整個實驗也變得簡便，具有很好的可行性。</p><p>　　1.2課題主要研究內容</p><p>　　在計算機中，利用labvie

37、w提供的編程環(huán)境，搭建用于聲音信號采集的分析系統。實現對聲音信號的采集、分析、顯示。能夠對信號的特征進行提取，分析。</p><p><b>　　主要的組成部分：</b></p><p>　?、俾曇舻牟杉到y。實現功能：將用戶從麥輸入的聲音信號進行采集，采集的信號存儲到計算機中的指定位置，在labview中用波形圖可以顯示出來；</p><p>

38、;　?、诼曇舻姆治鱿到y。將采集到的信號通過濾波處理，結合labview提供的信號處理函數，可以在時域和頻域上對聲音信號進行分析。具體的有自相關、卷積、拉普拉斯、均方值等。</p><p>　　1.3論文的組織結構</p><p>　　給出論文的框架結構，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構。本篇內容主要由摘要、目錄、聲音的描述、虛擬儀器、labview及聲音采集簡介、基

39、于labview的聲音采集方案設計、基于labview的聲音采集系統的軟件部分、聲音采集系統的運行和測試結果、.總結、致謝以及參考文獻組成。</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、機械和聲學等信號在傳輸過程功率增加(增益)

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

41、)>1時，分貝數為正值，表示傳輸功率增加；當(P/Po)<1時，分貝數為負值，表示傳輸功率減??；當( P/Po )=l時 分貝數為零，說明傳輸功率既沒增加也沒減小。</p><p>　　2.1.1分貝的運算法則</p><p>　　直接相加：只要兩個或數個比率是相乘關系，其對應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>　　采用分貝作為計量單位具有以下優(yōu)點:</p><p>　　①分貝適于聲學計量，且與人體的聽覺相符，聲壓級、聲強級和聲功率級這三個聲學量都具有對數性質，這和人耳對聲音的響應是一致的。因此，以分貝度量音響符合人耳感覺。</p><p>　?、谟猛緩V泛任何一個計量單位都不及分貝應用廣泛。任何計量，不管其單位如何，只要能給出基準值，都可以用分貝來表示。</

43、p><p>　　③動態(tài)范圍大。所謂動態(tài)范圍就是某個變量隨其自變量變化的范圍。與線性變化相比較，對數的變化范圍就大得多。</p><p>　?、苁褂嬎銛的孔肿冃颠\算可以將龐大的線性表示量變成便于記憶書寫和計算。</p><p><b>　?、莺喕嬎?lt;/b></p><p>　　由于對數運算使龐大的數目字變小，而且還可將線

44、性量的乘法運算變?yōu)榉重惲康募臃ㄟ\算，所以可使運算過程變得極為簡單。</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后產生的變化，即為大氣壓的余壓，它相當于在大氣壓強上疊加一個聲波擾動引起的壓強變化通過聲壓的測量可以間接求出質點速度等其他物理量。聲學中常用

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

46、波的頻率有關，對于每個特定頻率的聲波，要引起聽覺，其聲強有兩個極值．若根據正常聽覺的實驗結果，以頻率為橫坐標，以聲強為縱坐標，將各種頻率的聲強上下限坐標連起來，低于下限的聲強，不能引起聽覺．凡超過上限的聲強，使人耳有痛感．故上下限曲線間的區(qū)域即為聽覺范圍．國際上選定I0=W/m2作為聲強的參考標準，聲強I與標準聲強I0之比的對數稱作聲強I的聲強級，用L表示，即L=lg(/).單位為貝爾，用BEL表示，這個單位在實用上太大，故常用貝爾的1

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

48、取均方根值稱為有效聲壓。 ．</p><p><b>　　2.3聲壓級</b></p><p>　　2.3.1什么是聲壓級</p><p>　　聲壓級用符號SPL表示，其定義為將待測聲壓有效值與參考聲壓的比值取常用對數乘20.</p><p>　　SPL=20 </p>

49、<p>　　在空氣中參考聲壓取值一般為10e-5帕。這個數值是正常人耳對1KHz聲音剛剛能察覺到其存在的聲壓。</p><p>　　測量聲壓嘴常用的是聲級計。聲級計是最基本的噪聲測量儀器，它是一種電子儀器。在把聲信號轉換成電信號時，可以模擬人耳對聲波反應速度的時間特性；對高低頻有不同靈敏度的頻率特性以及不同響度時改變頻率特性的強度特性。 因此，聲級計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>　　由傳聲器將聲音轉換成電信號，再由前置放大器變換阻抗，使傳聲器與衰減器匹配。放大器將輸出信號加到計權網絡，對信號進行頻率計權（或外接濾波器) ，然后再經衰減器及放大器將信號放大到一定的幅值，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的數值。</p><p>&l

51、t;b>　　2.3.3傳聲器</b></p><p>　　傳聲器是把聲壓信號轉變?yōu)殡妷盒盘柕难b置，它是聲級計的傳感器。常見的傳聲器有晶體式、駐極體式、動圈式和電容式數種。</p><p>　?、?動圈式傳聲器由振動膜片、可動線圈、永久磁鐵和變壓器等組成。振動膜片受到聲波壓力以后開始振動，并帶動著和它裝在一起的可動線圈在磁場內振動以產生感應電流。該電流根據振動膜片受到聲波壓

52、力的大小而變化。聲壓越大，產生的電流就越大，聲壓越小，產生的電流也越小。</p><p>　　②電容式傳聲器主要由金屬膜片和靠得很近的金屬電極組成，實質上是一個平板電容。金屬膜片與金屬電極構成了平板電容的兩個極板，當膜片受到聲壓作用時，膜片便發(fā)生變形，使兩個極板之間的距離發(fā)生了變化，于是改變了電容量，位測量電路中的電壓也發(fā)生了變化，實現了將聲壓信號轉變?yōu)殡妷盒盘柕淖饔?。電容式傳聲器是聲學測量中比較理想的傳聲器，具

53、有動態(tài)范圍大、頻率響應平直、靈敏度高和在一般測量環(huán)境下穩(wěn)定性好等優(yōu)點，因而應用廣泛。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行阻抗變換，前置放大器裝在聲級計內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放大。輸入衰減器和輸出衰

54、減器是用來改變輸入信號的衰減量和輸出信號衰減量的，以便使表頭指針指在適當的位置。輸入放大器使用的哀減器調節(jié)范圍為測量低端，輸出放大器使用的衰減器調節(jié)范圍為測量高端。7阻抗匹配，負載與內阻相等時，負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載對信號源的影響和較少失真。</p><p><b>　　2.3.5計權網絡</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，在聲級計內設有一種能夠模擬人耳的聽覺特性，把電信號修正為與聽感近似值的網絡，這種網絡叫作計權網絡。通過計權網絡測得的聲壓級，已不再是客觀物理量的聲壓級（叫線性聲壓級），而是經過聽感修正的聲壓級，叫作計權聲級或噪聲級。</p><p>　　計權（又叫加權）參數是在對頻響曲線進行了一些加權處理后測得的參數，以區(qū)別于平直頻響狀態(tài)下的不計權參數。</p>

56、<p>　　第三章 虛擬儀器、labview及聲音采集簡介</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>　　虛擬儀器是現代計算機技術和儀器技術深層次結合的產物，是計算機輔助設計領域的一項重要技術。它利用計算機的顯示器的顯示功能模擬傳統器的控制面板。利用labview的強大功能實現數據信號的運算

57、，分析，處理。計算機的聲卡具有采集信號的能力并實現A/D轉換。基于虛擬儀器的聲音采集系統設計可以在很大的程度上降低實驗的成本，整個實驗也變得簡便，具有很好的可行性。改實驗基于虛擬儀器的聲音采集系統設計將極大的節(jié)省人力、物力，為今后的聲音信號采集提供很好的參考。</p><p>　　3.1.2虛擬儀器的特點</p><p>　　與傳統測量儀器相比，虛擬儀器技術有著許多自己獨特的特點與優(yōu)勢，以

58、下列出其一部分特點：</p><p>　?、偬摂M儀器具有開發(fā)與維護費用低的特點；</p><p>　?、谔摂M儀器具有傳統儀器所無法比擬的強大信號處理能力。因為虛擬儀器可以充分利用計算機強大的軟件資源，對信號靈活地進行計算、分析、判斷、處理、顯示或輸出等；</p><p>　?、厶摂M儀器由用戶自定義儀器功能, 而傳統儀器一經設計、制造完成后, 就很難改變；</p

59、><p>　?、芴摂M儀器具有技術更新周期短的特點，大約為1-2年；</p><p>　?、商摂M儀器開放、靈活，可與計算機同步發(fā)展，可靈活地與網絡及其周邊設備實現互聯。</p><p>　　3.2labview簡介</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，

60、用于數據采集、分析、顯示與存儲等操作。并提供了廣泛的接口，可以與matlab在內的多種軟件相互調用。其附帶有擴展庫函數，滿足強大的專業(yè)數學分析。labview的程序語言形象、生動，進行控件的連線設置后即可傳輸數據，省去了許多源代碼的編寫麻煩和參數傳遞設置。</p><p>　　3.2.1 labview的系統組成及應用</p><p>　　labview的構成相當復雜，但大體上由數據采集、

61、數據分析、數據顯示及保存模塊構成，如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 labview組成圖</p><p>　　硬件獲取測試對象的被測信號，虛擬儀器主要由計算機組成，但計算機不能自己獲得信號，因此必須有相應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、信號調理器和魔力數字轉換器等。虛擬儀器同時也會根據需要在系統中配置一些示波器、傳統儀器來輔助完成強大的功能。</p

62、><p>　　3.2.2測試軟件控制</p><p>　　labview實現了把數據采集、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行的命令環(huán)境，衛(wèi)各類系統的開發(fā)提供了系統平臺和支撐。</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成數字音頻的過程，所用到的主要設備便是模擬/數字轉換器（Analog to Digital Converter，即ADC，與之對應的是數/模轉換器，即DAC）。采樣的過程實際上是將通常的模擬音頻信號的電信號轉換成二進制碼0和1，這些0和1便構成了數字音頻文件。采樣的頻率越大則音質越有保證。由于采樣頻率一定要高于錄制的最高頻率的兩倍才不會產生失真。采樣頻率是指錄音設備在一秒鐘內對聲音信號的采

64、樣次數，采樣頻率越高聲音的還原就越真實越自然。在當今的主流聲卡上，采樣頻率一般共分為22.05KHz、44.1KHz、48KHz三個等級，22.05只能達到FM廣播的聲音品質，44.1KHz則是理論上的CD音質界限，48KHz則更加精確一些。對于高于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值。采樣位數可以理解為聲卡處理聲音的解析度。這個數值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音就越真實。我們首先要知道：電腦中的

65、聲音文件是用數字0和1來表示的。所以在電腦上錄音的本質就是把模擬聲音信號轉換成數字信號。反之，在播放時則是把數字信號還原成模擬聲音信號輸出。</p><p>　　3.3.2聲音采集的特點：</p><p>　　①現代采集系統一般都由計算機控制使得聲音采集的質量和效率等大為提高，也節(jié)省了硬件的投資。 </p><p>　?、谲浖诼曇舨杉到y中的作用越來越大，這增加了

66、系統設計的靈活性。 </p><p>　?、勐曇舨杉c聲音處理相互結合得日益緊密形成聲音采集與處理系統，可以實現從聲音采集處理到控制的全部工作。 </p><p>　　④聲音采集過程一般都具有“實時”特性，實時的標準是能滿足實際需要對于通用聲音采集系統一般希望有盡可能高的速度，以滿足更多的應用環(huán)境。 </p><p>　?、蓦S著微電子技術的發(fā)展，電路集成度的提高，

67、聲音采集系統的體積越來越小，可靠性越來越高。 </p><p>　　第四章 基于labview的聲音采集方案設計</p><p>　　4.1 聲音信號采集方案</p><p>　　虛擬儀器的信號采集所需要的硬件主要有以下三個選擇：由美國國家儀器公司開發(fā)的一系列專用的數據采集卡，國產的數據采集卡，以及本設計所用到的計算機自帶的聲卡，在設計聲音采集系統的硬件部分時，主

68、要從可行性、可靠性、通用性、成本等各方面考慮。</p><p>　　用美國國家儀器（NI）公司生產的數據采集卡采集數據。</p><p>　　NI公司生產的數據采集卡是專為虛擬儀器開發(fā)的，提供多種總線類型，用戶可以根據自己的需要選擇總線類型。該采集卡功能非常強大，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，延時少，數據采集功能也非常強大，但是它的價格也特別昂貴，其官方報

69、價基本都在7000元以上，普通用戶很難接受，所以本課題設計不采用此種數據采集卡。</p><p>　　用國產的普通數據采集卡采集數據。</p><p>　　國產的數據采集卡相對于國外品牌來說比較便宜，但是對于普通用戶來說，依然是很昂貴的，比如中泰的數據采集卡要4000多元人民幣，凌華的DAQ-2006高達一萬多人民幣。當然，也有一些相對便宜的數據采集卡，但是這些數據采集卡的質量很難保證，普

70、通用戶難以區(qū)分其好壞，并且測量精度也不高，傳輸速率也比較慢。本設計不采用此種數據采集卡。</p><p>　　用電腦自帶的聲卡采集數據。</p><p>　　計算機的聲卡是計算機硬件的一部分，且其本身就是一個很好的A/D，D/A轉化裝置，完全符合本課題的數據采集要求。而且在計算機上完成數據采集任務,成本幾乎為零，這樣就不需要購買數據采集硬件模塊。</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的采集裝置。</p><p>　　4.2 聲卡作為聲音信號采集裝置的可行性分析</p><p>　　NI公司以及其他公司開發(fā)的數據采集卡，價格昂貴，不適合我們普通大學生使用，而聲卡作為計算機硬件的一部分，價格并不貴，且虛擬儀器本身就是基于計算機平臺開發(fā)的，因此用聲卡作為數據采集卡也能充分體現虛擬儀器對計算機資源的最優(yōu)化應用。</p&g

72、t;<p>　　目前市場上大部分聲卡性能都比較好，最高的采樣頻率可以達到96kHZ,采樣位數可達8位到32位。而電腦自帶的聲卡，也支持16位、44.1kHz的CD音質，16位、48kHz的DVD音質，24位、44.1kHz的錄音室音質等。電腦的聲卡有兩個聲道，可以實現兩路采集，如果有需要還可以配置多塊聲卡，實現多路采集。每路采集的信號最高頻率可以達到22.05kHz，信噪比達到96dB。由于聲卡自帶有增益控制，所以即使在不

73、加信號衰減電路的情況下，也能測量從1微伏到1伏的信號。</p><p>　　聲卡的時基精度通常為0.00x%。比如一個時基精度為0.002%的聲卡，當采樣頻率為48kHz時，它的誤差僅為0.96Hz，一個好的聲卡，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的采集裝置，可以構建一個低成本、高性能、簡單方便的數據采集系統。因此，本課題

74、設計采用聲卡作為數據采集卡的方案是可行的。</p><p>　　4.3 聲卡的基本結構</p><p>　　圖4-1 聲卡的基本結構</p><p>　　聲卡是由一些電子器件與連接器構成的。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。</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備中獲取的聲音信號，通過模數轉換器，將其轉換成一串數字信號，存儲到電腦中。重放時，這些數字信號送到一個數模轉換器還原為模擬波形，放大后送到揚聲器發(fā)聲。</p><p>　　4.3.2數字信號處理器</p><p>　　DSP芯片通過編程實現各種功能。它可以處理有關聲音的命令、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的負擔，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換成實際的樂音。低檔聲卡沒有這個芯片。</p><p>　　4.4 聲卡的工作原理</p><p>　　首先，聲卡通過麥克風（帶麥的耳機亦可，

78、本設計中由于電腦自帶了麥克風，所以不另增加麥克風設備）等硬件，獲取到聲音信號，此時的聲音信號為模擬信號，通過A/D轉換以后，得到對應的數字信號，保存到計算機里，然后再對其進行各種處理。如果要播放保存的聲音信號，那么只需要把數字信號通過D/A轉換成模擬信號，經過揚聲器播放就可以了。上述過程稱為脈沖編碼調制技術。</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</p><p>　　判別聲卡的性能，主要有以下幾個指標：采樣頻率、采樣深度（采樣位數）、聲道數、頻率范圍和頻率響應等。</p><p>　　采樣頻率：即每秒鐘能夠采集的聲音信號的數量。采樣頻率越高，聲卡采集到的聲音信號波形就越細膩，保真度就越高。同時，高精度的采集會導致數據量增大，需要的存儲空間也會更大?，F

80、如今的主流聲卡，采樣頻率一般為22.05kHz、44.1kHz、48kHz三個等級。個別計算機已經達到24位，96kHz的錄音室要求，但是對于人耳來說，高于48kHz的采樣頻率已經無法分辨了，安裝在計算機上也沒有必要。</p><p>　　采樣位數：即把聲音信號由模擬量轉換成數字量的二進制位數。采樣位數越高，那么聲音的質量也越高。比如16位的聲卡能把聲音信號分為=65536 個量化等級來完成模數轉換。現在普通聲卡

81、都能達到16位采樣位數，足以達到甚至超出普通數據采集的需要。</p><p>　　聲道數：現在的聲卡一般都是雙聲道，可以實現兩路采集。聲卡的輸入輸出都可以有左右兩個通道。</p><p>　　頻率范圍與頻率響應：頻率范圍是指音響系統能夠回放的最低有效頻率與最高有效頻率之間的范圍；頻率響應是指將一個以恒電壓輸出的音頻信號與系統相連接時，音箱產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)生變化的現象。以聲卡作為虛擬測試儀器的硬件設備必須對其頻率特性有所了解。</p><p>　　對于一般的實驗以及工程上的測試，聲卡對信號的量化精度與采樣頻率已經達到了足夠的要求，甚至在性能上還高于一些低端的數據采集卡。</p><p>　　第五章 基于labview的聲音采集系統的軟件部分</p><p>　　本次聲音采集系統基于labview的開發(fā)平臺進行搭建。

83、主要由三個部分組成：外部聲音采集、內部已有聲音文件讀?。曇艋胤牛?、信號分析。在聲音回放和外部聲音采集的設計時選擇了選擇結構，在函數面板中能夠找到。通過設定S端的值（布爾開關設置），能夠解決直接連線時無法確定數據流的問題，并且返回用于下一步分析的數據。</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結構和各個部分，我這里將會對labview中提供的聲音采集及聲音文件讀取的關鍵性函數做一些介紹。</p><p>　　在labview中提供了大量的有關聲音信號

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

87、的效果。軟件中的的輸入庫收集了與聲音采集相關的VI，輸出庫收集了與聲音播放相關的VI，文件庫收集與聲音文件讀寫等相關的VI，我們可以調用這些子VI來實現對聲音的采集，保存，播放等操作，簡化編程，提高效率。</p><p>　　其中最為關鍵的vi是配置聲音輸入，我將詳細介紹它。聲音配置子vi（Sound Input Configure.vi),可以對將要采集的聲音信號進行配置，在參數設置合理的情況下可以完成聲音采集

88、任務。選中聲音配置vi后，點擊顯示及時幫助，即可出現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是用來實現對聲音的輸入設置，設置參數的有

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

90、進行初始化，并判斷輸入信號是否錯誤，如果輸入信號無誤，則開始配置聲音格式參數，如果用戶設置的參數有誤，則該程序會生成錯誤報表，顯示錯誤代碼。如果用戶設置的參數沒有錯誤，程序則完成聲音輸入配置，通過聲卡采集信號，把采集到的信號保存起來，并在labview程序的運行下，把采集到的信號以波形實時顯示出來。</p><p>　　圖5-9 實時采集的聲音信號波形</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，并疊加后進行濾波分析，相關分析有幅值、相位、功率譜、自相關、拉普拉斯變換、包絡譜分析。</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</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特例，漢寧窗可以看作是3個矩形時間窗的頻譜之和，或者說是 3個 sinc（t）型函數之和，而括號中的兩項相對于第一個譜窗向左、右各移動了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。因為聲音信號的特點，選擇hanning窗能夠有助于對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功率有限信號的(能量有限信號可用能量譜分析)，所表現的是單位頻帶內信號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其功率譜是可能相同的。有兩個重要區(qū)別： </p><p>　?、俟β首V是隨機過程的統計平均概念，平穩(wěn)隨機過程的功率譜

94、是一個確定函數；而頻譜是隨機過程樣本的Fourier變換，對于一個隨機過程而言，頻譜也是一個“隨機過程”。（隨機的頻域序列） </p><p>　　②功率概念和幅度概念的差別。此外，只能對寬平穩(wěn)的各態(tài)歷經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 功率譜測量引腳</p><p>　　圖5-17 自相關分析程序</p><p>　　圖5-18 自相關前面板</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的頻率信號時會產生2 kHz的2次諧波和3 kHz及許多更高次的諧波，理論上此數值越小，失真度越低。 由于放大器不夠理想，輸出的信號除了包含放大了的輸入成分之外，還新添了一些原信號的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，必須對原始信號進行轉換（由波形數組轉換為波形）才能在導出的信號里看到輸出的信號以及

98、其頻譜圖，其原因是由原始信號直接分析得到的導出信號其類型為一維數組，內容為簇2元素，不能直接與解除捆綁函數相連，經轉換后得到的導出信號其類型為簇2元素，符合解除捆綁函數類型。</p><p>　　5.3聲音讀取與回放</p><p>　　此模塊可以將已經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時數據和波形</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聲音采樣數的設置，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 聲音采集系統的運行和測試結果</p><p>　　6.1系統運行需要以下要求：</p><p><b>　　硬件

100、環(huán)境：</b></p><p>　　虛擬儀器的硬件核心是計算機，由于本系統是基于電腦聲卡來進行聲音信號的采集的，所以要正常運行本系統需配有聲卡的電腦。</p><p><b>　　軟件環(huán)境：</b></p><p>　　本系統在labview2013環(huán)境下編寫，所以運行本系統時，應使用高于本版本的labview軟件。在labview

101、環(huán)境下，本系統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>　　系統的性能取決于聲卡的性能，聲卡性能越好，則系統能采集到的頻率越高。第二章已經介紹到本計算機的聲卡最高采樣頻率可以為192kHz，根據采樣定理（奈奎斯特定理）：當采樣頻率大于信號最高頻率的2倍時，經過采樣之后的信號會完整的保留原始

102、信號的信息；所以本系統能采集的聲音信號最高頻率為96kHz。一般計算機都支持16位采樣位數已經單聲道、立體聲兩種采樣通道。</p><p>　　6.2 采集程序測試結果</p><p>　　由于本計算機自帶麥克風（如果沒有可用帶麥的耳機代替），運行程序以后，系統自動采集接收到的信號，同時將采集到的信號保存到用戶指定的文件路徑下，以供后續(xù)研究使用。經測試，系統能很好的完成聲音信號的采集、保存

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

104、音回放波形</p><p>　　按照程序的結構，采集聲音與回放聲音用一個條件結構來實現切換。當在前面板上按下布爾按鍵，改變其值時，就會切換到聲音回放模式。在聲音回放的參數設置里面，要得到較好的回放效果，需要恰到好處地設定采樣數，采樣數過大，波形顯示與實時數據具有較小變化，甚至不變，采樣數設置小了，播放出的聲音文件有較大失真，經過試驗，在采樣數是2000左右時有較好的效果。</p><p>

105、<b>　　圖6-2 聲音回放</b></p><p>　　在完成聲音采集之后，，分析信號時引入了白噪聲。在設置參數的時候，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采集的頻率保持一致，否則運行程序是將會提示，兩者具有不同的dt值，dt也就是采樣間隔。加入白噪聲之后，對波形進行濾波時，需要注意的是不能直接將波形信號接入濾波器的X端，這樣在之后的分析中波形始終一成不變，是錯誤的

106、做法。在操作時，應該先將輸出的波形信號進行數組索引，提取其中的Y成分，在將其輸入到X端。根據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，濾波器的采樣頻率必須大于信號的采樣頻率的兩倍，所以，這里我設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，對信號進行分析的時候，運用了拉普拉斯變換、諧波分析、自相關函數、功率譜分析、

107、幅值、相位。功率譜是針對功率有限的信號的（能量有限信號可以用能量譜分析），所表現的是單位頻帶內信號功率隨頻率的變換情況。保留頻譜的幅度信息，表示了信號功率隨著頻率的變化情況，即信號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、的整數倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數分解，其余大于基波頻率的電流產生的電量。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f(t)=-f(t+T/2)　的函數(T為函數周期)，偶次諧波及直流分量為

109、0；對f(t)=f(t+T/2)　的函數，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f(t)=-f(t+T/2)　的函數(T為函數周期)，偶次諧波及直流分量為0；對f(t)=f(t+T/2)　的函數，

110、奇次諧波為0。</p><p>　　圖7-5 諧波分析圖</p><p>　　“包絡” 譜圖的術語不是對信號處理過程的確切描述，但仍是我們?yōu)榱撕喕瘯r所用的術語。 包絡譜和傳統的頻譜在外觀上(振幅和頻率)并沒有區(qū)別只是表示不同的信息 包絡譜圖對正弦運動不敏感– 而不象FFT圖能用位移，速度和加速度參數確定簡單正弦運動產生的復雜信號。 包絡譜對與沖擊力相關的事件敏感。 量化沖擊頻率和強度