【導(dǎo)讀】教育、軍事、機械加工等領(lǐng)域。現(xiàn)在的聲音分析測試系統(tǒng)主要以傳統(tǒng)的儀器為主，但。經(jīng)越來越不能滿足使用者的要求。根據(jù)用戶的需要進行自定義，為實現(xiàn)聲音信號的采集分析提供了一種新的途徑。件和軟件兩個方面來進行整個系統(tǒng)的設(shè)計。其中最重要的就是傳感器的選擇，在保證。單通道和雙通道。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。系統(tǒng)經(jīng)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，信號的科研工作中，以及虛擬儀器的教學(xué)中，可以說它的應(yīng)用前景非常廣闊。

　　

【正文】 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。2020 屆機械電子工程專業(yè)（論文） 25 這種因諧波引起的失真叫做諧波失真。諧波失真是由于系統(tǒng)不是完全線性造成的。 圖 519 諧波失真分析程序圖 圖 520 諧波失真分析 vi 圖 521 諧波失真分析前面板 這里值得注意的是，必須對原始信號進行轉(zhuǎn)換（由波形數(shù)組轉(zhuǎn)換為波形）才能在導(dǎo)出的信號里看到輸出的信號以及其頻譜圖，其原因是由原始信號 直接分析得到的導(dǎo)出信號其類型為一維數(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)出信號其類型為簇 2 元素，符合解除捆綁函數(shù)類型。 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計 26 聲音讀取與回放 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時數(shù)據(jù)和波形 圖 522 聲音文件的讀取與回放程序 這里需要注意的是對聲音采樣數(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。 2020 屆機械電子工程專業(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 28 第六章 聲音采集系統(tǒng)的運行和測試結(jié)果 系統(tǒng)運行需要以下要求： 硬件環(huán)境： 虛擬儀器的硬件核心是計算機，由于本系統(tǒng)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(tǒng)需配有聲卡的電腦。 軟件環(huán)境： 本系統(tǒng)在 labview2020 環(huán)境下編寫，所以運行本系統(tǒng)時，應(yīng)使用高于本版本的labview 軟件。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。 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。第二章已經(jīng)介紹到本計算機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）：當采樣頻率大于信號最高頻率的 2 倍時，經(jīng)過采樣之后的信號會完整的保留原始信號的信息；所以本系統(tǒng)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(shù)已經(jīng)單聲道、立體聲兩種采樣通道。 采集程序測試結(jié)果 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(tǒng)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(jīng)測試，系統(tǒng)能很好的完成聲音信號的采集、保存工作。 測試時的各參數(shù)設(shè)置如下： 采樣頻率： ，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。 采集到的波形如下圖所示： 2020 屆機械電子工程專業(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)來實現(xiàn)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(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，在采樣數(shù)是 2020 左右時有較好的效果。 圖 62 聲音回放 在完成聲音采集之后，分析信號時引入了白噪聲。在設(shè)置參數(shù)的時候，要特別 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計 30 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，是錯誤的做法。在操作時，應(yīng)該先將輸出的波形信號進行數(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，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(shè)定濾波器的采樣頻率為 60000。 圖 73 濾波后波形 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(guān)函數(shù)、功率譜分析、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(xiàn)的是單位頻帶內(nèi)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。 2020 屆機械電子工程專業(yè)（論文） 31 圖 74 功率譜圖 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的整數(shù)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(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 7??倍的諧波；偶次諧波，指頻率是基波頻率的 6??倍的諧波。對 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 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 7??倍的諧波；偶次諧波，指頻率是基波頻率的 6??倍的諧波。對 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 f(t)=f(t+T/2) 的函數(shù)，奇次諧波為 0。 圖 75 諧波分析圖 “包絡(luò)” 譜圖的術(shù)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(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 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計 32 息 包絡(luò)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(shù)確定簡單正弦運動產(chǎn)生的復(fù)雜信號。 包絡(luò)譜對與沖擊力相關(guān)的事件敏感。 量化沖擊頻率和強度對振動分析是非常有幫助的。盡管有些機器會產(chǎn)生沖擊能量 (如往復(fù)設(shè)備 ), 但大多數(shù)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(luò)譜圖應(yīng)用是檢測軸承缺陷。 圖 76 包絡(luò)譜分析 2020 屆機械電子工程專業(yè)（論文） 33 總結(jié) 與 展望 本論文基于 labview 開發(fā)平臺，利用電腦自帶的聲卡代替數(shù)據(jù)采集卡，開發(fā)出了聲音采集分析系統(tǒng)。借助 labview 強大的 VI 庫和眾多的 VI 范例，快速的搭建了本系統(tǒng)，并且經(jīng)過測試，達到了預(yù)期的設(shè)計要求。本論文主要做了以下工作： ① 闡述了虛擬儀器的概念，介紹了虛擬儀器開發(fā)平臺 labview，為理解虛擬儀器和進行虛擬儀器設(shè)計提供了參考與支持。 ② 經(jīng)過對采集卡的方案討論，分析了電腦聲卡作為數(shù)據(jù)采集裝置的可行性，確定了采集方案。 ③ 通過對 labview VI 庫的了解，以及 labview 對于聲卡操作的強大支持，編寫了系統(tǒng)程序，包括聲音采集、回放、信號分析等。 ④ 對系統(tǒng)進行了功能測試，能夠正常運行并達到了預(yù)期目標。能夠?qū)β曇暨M行采集，保存，基本參數(shù)提取、保存，信號分析等。 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。 雖然利用 labview 開發(fā)平臺設(shè)計了一個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。 本系統(tǒng)的性能依賴于電腦聲 卡的性能，聲卡的采集對象主要是語音方面，所以能夠采集到的信號頻率范圍主要在人耳能夠分辨的范圍以內(nèi)，對于頻率過低或者頻率過高的聲音信號失真度很大。因此，本論文的設(shè)計方案也受其局限性，不適合測量精度過高、頻率范圍過大的聲音信號。 由于本聲音采集系統(tǒng)可以在符合條件的不同的電腦上運行，而各電腦的聲卡檔次、型號不盡相同，從而會導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)的誤差。 本設(shè)計的各類控件全部來自于 labview 平臺所提供的，盡管前面板的設(shè)計比較合理，但是還不夠人性化，可以嘗試自己制作精美控件，以優(yōu)化人機交互界面。 隨著計算機技術(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)。 ：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)。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)、嚴謹?shù)闹螌W(xué)精神和一絲不茍的工作作風使我終生受益，在此表示真誠地感謝和深深的謝意。 在論文的寫作過程中，也得到了許多同 學(xué)的寶貴建議，同時還到許多在工作過程中許多同事的支持和幫助，在此一并致以誠摯的謝意。感謝所有關(guān)心、支持、幫助過我的良師益友。 最后，向在百忙中抽出時間對本文進行評審并提出寶貴意見的各位專家表示衷心地感謝！ 2020 屆機械電子工程專業(yè)（論文） 35 參考文獻 [1]蔣帥鋒 ,施展 ,鮑恝 .基于聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) [J].計量技術(shù) ,2020. 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