基于LabVIEW的声音信号采集分析系统开发_张振_图文

1、第24卷第3期2012年9月北方工业大学学报J .N O R T H C H I N A U N I V.O F T E C H.V o l .24N o .3S e p t .2012收稿日期:2012-01-05*北京市大学生科学研究与创业行动项目(2011012.第一作者简介:张振,本科生.专业:材料成型及控制工程.基于L a b V I E W 的声音信号采集分析系统开发*张振李香飞甘淑敏皮世威张从鹏(北方工业大学机电工程学院,100144,北京摘要利用麦克和计算机声卡作为声音信号采集的硬件,在L a b V I E W 环境下开发了计算机音频采集分析系统.本系统能够采集各种工况环境的

2、声音信号,并具有信号保存、调用、回放等功能,同时实现了对声音信号的各种数字分析,为声音振动研究和工况状态识别提供了有效的工具.关键词声卡;L a b V I E W ;声音采集;时频分析分类号T P 216+.2;T P 274+.2工况环境中的噪声基本上反映了设备的运行状态,所以可以通过声音信号来判断或识别工况中设备的运行状态1.常用的声音采集系统包括传声器和高动态音频采集卡,系统成本较高.本文利用计算机的多媒体声卡和麦克作为声音信号采集的硬件,在L a b V I EW 开发环境下开发了一个声音信号采集分析系统,可以实现声音信号的采集及分析,具有使用方便,成本低廉等优点.1系统硬件搭建设计

3、了一个基于L a b V I EW 和声卡的声音信号采集与识别系统,它可以通过麦克采集声音信号,并对采集的信号加以存储,而后对存储的信号进行频谱分析,最终能够实现对声音信号的识别.根据这个设计思路,方案设计所需硬件大致可以分为3部分,如图1所示.图1方案设计所需硬件2系统程序框图设计本系统程序设计主要分为两部分,即声音信号的采集存储和对声音信号的分析,开发工具采用L a b V I EW 8.6.2.1声音信号的采集与存储要实现对声音信号的采集与存储,首先需要通过麦克的声音采集功能来实现声音信号到电信号的转换,然后通过L a b V I EW 的配置声音输入子v i 和写入声音文件子v i 来

4、实现声音信号的采集和声音模板的录入.其中配置声音输入子v i 是用来配置一个声音输入设备,采集数据并将数据发送到缓存,然后通过写入声音文件子v i 将来自波形或波形数组的数据写入w a v 文件.通过这些子v i 便可以实现声音信号的采集,并将其存储为w a v 格式的文件.程序框图如图2所示.2.2声音信号的分析基于L a b V I EW 的设备运行噪声采集分析系统的功能设计包括:时域分析、频域分析、功率谱分析和频谱分析,如图3所示.2.2.1打开声音文件要实现声音信号的处理,便于后续分析,首先需要通过打开声音文件子v i 和配置声音输出子v i ,把采集到的声音信号打开.其中,打开声音文

5、件的程序如图4所示 .2.2.2对采集声音文件的分析频域分析是通过傅里叶变换将时域信号变换到频域,其主要是分析信号的频谱成分以及各种成分的强度.对采集声音文件的即时频谱分析,需要运用L a b V I EW 中的频谱测量控件,通过频谱测量控件对其进行F F T 分析,这样就把一个时域的信号转换为频域的信号.频谱即时分析部分的程序框图如图5所示 .图5采集的声音文件的频谱分析使用L a b V I EW 中的F F T P o w e r S pe c -t r u m.v i 完成功率谱分析,使用F F T S p e c t r u m (M a g-P h a s e .v i 得到频域信

6、号的幅值谱和相位谱.同时,为了防止采集信号发生泄露,对所采集信号进行加窗处理,系统选择了汉宁窗2.加窗后的功率谱分析和频谱分析的程序框图如图6所示 .图6采集声音文件加窗后的功率谱和频谱分析34第3期张振等:基于L a b V I EW 的声音信号采集分析系统开发3系统前面板设计开发的基于L a b V I EW 的声音采集分析系统包括硬件和软件两部分。其硬件部分包括:计算机、声卡(位于计算机内、麦克;软件部分包括:声音的采集储存软件包、声音分析软件包.其中麦克用于采集声音信号,将空气振动信号转换为电信号;声卡实现声音电信号(模拟信号与数字信号(WA V 格式的相互转换3.3.1声音采集储存面

7、板设计本模块用L a b V I EW 自带的S o u n d I n p u t C o n f i gu r e .v i 来配置声卡采样所需的各个参数,如:设备I D 、采样数、采样模式等.本系统可根据需要设置采样频率、采样位数和采样方式.采集数据前面板如图7所示,其中系统界面中的采集信号波形是通过麦克实时采集的环境噪声信号.3.2声音分析面板设计声音信号保存完毕后,接下来对刚保存的声音文件进行各种分析.L a b V I EW 内建立了600多个分析函数,能够轻松地提取有用的信息进行测量数据分析和信号处理6.本系统采用了频谱分析波形的即时显示、F F T 功率谱和F F T 频谱(幅

8、度-相位等分析函数.频谱分析前面板如图8所示 .4实例分析采用本系统对钻床工作时的噪声信号进行采集分析,钻台布置图如图9所示。钻床参数如表1所示 .图9钻台布置图表1钻床参数钻床型号钻头直径D 转速范围加工材料S I E G X 310m m 100-1000r /m i n 钢板4.1频率谱分析利用本系统分析钻床不同转速下的声音信号,从各工况频域图中取对应的4个峰值点,分别记录其频率值和声强,如表2所示.从表2中可以得出:随着转速的提高,高频段的声音强度逐渐增大,这与理论分析结果一致.4.2功率谱分析利用本系统分析钻床不同转速下的声音信号,从各工况的功率谱图中记录峰值点功率值及其所对应的频率

9、,如表3所示.44北方工业大学学报第24卷表2各工况频谱表转速n r /m i n 第1峰值频率/H z 分贝/d B 第2峰值频率/H z 分贝/d B 第3峰值频率/H z 分贝/d B 第4峰值频率/H z 分贝/d B 200186080316070611060985555400170078317068715571992560600198086357010082508010210828002275864660829150901078086表3各工况功率谱表转速n (r /m i n-1频率f /H z 声功率P /10-4W40045000.450042000.2600440011.0

10、70041001.380046001.5对比分析各工况的功率谱表发现:当转速达到600r /m i n 左右时,设备达到共振点,此时的功率最大.所以在实际生产时,应避免在此转速值附近加工此类零部件.5结论本文开发的音频采集分析软件包能够对确定的工况进行状态监测,分析出不同设备正常运行和故障运行时的音频信号特征,并建立设备常见故障的音频特征库,为下一步实现通过声音对设备进行状态监测和故障识别提供便利.该系统具有设计简便、成本低、通用性高、扩展性好、界面大方简洁等优点,可广泛应用于车间厂房、工程测量和科学实验室等环境.实验结果表明,此系统能够对设备的状况进行监测分析,达到了预期的设计目标.参考文献

11、1潘亮亮.基于声波识别的变压器状态诊断系统开发D .河北:华北电力大学,20082何玲玲,张仲,葛立峰.基于L a b V I E W 的微弱光电信号采集与处理系统的设计J .电测与仪表,2010(6:65-683谷爱昱,张敬春,莫慧芳.基于虚拟仪器的电机故障声测系统J .电机与控制应用,2006(2:56-584于琳,陈健.基于L a b V I E W 的声卡信号采集及其分析系统设计J .仪器仪表用户2009(4:39-41D e v e l o p m e n t o f S o u n d A c q u i s i t i o n a n d A n a l ys i s S ys

12、t e m B a s e d o n L a b V I E W Z h a n g Z h e n L i X i a n g f e i G a n S h u m i n P i S h i w e i Z h a n g C o n g p e n g (C o l .o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,N o r t h C h i n a U n i v .o f T e c h .,100144,B e i j i n g,C h i n a A b s t r a c

13、 t B a s e d o n c o m p u t e r s o u n d c a r d a n d m i c r o p h o n e h a r d w a r e p l a t f o r m ,a s o u n d a c qu i s i -t i o n s y s t e m i s b u i l t u n d e r L a b V I EW e n v i r o n m e n t .W i t h t h i s s o u n d s y s t e m ,t h e v o i c e s i gn a l u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s c a n b e c o l l e c t e d a n d p r o c e s s e d ,w i t h t h e f u n c t i o n s o f p r e s e r v a t i o n a n d p l a y b a c k ,w h i c h i s a p o w e r f u l t o o l f o r s o u n d v i b r a t i o n r e s e a r c h a n d r e c o gn i t i