基于虚拟仪器的声音采集系统设计机电子大学论文.docx

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基于虚拟仪器的声音采集系统设计机电子大学论文

毕业设计（论文）

题目基于虚拟仪器的声音采集系统设计

摘要

声音信号充斥着我们的生活，它在各个领域都有着非常重要的应用，包括医学、教育、军事、机械加工等领域。

现在的声音分析测试系统主要以传统的仪器为主，但是传统仪器存在很多缺点：

开发周期长，成本高，功能固定，升级换代很不方便，已经越来越不能满足使用者的要求。

本文简要的介绍了一种基于labview的虚拟声音信号采集分析系统，它很好的解决了传统仪器存在的弊端，不仅开发成本低，构建精度高，功能也非常的灵活，还可以根据用户的需要进行自定义，为实现声音信号的采集分析提供了一种新的途径。

在整个系统的设计上，结合声音信号分析的功能需求和labview的设计方法，从硬件和软件两个方面来进行整个系统的设计。

其中最重要的就是传感器的选择，在保证可靠性和可行性的前提下，用计算机本身自带的声卡来代替传统的数据采集卡进行声音信号的采集，可以实现44.1KHz的采样频率，以及16位的采样位数，并且可以选择单通道和双通道。

然后在labview平台上完成信号分析的软件部分，实现声音的采集，回放，以及分析。

声音的分析包括声音信号瞬态特征的提取，滤波，频谱分析，功率分析，谐波失真分析。

系统经过测试，满足了声音信号分析的需求，价格低廉，功能灵活，升级方便，通用性好。

可以应用到振动声音，语音信号等信号的检测分析中，还可以应用在声音信号的科研工作中，以及虚拟仪器的教学中，可以说它的应用前景非常广阔。

关键词：

声音信号，虚拟仪器，labview，声卡采集

Abstract

Soundsignalisfullofourlife,itinvariousfieldshaveveryimportantapplications,includingmedicine,education,military,machineryprocessingandotherfields.Nowthevoiceanalysistestsystemismainlytothetraditionalinstrument,buttraditionalinstrumentsexistmanyshortcomings:

developmentcycleislong,highcost,fixedfunction,theupgradeisnotconvenient,hasbecomeincreasinglyunabletomeettheuser'srequirements.

Thispaperbrieflyintroducesakindofanalysissystembasedonlabviewvirtualsoundsignalacquisition.Itwellsolvesthedisadvantagesexistinginthetraditionalinstruments,notonlylowcostofdevelopment,constructahighaccuracy,functionisalsoveryflexible,canalsocustomizeaccordingtotheneedsofusers,providesanewwaytorealizethevoicesignalacquisitionandanalysis.

Inthedesignofthewholesystem,combinedwiththedesignmethodofvoicesignalanalysisoffunctionalrequirementsandlabview,fromtwoaspectsofhardwareandsoftwaredesignofthewholesystem.Themostimportantisthechoiceofsensor,underthepreconditionofensuringthereliabilityandfeasibility,withatotalcountmachinecomeswithitsownsoundcardtoreplacethetraditionaldataacquisitioncardforsoundsignalacquisition,canachieve44.1kHzsamplingfrequency,and16ofthesamplequantile,andcanchoosethesinglechannelanddualchannel.Andthencompletethesignalanalysissoftwareinlabviewplatform,toachievethesoundcaptureandplayback,andAnalysisofsoundanalysis,includingtheextractionofthetransientcharacteristicsofthesoundsignal,filtering,spectrumanalysis,poweranalysis,harmonicdistortionanalysis.

Systemafterthetest,tomeetthedemandforvoicesignalanalysis,lowprice,flexible,easytoupgrade,goodversatility.Canappliedtovibrationsound,speechsignals,signaldetectionandanalysis,applicationinthescientificresearchworkofthevoicesignal,andvirtualinstrumentteaching,wecansaythatitisverybroadapplicationprospects.

KEYWORDS:

soundsignal,virtualinstrument,labview,soundcardcollection

前言

声音采集是指把声音信号数字化,并在数字状态下进行传送、记录、重放以及其它加工处理等的一整套技术。

相应地把声音信号在原来模拟状态下进行加工处理的技术称为模拟音频。

模拟音频信号的振幅具有随时间连续变化的性质。

所谓数字化就是指把这种模拟信号按一定的时间间隔取值,并将所取的值用一组二进制编码表示,从而将连续的模拟信号变换为离散的数字信号的操作过程。

数字音频有许多优点。

它可以实现很宽的动态范围，低失真，高信噪比，以及能经受很多代的复制与处理而不会明显地降低质量。

随着计算机技术的发展与普及数字设备正越来越多地取代模拟设备在生产过程控制和科学研究等广泛的领域中计算机测控技术正发挥着越来越重要的作用。

随着音频处理技术的发展音频处理算法越来越复杂，采用传统的模拟信号处理的办法来实现这些算法不仅难度大，成本高，有的甚至根本无法实现。

传统的声音测试技术由于硬件昂贵（一个数据采集卡可达数千元），并且不同的测试对象所需要的传感器也不一样，导致现代测试技术一直不能很好的发展，这无疑在很大程度上限制了音频处理技术的发展。

虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是计算机辅助设计领域的一项重要技术。

它利用计算机的显示器的显示功能模拟传统器的控制面板。

虚拟仪器利用计算机来控制与其相连接的各种硬件，来实现对输入输出信号的采集、分析、控制以及显示。

它不仅能够实现传统仪器的各种功能，还解决了传统仪器存在的各种弊端。

利用labview的强大功能实现数据信号的运算，分析，处理。

计算机的声卡具有采集信号的能力并实现A/D转换。

基于虚拟仪器的声音采集系统设计可以在很大的程度上降低实验的成本，整个实验也变得简便，具有很好的可行性。

与传统仪器相比，它的成本更低，功能更强大，精度可靠，维护更方便。

用labview来搭建一个声音采集系统有如此多的有点，正是促使我写这篇论文的原因。

在这里，我有利用labview的平台来搭建一个声音采集系统，实现对声音信号的采集，回放，以及分析。

具体的工作从开始了解虚拟仪器开始。

在学习labview的过程中，主要使用的是labview中的帮助信息及实例。

在网上可从电子发烧友论坛上获取大量的有关labview的信息，结合课本上的讲解，有助于快速上手，对编程有很大的帮助。

在整个设计的过程中，对声音进行了一定的了解，表示方法有分贝、声压、声强，

测量的有声级计及其原理。

接着结合自己电脑，推敲用声卡作为采集器，实现对声音信号的采集的可行性。

对声卡的参数的选择对于声音信号保留的影响作分析。

明确了设计任务是采集声音、声音回放以及对声音信号进行分析。

那么先从程序的总体结构入手。

在这里我采用的是选择结构，因为操作人员能够确定现在这个程序执行的是采集声音信号或者是回放声音信号的任务，通过改变选择结构的条件，可以让操作人员自己进行选择。

其次，对采集到的声音信号进行分析。

其中最主要的有功率谱、谐波、包络谱分析。

在完成声音采集之后，，分析信号时引入了白噪声。

加入白噪声之后，对波形进行滤波时，需要注意的是不能直接将波形信号接入滤波器的X端，这样在之后的分析中波形始终一成不变，是错误的做法。

在操作时，应该先将输出的波形信号进行数组索引，提取其中的Y成分，在将其输入到X端。

根据奈奎斯特定理可以得知，要想不失真的还原出采集之前的信号，滤波器的采样频率必须大于信号的采样频率的两倍。

功率谱是针对功率有限的信号的（能量有限信号可以用能量谱分析），所表现的是单位频带内信号功率随频率的变换情况。

保留频谱的幅度信息，表示了信号功率随着频率的变化情况，即信号功率在频域的分布状况。

包络谱对与冲击力相关的事件敏感。

量化冲击频率和强度对振动分析是非常有帮助的。

尽管有些机器会产生冲击能量（如往复设备）,但大多数机器不会。

冲击力是破坏性的，通常表明会发生故障。

最典型的包络谱图应用是检测轴承缺陷。

总结、致谢、参考文献。

第一章绪论

1.1选题的目的与意义

所谓声音采集是指把声音信号数字化,并在数字状态下进行传送、记录、重放以及其它加工处理等的一整套技术。

相应地把声音信号在原来模拟状态下进行加工处理的技术称为模拟音频。

模拟音频信号的振幅具有随时间连续变化的性质。

所谓数字化就是指把这种模拟信号按一定的时间间隔取值,并将所取的值用一组二进制编码表示,从而将连续的模拟信号变换为离散的数字信号的操作过程。

数字音频有许多优点。

它可以实现很宽的动态范围，低失真，高信噪比，以及能经受很多代的复制与处理而不会明显地降低质量。

随着计算机技术的发展与普及数字设备正越来越多地取代模拟设备在生产过程控制和科学研究等广泛的领域中计算机测控技术正发挥着越来越重要的作用。

然而外部世界的大部分信息是以连续变化的物理形式出现的。

要将这些进行量化编码从而变成数字量这个过程就是声音采集。

它是计算机信息送入计算机进行处理就必须先将这些连续的物理量离散化并在监测管理和控制一个系统的过程中取得原数据的主要手段。

声音采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁是获取信息的主要途径。

数据采集技术是信息科学技术的发展尤其是计算机技术的发展与普及数据采集技术将有广阔的发展前景。

声音采集系统的任务具体的说就是把模拟语音信号通过相关的设备转换成计算机能识别的数字信号根据不同的的需要由计算机进行相应的计算和处理得出所需的数据。

与此同时将计算得到的数据进行显示。

虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是计算机辅助设计领域的一项重要技术。

它利用计算机的显示器的显示功能模拟传统器的控制面板。

利用labview的强大功能实现数据信号的运算，分析，处理。

计算机的声卡具有采集信号的能力并实现A/D转换。

基于虚拟仪器的声音采集系统设计可以在很大的程度上降低实验的成本，整个实验也变得简便，具有很好的可行性。

1.2课题主要研究内容

在计算机中，利用labview提供的编程环境，搭建用于声音信号采集的分析系统。

实现对声音信号的采集、分析、显示。

能够对信号的特征进行提取，分析。

主要的组成部分：

声音的采集系统。

实现功能：

将用户从麦输入的声音信号进行采集，采集的信号存储到计算机中的指定位置，在labview中用波形图可以显示出来；

声音的分析系统。

将采集到的信号通过滤波处理，结合labview提供的信号处理函数，可以在时域和频域上对声音信号进行分析。

具体的有自相关、卷积、拉普拉斯、均方值等。

1.3论文的组织结构

给出论文的框架结构，有利于编写者保持清晰的思路和阅读者快速了解论文的整体结构。

本篇内容主要由摘要、目录、声音的描述、虚拟仪器、labview及声音采集简介、基于labview的声音采集方案设计、基于labview的声音采集系统的软件部分、声音采集系统的运行和测试结果、.总结、致谢以及参考文献组成。

第二章声音的描述

2.1分贝

分贝是表示电气、机械和声学等信号在传输过程功率增加（增益）与减小（损耗的计量单位。

把前后所测的两个功率比值（（P/Po）取常用对数就是此功率差的贝尔数，用公式表示为

贝尔数B=lg（（P/Po）式2.1

式中，P为类似功率输出量；P。

是基准输人功率。

在实际使用过程，发现贝尔这个单位太大，故采用贝尔的十分之一为单位，称之为分贝（decibe1），即10分贝数等于1贝尔数。

由对数性质可知，当（P/Po）>1时，分贝数为正值，表示传输功率增加；当（P/Po）<1时，分贝数为负值，表示传输功率减小；当（P/Po）=l时分贝数为零，说明传输功率既没增加也没减小。

2.1.1分贝的运算法则

直接相加：

只要两个或数个比率是相乘关系，其对应的分贝值就可以直接相加。

2.1.2为什么采用分贝

采用分贝作为计量单位具有以下优点:

分贝适于声学计量，且与人体的听觉相符，声压级、声强级和声功率级这三个声学量都具有对数性质，这和人耳对声音的响应是一致的。

因此，以分贝度量音响符合人耳感觉。

用途广泛任何一个计量单位都不及分贝应用广泛。

任何计量，不管其单位如何，只要能给出基准值，都可以用分贝来表示。

动态范围大。

所谓动态范围就是某个变量随其自变量变化的范围。

与线性变化相比较，对数的变化范围就大得多。

使计算数目字变小对数运算可以将庞大的线性表示量变成便于记忆书写和计算。

简化计算

由于对数运算使庞大的数目字变小，而且还可将线性量的乘法运算变为分贝量的加法运算，所以可使运算过程变得极为简单。

2.2声压

2.2.1声压的定义

声压就是大气压受到声波扰动后产生的变化，即为大气压的余压，它相当于在大气压强上叠加一个声波扰动引起的压强变化通过声压的测量可以间接求出质点速度等其他物理量。

声学中常用声压来描述声波。

2.2.2声压与声强的关系

声强指声波传播的能流密度，即在单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的声音能量．声源在某点发出的声波，向外传播，在距声源r处的声强为I=E/4π

式中E是声源每秒钟发出的能量，声强I的单位是W/m2.

凡能引起正常听觉的声波，对声强有一定范围的要求，这个范围跟声波的频率有关，对于每个特定频率的声波，要引起听觉，其声强有两个极值．若根据正常听觉的实验结果，以频率为横坐标，以声强为纵坐标，将各种频率的声强上下限坐标连起来，低于下限的声强，不能引起听觉．凡超过上限的声强，使人耳有痛感．故上下限曲线间的区域即为听觉范围．国际上选定I0=W/m2作为声强的参考标准，声强I与标准声强I0之比的对数称作声强I的声强级，用L表示，即L=lg（

/

）.单位为贝尔，用BEL表示，这个单位在实用上太大，故常用贝尔的1/0，即分贝（dB）作为单位，所以声强级的表示式为L=10lg（

/

）（dB）.,用dB为单位，最轻音就是0瞬时声压：

声场中某一瞬时的声压值称为瞬时声压。

峰值声压：

在一定时间间隔中最大的瞬间声压值称为峰值声压或者巔值声压。

如果声压随时间变化是按简谐规律，那么峰值声压也就是声压的振幅。

有效声压：

在一定时间间隔中，瞬时声压对时间取均方根值称为有效声压。

 ．

2.3声压级

2.3.1什么是声压级

声压级用符号SPL表示，其定义为将待测声压有效值与参考声压的比值取常用对数乘20.

SPL=20

在空气中参考声压取值一般为10e-5帕。

这个数值是正常人耳对1KHz声音刚刚能察觉到其存在的声压。

测量声压嘴常用的是声级计。

声级计是最基本的噪声测量仪器，它是一种电子仪器。

在把声信号转换成电信号时，可以模拟人耳对声波反应速度的时间特性；对高低频有不同灵敏度的频率特性以及不同响度时改变频率特性的强度特性。

因此，声级计是一种主观性的电子仪器。

2.3.2工作原理

由传声器将声音转换成电信号，再由前置放大器变换阻抗，使传声器与衰减器匹配。

放大器将输出信号加到计权网络，对信号进行频率计权（或外接滤波器），然后再经衰减器及放大器将信号放大到一定的幅值，送到有效值检波器（或外按电平记录仪），在指示表头上给出噪声声级的数值。

2.3.3传声器

传声器是把声压信号转变为电压信号的装置，它是声级计的传感器。

常见的传声器有晶体式、驻极体式、动圈式和电容式数种。

动圈式传声器由振动膜片、可动线圈、永久磁铁和变压器等组成。

振动膜片受到声波压力以后开始振动，并带动着和它装在一起的可动线圈在磁场内振动以产生感应电流。

该电流根据振动膜片受到声波压力的大小而变化。

声压越大，产生的电流就越大，声压越小，产生的电流也越小。

电容式传声器主要由金属膜片和靠得很近的金属电极组成，实质上是一个平板电容。

金属膜片与金属电极构成了平板电容的两个极板，当膜片受到声压作用时，膜片便发生变形，使两个极板之间的距离发生了变化，于是改变了电容量，位测量电路中的电压也发生了变化，实现了将声压信号转变为电压信号的作用。

电容式传声器是声学测量中比较理想的传声器，具有动态范围大、频率响应平直、灵敏度高和在一般测量环境下稳定性好等优点，因而应用广泛。

由于电容式传声器输出阻抗很高，因而需要通过前置放大器进行阻抗变换，前置放大器装在声级计内部靠近安装电容式传声器的部位。

2.3.4放大器

一般采用两级放大器，即输入放大器和输出放大器，其作用是将微弱的电信号放大。

输入衰减器和输出衰减器是用来改变输入信号的衰减量和输出信号衰减量的，以便使表头指针指在适当的位置。

输入放大器使用的哀减器调节范围为测量低端，输出放大器使用的衰减器调节范围为测量高端。

7阻抗匹配，负载与内阻相等时，负载可获得最大输出功率。

前置放大器，高输入阻抗与低输出阻抗。

高输入阻抗能够减少负载对信号源的影响和较少失真。

2.3.5计权网络

为了模拟人耳听觉在不同频率有不同的灵敏性，在声级计内设有一种能够模拟人耳的听觉特性，把电信号修正为与听感近似值的网络，这种网络叫作计权网络。

通过计权网络测得的声压级，已不再是客观物理量的声压级（叫线性声压级），而是经过听感修正的声压级，叫作计权声级或噪声级。

计权（又叫加权）参数是在对频响曲线进行了一些加权处理后测得的参数，以区别于平直频响状态下的不计权参数。

第三章虚拟仪器、labview及声音采集简介

3.1.虚拟仪器的介绍

3.1.1虚拟仪器的概念

虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是计算机辅助设计领域的一项重要技术。

它利用计算机的显示器的显示功能模拟传统器的控制面板。

利用labview的强大功能实现数据信号的运算，分析，处理。

计算机的声卡具有采集信号的能力并实现A/D转换。

基于虚拟仪器的声音采集系统设计可以在很大的程度上降低实验的成本，整个实验也变得简便，具有很好的可行性。

改实验基于虚拟仪器的声音采集系统设计将极大的节省人力、物力，为今后的声音信号采集提供很好的参考。

3.1.2虚拟仪器的特点

与传统测量仪器相比，虚拟仪器技术有着许多自己独特的特点与优势，以下列出其一部分特点：

虚拟仪器具有开发与维护费用低的特点；

虚拟仪器具有传统仪器所无法比拟的强大信号处理能力。

因为虚拟仪器可以充分利用计算机强大的软件资源，对信号灵活地进行计算、分析、判断、处理、显示或输出等；

虚拟仪器由用户自定义仪器功能,而传统仪器一经设计、制造完成后,就很难改变；

虚拟仪器具有技术更新周期短的特点，大约为1-2年；

虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可灵活地与网络及其周边设备实现互联。

3.2labview简介

labview是NI公司推出的一种图形化编程语言。

，用它开发的软件称为虚拟仪器。

其中包括了大量的控件、工具和函数，用于数据采集、分析、显示与存储等操作。

并提供了广泛的接口，可以与matlab在内的多种软件相互调用。

其附带有扩展库函数，满足强大的专业数学分析。

labview的程序语言形象、生动，进行控件的连线设置后即可传输数据，省去了许多源代码的编写麻烦和参数传递设置。

3.2.1labview的系统组成及应用

labview的构成相当复杂，但大体上由数据采集、数据分析、数据显示及保存模块构成，如图3-1所示。

图3-1labview组成图

硬件获取测试对象的被测信号，虚拟仪器主要由计算机组成，但计算机不能自己获得信号，因此必须有相应的硬件来配合才可以完成所有功能。

主要配件有各种传感器、信号调理器和魔力数字转换器等。

虚拟仪器同时也会根据需要在系统中配置一些示波器、传统仪器来辅助完成强大的功能。

3.2.2测试软件控制

labview实现了把数据采集、分析、处理和显示灯功能通过编程集中操作。

它提供了仪器操作与运行的命令环境，卫各类系统的开发提供了系统平台和支撑。

3.3声音采集介绍

3.3.1声音采集的概念

声音采样就是把模拟音频转成数字音频的过程，所用到的主要设备便是模拟/数字转换器（AnalogtoDigitalConverter，即ADC，与之对应的是数/模转换器，即DAC）。

采样的过程实际上是将通常的模拟音频信号的电信号转换成二进制码0和1，这些0和1便构成了数字音频文件。

采样的频率越大则音质越有保证。

由于采样频率一定要高于录制的最高频率的两倍才不会产生失真。

采样频率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数，采样频率越高声音的还原就越真实越自然。

在当今的主流声卡上，采样频率一般共分为22.05KHz、44.1KHz、48KHz三个等级，22.05只能达到FM广播的声音品质，44.1KHz则是理论上的CD音质界限，48KHz则更加精确一些。

对于高于48KHz的采样频率人耳已无法辨别出来了，所以在电脑上没有多少使用价值。

采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度。

这个数值越大，解析度就越高，录制和回放的声音就越真实。

我们首先要知道：

电脑中的声音文件是用数字0和1来表示的。

所以在电脑上录音的本质就是把模拟声音信号转换成数字信号。

反之，在播放时则是把数字信号还原成模拟声音信号输出。

3.3.2声音采集的特点：

现代采集系统一般都由计算机控制使得声音采集的质量和效率等大为提高，也节省了硬件的投资。