【正文】 的有關(guān)聲音信號(hào)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。在窗這里，選擇 hanning窗。 2020 屆機(jī)械電子工程專業(yè)（論文） 27 圖 523 聲音讀取回放前面板 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 第六章 聲音采集系統(tǒng)的運(yùn)行和測(cè)試結(jié)果 系統(tǒng)運(yùn)行需要以下要求： 硬件環(huán)境： 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(lái)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。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。 量化沖擊頻率和強(qiáng)度對(duì)振動(dòng)分析是非常有幫助的。 本設(shè)計(jì)的各類控件全部來(lái)自于 labview 平臺(tái)所提供的，盡管前面板的設(shè)計(jì)比較合理，但是還不夠人性化，可以嘗試自己制作精美控件，以優(yōu)化人機(jī)交互界面。 雖然利用 labview 開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一個(gè)低成本高性能的聲音采集分析系統(tǒng)，但是仍然有很多不足。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)，奇次諧波為 0。 圖 62 聲音回放 在完成聲音采集之后，分析信號(hào)時(shí)引入了白噪聲。2020 屆機(jī)械電子工程專業(yè)（論文） 25 這種因諧波引起的失真叫做諧波失真。 圖 58 前面板中參數(shù)設(shè)置 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(wú)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。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?、信號(hào)分析。 圖 42 聲卡的工作原理 聲卡的性能指標(biāo) 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。 聲音控 制芯片 聲音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(guò)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。 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。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)。 labview 的系統(tǒng)組成及應(yīng)用 labview 的構(gòu)成相當(dāng)復(fù)雜，但大體上由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及保存模塊 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 構(gòu)成，如圖 31所 示。通過(guò) ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 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(guò)聽(tīng)感修正的聲壓級(jí)，叫作計(jì)權(quán)聲級(jí)或噪聲級(jí)。常見(jiàn)的傳聲器有晶體式、駐極體式、動(dòng)圈式和電容式數(shù)種。 ⑤ 簡(jiǎn)化計(jì)算 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(guò)程變得極為簡(jiǎn)單。 論文的組織結(jié)構(gòu) 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)。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(guò)程中取得原數(shù)據(jù)的主要手段。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。 具體的工作從開始了解虛擬儀器開始。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(guò)程。 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。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(wú)疑在很大程度上限制了音頻處理技術(shù)的發(fā)展。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。最典型的包絡(luò)譜圖應(yīng)用是檢測(cè)軸承缺陷。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。在實(shí)際使用過(guò)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)。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。 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(shí)質(zhì)上是一個(gè)平板電容。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。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。 ④ 聲音采集過(guò)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。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。但是，低檔聲卡一般沒(méi)有安裝 DSP，只有高檔聲卡才配有 DSP 芯片。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(lái)說(shuō)，高于 48kHz 的采樣頻率已經(jīng)無(wú)法分辨了，安裝在計(jì)算機(jī)上也沒(méi)有必要。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)。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(shuō)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。 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(shí)，應(yīng)使用高于本版本的labview 軟件。 圖 73 濾波后波形 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、幅值、相位。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)。 隨著計(jì)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(gè)行業(yè)。 通過(guò) labview 設(shè)計(jì)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。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。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(guò)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(guò)試驗(yàn)，在采樣數(shù)是 2020 左右時(shí)有較好的效果。 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。 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)。 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(tái)進(jìn)行搭建。 下圖反映了聲卡的工作原理。連接器用來(lái)連接輸入輸出信號(hào)。 用電腦自帶的聲卡采集數(shù)據(jù)。我們首先要知道：電腦中的聲音文件是用數(shù)字 0 和 1 來(lái)表示的。 labview 的程序語(yǔ)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。 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò) 為了模擬人耳聽(tīng)覺(jué)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(tīng)覺(jué)特性，把電信號(hào)修正為與聽(tīng)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)。 傳聲器 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。 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。具體的有自相關(guān)、卷積、拉普拉斯、均方值等。要將這些進(jìn)行量化編碼從而變成數(shù)字量這個(gè)過(guò)程就是聲音采集。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。在這里，我有利用 labview 的平臺(tái)來(lái)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。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)。 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(lái)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 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)。 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。 總結(jié)、致謝、參考文獻(xiàn)。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。由對(duì)數(shù)性質(zhì)可知，當(dāng) (P/Po)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(shuō)明傳輸功率既沒(méi)增加也沒(méi)減小。 有效聲壓：在一定時(shí)間間隔中 ，瞬時(shí)聲壓對(duì)時(shí)間取均方根值稱為有效聲壓。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?；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。 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(guò)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）。 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(lái)越小，可靠性越來(lái)越高。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。 合成芯片 低檔聲卡一般采用 FM 合成聲音，以降低成本。 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)。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(gè)函數(shù)就是一個(gè) vi。適用于非周期性的連續(xù)信號(hào)。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。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。沖擊力是破壞性的，通常表明會(huì)發(fā)生故障。 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(hào)分析等。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(lè)器、音響、放大器??也要分析諧波成份。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。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。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(lái)保證采樣信號(hào)的波形穩(wěn)定及較小干擾。 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。上述過(guò)程稱為脈沖編碼調(diào)制技術(shù)。 電子器件用來(lái)完成各種特定的功能。本設(shè)計(jì)不采用此種數(shù)據(jù)采集卡。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) 。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。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。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。與線性變化相比較，對(duì)數(shù)的變化范圍就大得多。將采集到的信號(hào)通過(guò)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。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。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。用 labview 來(lái)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。相應(yīng)地把聲音信號(hào)在原來(lái)模擬狀態(tài)下進(jìn)行加工處理的技術(shù)稱為模擬音頻。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(lái)代替