【正文】 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計 34 致 謝 在論文完成之際，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師 老師的熱情關(guān)懷和悉心指導(dǎo)。能夠?qū)β曇暨M(jìn)行采集，保存，基本參數(shù)提取、保存，信號分析等。沖擊力是破壞性的，通常表明會發(fā)生故障。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。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(xiàn)的是單位頻帶內(nèi)信號功率隨頻率的變換情況。當(dāng)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 labview 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。放大 1 kHz 的頻率信號時會產(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。適用于非周期性的連續(xù)信號。根據(jù)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(shù)，用來保證采樣信號的波形穩(wěn)定及較小干擾。在聲音函數(shù)這里，你看一看到如下界面 圖 54 有關(guān)聲音編程關(guān)鍵函數(shù) 在 labview 中用后綴名為 .vi 表示 labview 的文件格式， labview 中一個函數(shù)就是一個 vi。 對于一般的實(shí)驗(yàn)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(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。 采樣位數(shù)：即把聲音信號由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的二進(jìn)制位數(shù)。上述過程稱為脈沖編碼調(diào)制技術(shù)。 合成芯片 低檔聲卡一般采用 FM 合成聲音，以降低成本。 電子器件用來完成各種特定的功能。電腦的聲卡有兩個聲道，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。本設(shè)計不采用此種數(shù)據(jù)采集卡。 ⑤ 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電路集成度的提高，聲音采集系統(tǒng)的體積越來越小，可靠性越來越高。這個數(shù)值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音就越真實(shí) 。 聲音采集介紹 聲音采集的概念 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，與之對應(yīng)的是數(shù) /模轉(zhuǎn)換器，即 DAC）。其附帶有擴(kuò)展庫函數(shù)，滿足強(qiáng)大的專業(yè)數(shù)學(xué)分析?；谔摂M儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計可以在很大的程度上降低實(shí)驗(yàn)的成本，整個實(shí)驗(yàn)也變得簡便，具有很好的可行性。高輸入阻抗能夠減少負(fù)載對信號源的影響和較少失真。金屬膜片與金屬電極構(gòu)成了平板電容的兩個極板，當(dāng)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(shí)現(xiàn)了將聲壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕淖饔?。放大器將輸出信號加到計?quán)網(wǎng)絡(luò)，對信號進(jìn)行頻率計權(quán)（或外接濾波器 ) ，然后再經(jīng)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(shù)值。 有效聲壓：在一定時間間隔中 ，瞬時聲壓對時間取均方根值稱為有效聲壓。與線性變化相比較，對數(shù)的變化范圍就大得多。由對數(shù)性質(zhì)可知，當(dāng) (P/Po)1 時，分貝數(shù)為正值，表示傳輸功率增加；當(dāng)(P/Po)1 時，分 貝數(shù)為負(fù)值，表示傳輸功率減小；當(dāng) ( P/Po )=l 時 分貝數(shù)為零，說明傳輸功率既沒增加也沒減小。將采集到的信號通過濾波處理，結(jié)合 labview 提供的信號處理函數(shù)，可以在時域和頻域上對聲音信號進(jìn)行分析。利用labview 的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的運(yùn)算，分析，處理。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。 總結(jié)、致謝、參考文獻(xiàn)。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，濾波器的采樣頻率必須大于信號的采樣頻率的兩倍。 明確了設(shè)計任務(wù)是采集聲音、聲音回放以及對聲音信號進(jìn)行分析。用 labview 來搭建一個聲音采集系統(tǒng)有如此多的有點(diǎn)，正是促使我寫這篇論文的原因。 虛擬儀器是現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是計算機(jī)輔助設(shè)計領(lǐng)域的一項重要技術(shù)。相應(yīng)地把聲音信號在原來模擬狀態(tài)下進(jìn)行加工處理的技術(shù)稱為模擬音頻。 在整個系統(tǒng)的設(shè)計上，結(jié)合聲音信號分析的功能需求和 labview 的設(shè)計方法，從硬件和軟件兩個方面來進(jìn)行整個系統(tǒng)的設(shè)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(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)行聲音信號的采集，可以實(shí)現(xiàn) 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。模擬音頻信號的振幅具有隨時間連 續(xù)變化的性質(zhì)。它利用計算機(jī)的顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)器的控制面板。在這里，我有利用 labview 的平臺來搭建一個聲音采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對聲音信號的采集，回放，以及分析。那么先從程序的總體結(jié)構(gòu)入手。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(xiàn)的是單位頻帶內(nèi)信號功率隨頻率的變換情況。 1 第一章 緒論 選題的目的與意義 所謂聲音采集是指把聲音信號數(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)。要將這些進(jìn)行量化編碼從而變成數(shù)字量這個過程就是聲音采集。計算機(jī)的聲卡具有采集信號的能力并實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換。具體的有自相關(guān)、卷積、拉普拉斯、均方值等。 分貝的運(yùn)算法則 直接相加：只要兩個或數(shù)個比率是相乘關(guān)系，其對應(yīng)的分貝值就可以直接相加。 ④ 使計算數(shù)目字變小對數(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算。 ． 聲壓級 什么是聲壓級 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(shù)乘 20. SPL=20)( )(lg refp ep 在空氣中參考聲壓取值一般為 10e5 帕。 傳聲器 傳聲器是把聲壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕难b置，它是聲級計的傳感器。電容式傳聲器是聲學(xué)測量中比較理想的傳聲器，具有動態(tài)范圍大、頻率響應(yīng)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(diǎn)，因而應(yīng)用廣泛。 計權(quán)網(wǎng)絡(luò) 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(nèi)設(shè)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(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)叫作計權(quán)網(wǎng)絡(luò)。改實(shí)驗(yàn)基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)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。 labview 的程序語言形象、生動，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。采樣的過程實(shí)際上是將通常的模擬音頻信號的電信號轉(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。我們首先要知道：電腦中的聲音文件是用數(shù)字 0 和 1 來表示的。 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計 10 第四章 基于 labview 的聲音采集方案設(shè)計 聲音信號采集方案 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(shù)據(jù)采集卡，國產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡，以及本設(shè)計所用到的計算機(jī)自帶的聲卡，在設(shè)計聲音采集系統(tǒng)的硬件部分時，主要從可行性、可靠性、通用性、成本等各方面考慮。 用電腦自帶的聲卡采集數(shù)據(jù)。每路采集的信號最高頻率可以達(dá)到 ，信噪比達(dá)到 96dB。連接器用來連接輸入輸出信號。 FM 合成芯片的作用就是用來產(chǎn)生合成聲音。 下圖反映了聲卡的工作原理。采樣位數(shù)越高，那么聲音的質(zhì)量也越高。 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計 14 第五章 基于 labview 的聲音采集系統(tǒng)的軟件部分 本次聲音采集系統(tǒng)基于 labview 的開發(fā)平臺進(jìn)行搭建。下面的章節(jié)我們就用 vi 來代替函數(shù)，可以達(dá)到簡要的效果。 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，2020 屆機(jī)械電子工程專業(yè)（論文） 19 采樣通道等參數(shù)。因?yàn)槁曇粜盘柕奶攸c(diǎn)，選擇 hanning 窗能夠有助于對其幅度和相位的分析。 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。 聲卡配置 : 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。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 2020 左右時有較好的效果。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。奇次諧波，指頻率為基波頻率的 7??倍的諧波；偶次諧波，指頻率是基波頻率的 6??倍的諧波。最典型的包絡(luò)譜圖應(yīng)用是檢測軸承缺陷。 通過 labview 設(shè)計聲音采集分析系統(tǒng)，非常的方便快捷，打破了傳統(tǒng)儀器的局限性，開發(fā)成本大大降低，周期大大縮短。在我撰寫論文的過程中， 董 老師傾注了大量的心血和汗水，無論是在論文的選題、構(gòu)思和資料的收集方面，還是在論文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了 董 老師悉心細(xì)致的教誨和無私的幫助，特別是他廣博的學(xué)識、深厚的學(xué)術(shù)素養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和一絲不茍的工作作風(fēng)使我終生受益，在此表示真誠地感謝和深深的謝意。 隨著計算機(jī)技術(shù)以及電子技術(shù)的發(fā)展，以及企業(yè)技術(shù)的革新?lián)Q代，虛擬儀器必將應(yīng)用在各個行業(yè)。 ④ 對系統(tǒng)進(jìn)行了功能測試，能夠正常運(yùn)行并達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。盡管有些機(jī)器會產(chǎn)生沖擊能量 (如往復(fù)設(shè)備 ), 但大多數(shù)機(jī)器不會。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。 圖 73 濾波后波形 在濾波之后，對信號進(jìn)行分析的時候，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、幅值、相位。 采集到的波形如下圖所示： 2020 屆機(jī)械電子工程專業(yè)（論文） 29 圖 61 采集的聲音信號波形 聲音回放波形 按照程序的結(jié)構(gòu)，采集聲音與回放聲音用一個條件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)切換。 軟件環(huán)境： 本系統(tǒng)在 labview2020 環(huán)境下編寫，所以運(yùn)行本系統(tǒng)時，應(yīng)使用高于本版本的labview 軟件。 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計 22 圖 513 功率譜程序圖 圖 514 功率譜前面板 2020 屆機(jī)械電子工程專業(yè)（論文） 23 圖 515 功率譜分析程序 圖 516 功率譜測量引腳 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計 24 圖 517 自相關(guān)分析程序 圖 518 自相關(guān)前面板 諧波失真分析 波失真（ THD）指原有頻率的各種倍頻的有害干擾。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(shù)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。 圖 55 配置聲音輸出子 vi ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計 18 圖 56 配置聲音輸出前 面板 圖 57 配置聲音輸出程序框 配置聲音輸入子 vi 是用來實(shí)現(xiàn)對聲音的輸入設(shè)置，設(shè)置參數(shù)的有：采樣模式、采樣數(shù)、采樣頻率、采樣位數(shù)、通道數(shù)等。在 labview 的程序面板中任意位置右2020 屆機(jī)械電子工程專業(yè)（論文） 17 鍵即可調(diào)出函數(shù)。以聲卡作為虛擬測試儀器的硬件設(shè)備必須對其頻率特性有所了解。個別計算機(jī)已經(jīng)達(dá)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(jīng)無法分辨了，安裝在計算機(jī)上也沒有必要。如果要播放保存的聲音信號，那么只需要把數(shù)字信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)過揚(yáng)聲器播放就可以了。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。 聲卡的基本結(jié)構(gòu) 圖 41 聲卡的基本結(jié)構(gòu) 聲卡是由一些電子器件與連接器構(gòu)成的。而電腦自帶的聲卡，也支持 16 位、 的 CD 音質(zhì)， 16 位、 48kHz的 DVD 音質(zhì)， 24 位、 的錄音室音質(zhì)等。當(dāng)然，也有一些相對便宜的數(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。 ④ 聲音采集過程一般都具有“實(shí)時”特性，實(shí)時的標(biāo)準(zhǔn)是能滿足實(shí)際需要對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。采樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度。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)平臺和支撐。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。計算機(jī)的聲