【正文】 畢業(yè)設(shè)計（論文） 題 目 基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 院 機電與 車輛 工程學(xué)院 專 業(yè) 機械電子工程 學(xué) 生 學(xué) 號 631224030327 指導(dǎo)教師 2020 屆機械電子工程專業(yè)（論文） I 摘 要 聲音信號充斥著我們的生活，它在各個領(lǐng)域都有著非常重要的應(yīng)用，包括醫(yī)學(xué)、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，但是傳統(tǒng)儀器存在很多缺點：開發(fā)周期長，成本高，功能固定，升級換代很不方便，已經(jīng)越來越不能滿足使用者的要求。 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。然后在 labview 平臺上完成信號分析的軟件部分，實現(xiàn)聲音的采集，回放，以及分析。 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，通用性好。 關(guān)鍵詞：聲音信號，虛擬儀器， labview，聲卡采集 ：基于虛擬儀器的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計 II Abstract Sound signal is full of our life, it in various fields have very important applications, including medicine, education, military, machinery processing and other fields. Now the voice analysis test system is mainly to the traditional instrument, but traditional instruments exist many shortings: development cycle is long, high cost, fixed function, the upgrade is not convenient, has bee increasingly unable to meet the user39。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。所謂數(shù)字化就是指把這種模擬信號按一定的時間間隔取值 ,并將所取的值用一組二進(jìn)制編碼表示 ,從而將連續(xù)的模擬信號變換為離散的數(shù)字信號的操作過程。它可以實現(xiàn)很寬的動態(tài)范圍，低失真，高信噪比，以及能經(jīng)受很多代的復(fù)制與處理而不會明顯地降低質(zhì)量。隨著音頻處理技術(shù)的發(fā)展音頻處理算法越來越復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的模擬信號處理的辦法來實現(xiàn)這些算法不僅難度大，成 本高，有的甚至根本無法實現(xiàn)。 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)。虛擬儀器利用計算機來控制與其相連接的各種硬件，來實現(xiàn)對輸入輸出信號的采集、分析、控制以及顯示。 利用 labview 的強大功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的運算，分析，處理?；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。用 labview 來搭建一個聲音采集系統(tǒng)有如此多的有點，正是促使我寫這篇論文的原因。 具體的工作從開始了解虛擬儀器開始。在網(wǎng)上可從電子發(fā)燒友論壇上獲取大量的有關(guān) labview的信息，結(jié)合課本上的講解，有助于快速上手，對編程有很大的幫助。接著結(jié)合自己電腦，推敲用聲卡作為采集器，實現(xiàn)對聲音信號的采集的可行性。 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。在這里我采用的是選擇結(jié)構(gòu)，因為操作人員能夠確定現(xiàn)在這個程序執(zhí)行的是采集聲音信號或者是回放聲音信號的任務(wù)，通過改變選擇結(jié)構(gòu)的條件，可以讓操作人員自己進(jìn)行選擇。其中最主要的有功率譜、諧波、包絡(luò)譜分析。加入 白噪聲之后，對波形進(jìn)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。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。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。 量化沖擊頻率和強度對振動分析是非常有幫助的。沖擊力是破壞性的，通常表明會發(fā)生故障。 總結(jié)、致謝、參考文獻(xiàn)。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。所謂數(shù)字化就是指把這種模擬信號按一定的時間間隔取值 ,并將所取的值用一組二進(jìn)制編碼表示 ,從而將連續(xù)的模擬信號變換為離散的數(shù)字信號的操作過程。它可以實現(xiàn)很寬的動態(tài)范圍，低失真，高信噪比，以 及能經(jīng)受很多代的復(fù)制與處理而不會明顯地降低質(zhì)量。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。它是計算機信息送入計算機進(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)測管理和控制一個系統(tǒng)的過程中取得原數(shù)據(jù)的主要手段。 聲音采集系統(tǒng)的任務(wù)具體的說就是把模擬語音信號通過相關(guān)的設(shè)備轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字信號根據(jù)不同的的需要由計算機進(jìn)行相應(yīng)的計算和處理得出所需的數(shù)據(jù)。 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)。利用labview 的強大功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的運算，分析，處理?；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。實現(xiàn)對聲音信號的采集、分析、顯示。 主要的組成部分： ① 聲音的采集系統(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(jìn)行分析。 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)。 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(xué)等信號在傳輸過程功率增加 (增益 )與減小 (損耗的計量單位。是基準(zhǔn)輸人功率。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??；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。 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(xué)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(xué)量都具有對數(shù)性質(zhì)，這和人耳對聲音的響應(yīng)是一致的。 ② 用途廣泛任何一個計量單位都不及分貝應(yīng)用廣泛。 ③ 動態(tài)范圍大。與線性變化相比較，對數(shù)的變化范圍就大得多。 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。聲學(xué)中常用聲壓來描述聲波。 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。 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。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。聲級計是最基本的噪聲測量儀器，它是一種電子儀器。 因此，聲級計是一種主觀性的電子儀器。放大器將輸出信號加到計權(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。常見的傳聲器有晶體式、駐極體式、動圈式和電容式數(shù)種。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(yīng)電流。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。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，實現(xiàn)了將聲壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕淖饔?。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(jìn)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。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(dāng)?shù)奈恢谩?7 阻抗匹配，負(fù)載與內(nèi)阻相等時，負(fù)載可獲得最大輸出功率。高輸入阻抗能夠減少負(fù)載對信號源的影響和較少失真。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(luò)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。 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)。利用labview 的強大功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的運算 ，分析，處理?；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。 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(hù)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。 簡介 labview 是 NI 公司推出的一種圖形化編程語言。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。其附帶有擴展庫函數(shù)，滿足強大的專業(yè)數(shù)學(xué)分析。 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 8 構(gòu)成，如圖 31所 示。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。 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。 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）。采樣的頻率越大則音質(zhì)越有保證。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。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。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 。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。 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。 ③現(xiàn)從聲音采集處理到控制的全部工作。 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。 用美國國家儀器（ NI）公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)。該采集卡功能非常強大，提供多通道（至少 4 通道以上）的模擬輸入，傳輸帶寬大，采樣 精度高，延時少，數(shù)據(jù)采集功能也非常強大，但是它的價格也特別昂貴，其官方報價基本都在 7000 元以上，普通用戶很難接受，所以本課題設(shè)計不采用此種數(shù)據(jù)采集卡。 國產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡相對于國外品牌來說比較便宜，但是對于普通用戶來說，依然是很昂貴的，比如中泰的數(shù)據(jù)采集卡要 4000 多元人民幣，凌華的 DAQ2020 高達(dá)一萬多人民幣。本設(shè)計不采用此種數(shù)據(jù)采集卡。 計算機的聲卡是計算機硬件的一部分，且其本身就是一個很好的 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。 綜上所述，本課題打算用電腦自帶的聲卡作為聲音信號的采集裝置。 目前市場上大部分聲卡性能都比較好，最高的采樣頻率可以達(dá)到 96kHZ,采樣位數(shù)2020 屆機械電子工程專業(yè)（論文） 11 可達(dá) 8 位到 32 位。電腦的聲卡有兩個聲道，可以實現(xiàn)兩路采集，如果有需要還可以配置多塊聲卡，實現(xiàn)多路采集。由于聲卡自帶有增益控制，所以即使在不加信號衰減電路的情況下，也能測量從 1 微伏到 1 伏的信號。比如一個時基精度為 %的聲卡，當(dāng)采樣頻率為 48kHz 時，它的誤差僅為 ，一個好的聲卡，其噪聲電平可以低于 100dB，諧波失真 THD 低于 %。因此，本課題設(shè)計采用聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡的方案是可行的。 電子器件用來完成各種特定的功能。 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，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將其轉(zhuǎn)換成一串?dāng)?shù)字信號，存儲到電腦中。 數(shù)字信號處理器 DSP 芯片通過編程實現(xiàn)各種功能。大大減輕了 CPU的負(fù)擔(dān)，加速了多媒體軟件的執(zhí)行。 合成芯片 低檔聲卡一般采用 FM 合成聲音，以降低成本。 波形合成表 在波表 ROM 中存放有實際樂音的