【文章內(nèi)容簡介】 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。 課題主要研究內(nèi)容 在計算機中，利用 labview 提供的編程環(huán)境，搭建用于聲音信號采集的分析系統(tǒng)。實現(xiàn)對聲音信號的采集、分析、顯示。能夠?qū)π盘柕奶卣鬟M行提取，分析。 主要的組成部分： ① 聲音的采集系統(tǒng)。實現(xiàn)功能：將用戶從麥輸入的聲音信號進行采集，采集的信 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計 2 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； ② 聲音的分析系統(tǒng)。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行分析。具體的有自相關(guān)、卷積、拉普拉斯、均方值等。 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)。本篇內(nèi)容主要由摘要、目錄、聲音的描述、虛擬儀器、 labview 及聲音采集簡介、基于 labview 的聲音采集方案設(shè)計、基于 labview 的聲音采集系統(tǒng)的軟件部分、聲音采集系統(tǒng)的運行和測試結(jié)果、 .總結(jié)、致謝以及參考文獻組成。 2020 屆機械電子工程專業(yè)（論文） 3 第二章 聲音的描述 分貝 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 )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(shù)就是此功率差的貝爾數(shù)，用公式表示為 貝爾數(shù) B=lg((P/Po ) 式 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(xiàn)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(shù)等于1 貝爾數(shù)。由對數(shù)性質(zhì)可知，當 (P/Po)1 時，分貝數(shù)為正值，表示傳輸功率增加；當(P/Po)1 時，分 貝數(shù)為負值，表示傳輸功率減?。划?( P/Po )=l 時 分貝數(shù)為零，說明傳輸功率既沒增加也沒減小。 分貝的運算法則 直接相加：只要兩個或數(shù)個比率是相乘關(guān)系，其對應的分貝值就可以直接相加。 為什么采用分貝 采用分貝作為計量單位具有以下優(yōu)點 : 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(shù)性質(zhì)，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。 ② 用途廣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。 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(shù)的變化范圍就大得多。 ④ 使計算數(shù)目字變小對數(shù)運算可以將龐大的線性表示量變成便于記憶書寫和計算。 ⑤ 簡化計算 由于對數(shù)運算使龐大的數(shù)目字變小，而且還可將線性量的乘法運算變?yōu)榉重惲康募臃ㄟ\算，所以可使運算過程變得極為簡單。 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計 4 聲壓 聲壓的定義 聲壓就是大氣壓受到聲波擾動后產(chǎn)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(zhì)點速度等其他物理量。聲學中常用聲壓來描述聲波。 聲壓與聲強的關(guān)系 聲強指聲波傳播的能流密度，即在單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向上單位面積的聲音能量．聲源在某點發(fā)出的聲波，向外傳播，在 距聲源 r 處的聲強為 I=E/4π 2r ,式中E 是聲源每秒鐘發(fā)出的能量，聲強 I 的單位是 W/m2. 凡能引起正常聽覺的聲波，對聲強有一定范圍的要求，這個范圍跟聲波的頻率有關(guān)，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(jù)正常聽覺的實驗結(jié)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(shù)稱作聲強 I 的聲強級，用 L 表示，即 L=lg( I / 0I ).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 1/0，即分貝（ dB)作為單位，所以聲強級的表示式為 L=10lg(I / 0I )(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。 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。 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。 ． 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。這個數(shù)值是正常人耳對 1KHz 聲音剛剛能察覺到其存在的聲壓。 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(zhuǎn)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2020 屆機械電子工程專業(yè)（論文） 5 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。 工作原理 由傳聲器將聲音轉(zhuǎn)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(quán)網(wǎng)絡，對信號進行頻率計權(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。 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。常見的傳聲器有晶體式、駐極體式、動圈式和電容式數(shù)種。 ① 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(nèi)振動以產(chǎn)生感應電流。該電流根據(jù)振動膜片受到聲波壓力的大小而變化。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。 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(zhì)上是一個平板電容。金屬膜片與金屬電極構(gòu)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(xiàn)了將聲壓信號轉(zhuǎn)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(nèi)部 靠近安裝電容式傳聲器的部位。 放大器 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?shù)奈恢?。輸入放大器使用的哀減器調(diào)節(jié)范圍為測量低端，輸出放大器使用的衰減器調(diào)節(jié)范圍為測量高端。 7 阻抗匹配，負載與內(nèi)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。 計權(quán)網(wǎng)絡 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，這種網(wǎng)絡叫作計權(quán)網(wǎng)絡。通過 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計 6 計權(quán)網(wǎng)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(jīng)過聽感修正的聲壓級，叫作計權(quán)聲級或噪聲級。 計權(quán)（又叫加權(quán)）參數(shù)是在對頻響曲線進行了一些加權(quán)處理后測得的參數(shù)，以區(qū)別于平直頻響狀態(tài)下的不計權(quán)參數(shù)。 2020 屆機械電子工程專業(yè)（論文） 7 第三章 虛擬儀器、 labview 及聲音采集簡介 虛擬儀器的概念 虛擬儀器是現(xiàn)代計算機技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合 的產(chǎn)物，是計算機輔助設(shè)計領(lǐng)域的一項重要技術(shù)。它利用計算機的顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)器的控制面板。利用labview 的強大功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換?；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(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。 虛擬儀器的特點 與傳統(tǒng)測量儀器相比，虛擬儀器技術(shù)有著許多自己獨特的特點與優(yōu)勢，以下列出其一部分特 點： ① 虛擬儀器具有開發(fā)與維護費用低的特點； ② 虛擬儀器具有傳統(tǒng)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； 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、制造完成后 , 就很難改變； ④ 虛擬儀器具有技術(shù)更新周期短的特點，大約為 12 年； ⑸ 虛擬儀器開放、靈活，可與計算機同步發(fā)展，可靈活地與網(wǎng)絡及其周邊設(shè)備實現(xiàn)互聯(lián)。 簡介 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)，用于數(shù)據(jù)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(nèi)的多種軟件相互調(diào)用。其附帶有擴展庫函數(shù)，滿足強大的專業(yè)數(shù)學分析。 labview 的程序語言形象、生動，進行控件的連線設(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。 labview 的系統(tǒng)組成及應用 labview 的構(gòu)成相當復雜，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 8 構(gòu)成，如圖 31所 示。 圖 31 labview 組成圖 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(diào)理器和魔力數(shù)字轉(zhuǎn)換器等。虛擬儀器同時也會根據(jù)需要在系統(tǒng)中配置一些示波器、傳統(tǒng)儀器來輔助完成強大的功能。 測試軟件控制 labview 實現(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。 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，與之對應的是數(shù) /模轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成二進制碼 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產(chǎn)生失真。采樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對聲音信號的采樣次數(shù)，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 、 、 48KHz 三個等級， 只能達到 FM廣播的聲音品質(zhì)， 則是理論上的 CD 音質(zhì)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(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度。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 。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。所以在電腦上錄音的本質(zhì)就是把模擬聲音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。反之，在播放時則是把數(shù)字信號還原成模擬聲音信號輸出。 聲音采集的特點： ① 現(xiàn)代采集系統(tǒng)一般都由計算機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。 數(shù)據(jù)采集與控制 信號分析處理 顯示 被測信號 2020 屆機械電子工程專業(yè)（論文） 9 ② 軟件在聲音采集系統(tǒng)中的作用越來越大，這增加了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性。 ③現(xiàn)從聲音采集處理到控制的全部工作。 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(tǒng)一般希望有盡可能高的速度，以滿足更多的應用環(huán)境。 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。 ：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。 用美國國家儀器（