【正文】 感謝所有關(guān)心、支持、幫助過我的良師益友。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(shí)、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(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)。 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(yùn)行，而各電腦的聲卡檔次、型號(hào)不盡相同，從而會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差。 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(hào)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(hào)失真度很大。 通過 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。 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)。 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。借助 labview 強(qiáng)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(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。最典型的包絡(luò)譜圖應(yīng)用是檢測軸承缺陷。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)。 包絡(luò)譜對與沖擊力相關(guān)的事件敏感。 圖 75 諧波分析圖 “包絡(luò)” 譜圖的術(shù)語不是對信號(hào)處理過程的確切描述，但仍是我們?yōu)榱撕喕瘯r(shí)所用的術(shù)語。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。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。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。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。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。 圖 73 濾波后波形 在濾波之后，對信號(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。在操作時(shí)，應(yīng)該先將輸出的波形信號(hào)進(jìn)行數(shù)組索引，提取其中的 Y 成分，在將其輸入到 X 端。在設(shè)置參數(shù)的時(shí)候，要特別 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(hào)采集的頻率保持一致，否則運(yùn)行程序是將會(huì)提示，兩者具有不同的 dt 值， dt也就是采樣間隔。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(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)過試驗(yàn)，在采樣數(shù)是 2020 左右時(shí)有較好的效果。 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(hào)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(gè)條件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)切換。經(jīng)測試，系統(tǒng)能很好的完成聲音信號(hào)的采集、保存工作。一般計(jì)算機(jī)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。 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。 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。 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(shí)時(shí)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。諧波失真是由于系統(tǒng)不是完全線性造成的。 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。 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jì) 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。（隨機(jī)的頻域序列） ② 功率概念和幅度概念的差別。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(hào)其功率譜是可能相同的。因?yàn)槁曇粜盘?hào)的特點(diǎn)，選擇 hanning 窗能夠有助于對其幅度和相位的分析。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，或者說是 3個(gè) sinc（ t）型函數(shù)之和，而括號(hào)中的兩項(xiàng)相對于第一個(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。 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 圖 510 幅值相位分析模塊 圖 511 幅值、相位分析函數(shù) 在這里需要連線的是窗，幅度及相位腳。如果用戶設(shè)置的參數(shù)沒有錯(cuò)誤，程序則完成聲音輸入配置，通過聲卡采集信號(hào)，把采集到的信號(hào)保存起來，并在 labview 程序的運(yùn)行下，把采集到的信號(hào)以波形實(shí)時(shí)顯示出來。 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)。 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(jì) 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。選中聲音配置 vi 后，點(diǎn)擊顯示及時(shí)幫助，即可出現(xiàn)配置聲音輸入的引腳圖。 其中最為關(guān)鍵的 vi 是配置聲音輸入，我將詳細(xì)介紹它。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。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)。 假 真 頻譜 分析 圖 51 系統(tǒng)程序流程圖 聲卡采集 讀取聲音 諧波失真分析 功率分析 開始 2020 屆機(jī)械電子工程專業(yè)（論文） 15 聲音采集與分析流程 圖 52 聲音采集與分析程序流程圖 配置聲音采集參數(shù)及設(shè)定存儲(chǔ)路徑 讀入聲音信號(hào) 分析信號(hào) 保存信號(hào) 功率譜分析 濾波 幅值相位 包絡(luò)譜分析 諧波失真分析 錯(cuò)誤 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 程序圖如下： 圖 53 聲音采集與分析系統(tǒng)程序圖 圖 53 聲音文件回放程序圖 為了更加清楚地了解 程序的這個(gè)結(jié)構(gòu)和各個(gè)部分，我這里將會(huì)對 labview 中提供的聲音采集及聲音文件讀取的關(guān)鍵性函數(shù)做一些介紹。在聲音回放和外部聲音采集的設(shè)計(jì)時(shí)選擇了選擇結(jié)構(gòu)，在函數(shù)面板中能夠找到。 ：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。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。聲卡的輸入輸出都可以有左右兩個(gè)通道。現(xiàn)在普通聲卡都能達(dá)到 16 位采樣位數(shù)，足以達(dá)到甚至超出普通數(shù)據(jù)采集的需要。采樣位數(shù)越高，那么聲音的質(zhì)量也越高。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(jì)算機(jī)上也沒有必要。同時(shí)，高精度的采集會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量增大，需2020 屆機(jī)械電子工程專業(yè)（論文） 13 要的存儲(chǔ)空間也會(huì)更大。 采樣頻率：即每秒鐘能夠采集的聲音信號(hào)的數(shù)量。 下圖反映了聲卡的工作原理。如果要播放保存的聲音信號(hào)，那么只需要把數(shù)字信號(hào)通過 D/A 轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)過揚(yáng)聲器播放就可以了。低檔聲卡沒有這個(gè)芯片。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。 FM 合成芯片的作用就是用來產(chǎn)生合成聲音。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。它可以處理有關(guān)聲音的命令、執(zhí)行壓縮和解壓 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 縮程序、增加特殊聲效和傳真 MODEM 等。重放時(shí)，這些數(shù)字信號(hào)送到一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器還原為模擬波形，放大后送到揚(yáng)聲器發(fā)聲。連接器用來連接輸入輸出信號(hào)。 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。 用聲卡作為聲音信號(hào)的采集裝置，可以構(gòu)建一個(gè)低成本、高性能、簡單方便的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 聲卡的時(shí)基精度通常為 %。每路采集的信號(hào)最高頻率可以達(dá)到 ，信噪比達(dá)到 96dB。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。 聲卡作為聲音信號(hào)采集裝置的可行性分析 NI 公司以及其他公司開發(fā)的數(shù)據(jù)采集卡，價(jià)格昂貴，不適合我們普通大學(xué)生使用，而聲卡作為計(jì)算機(jī)硬件的一部分，價(jià)格并不貴，且虛擬儀器本身就是基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)開發(fā)的，因此用聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡也 能充分體現(xiàn)虛擬儀器對計(jì)算機(jī)資源的最優(yōu)化應(yīng)用。而且在計(jì)算機(jī)上完成數(shù)據(jù)采集任務(wù) ,成本幾乎為零，這樣就不需要購買數(shù)據(jù)采集硬件模塊。 用電腦自帶的聲卡采集數(shù)據(jù)。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。 用國產(chǎn)的普通數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)。 NI 公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)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(jù)自己的需要選擇總線類型。 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 第四章 基于 labview 的聲音采集方案設(shè)計(jì) 聲音信號(hào)采集方案 虛擬儀器的信號(hào)采集所需要的硬件主要有以下三個(gè)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(jì)所用到的計(jì)算機(jī)自帶的聲卡，在設(shè)計(jì)聲音采集系統(tǒng)的硬件部分時(shí)，主要從可行性、可靠性、通用性、成本等各方面考慮。 ④ 聲音采集過程一般都具有“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。 數(shù)據(jù)采集與控制 信號(hào)分析處理 顯示 被測信號(hào) 2020 屆機(jī)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(jì)的靈活性。反之，在播放時(shí)則是把數(shù)字信號(hào)還原成模擬聲音信號(hào)輸出。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。采樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度。在當(dāng)今的主流聲卡上，采樣頻率一般共分為 、 、 48KHz 三個(gè)等級(jí)， 只能達(dá)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。由于 采樣頻率一定要高于錄制的最高頻率的兩倍才不會(huì)產(chǎn)生失真。采樣的過程實(shí)際上是將通常的模擬音頻信號(hào)的電信號(hào)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。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。虛擬儀器同時(shí)也會(huì)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(qiáng)大的功能。 圖 31 labview 組成圖 硬件獲取測試對象的被測信號(hào)，虛擬儀器主要由計(jì)算機(jī)組成，但計(jì)算機(jī)不能自己獲得信號(hào)，因此必須有相應(yīng)的硬件來配合才可以完成所有功能。 labview 的程序語言形象、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