机电子毕业设计论文

1、2016届机械电子工程专业（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学 院 机电与车辆工程学院 专 业 机械电子工程 学 生 张桂文 学 号 631224030327 指导教师 董绍江 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

2、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

3、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AbstractSound 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

4、 voice analysis test system is mainly to the traditional instrument, but traditional instruments exist many shortcomings: development cycle is long, high cost, fixed function, the upgrade is not convenient, has become increasingly unable to meet the user's requirements.This paper briefly introdu

5、ces a kind of analysis system based on labview virtual sound signal acquisition. It well solves the disadvantages existing in the traditional instruments, not only low cost of development, construct a high accuracy, function is also very flexible, can also customize according to the needs of users,

6、provides a new way to realize the voice signal acquisition and analysis.In the design of the whole system, combined with the design method of voice signal analysis of functional requirements and labview, from two aspects of hardware and software design of the whole system. The most important is the

7、choice of sensor, under the precondition of ensuring the reliability and feasibility, with a total count machine comes with its own sound card to replace the traditional data acquisition card for sound signal acquisition, can achieve 44.1 kHz sampling frequency, and 16 of the sample quantile, and ca

8、n choose the single channel and dual channel. And then complete the signal analysis software in labview platform, to achieve the sound capture and playback, and Analysis of sound analysis, including the extraction of the transient characteristics of the sound signal, filtering, spectrum analysis, po

9、wer analysis, harmonic distortion analysis.System after the test, to meet the demand for voice signal analysis, low price, flexible, easy to upgrade, good versatility. Can applied to vibration sound, speech signals, signal detection and analysis, application in the scientific research work of the vo

10、ice signal, and virtual instrument teaching, we can say that it is very broad application prospects.KEY WORDS: sound signal, virtual instrument, labview, sound card collection目 录摘 要IAbstractII前 言IV第一章 绪论11.1选题的目的与意义11.2课题主要研究内容11.3论文的组织结构2第二章 声音的描述32.1分贝32.1.1分贝的运算法则32.1.2为什么采用分贝32.2 声压32.2.1声压的定义32

11、.2.2声压与声强的关系42.3声压级42.3.1什么是声压级42.3.2工作原理52.3.3传声器52.3.4放大器52.3.5计权网络5第三章 虚拟仪器、labview及声音采集简介73.1.虚拟仪器的介绍73.1.1虚拟仪器的概念73.1.2虚拟仪器的特点73.2labview简介73.2.1 labview的系统组成及应用83.2.2测试软件控制83.3声音采集介绍83.3.1声音采集的概念83.3.2声音采集的特点：9第四章 基于labview的声音采集方案设计104.1 声音信号采集方案104.2 声卡作为声音信号采集装置的可行性分析104.3 声卡的基本结构114.3.1声音控制

12、芯片114.3.2数字信号处理器124.3.3FM合成芯片124.3.4波形合成表124.3.5波表合成器芯片124.4 声卡的工作原理124.41 声卡的性能指标12第五章 基于labview的声音采集系统的软件部分145.1声音采集与分析流程155.2声音分析模块195.3声音读取与回放26第六章 声音采集系统的运行和测试结果286.1系统运行需要以下要求：286.2 采集程序测试结果286.2.1采集到的波形如下图所示：286.2.2 声音回放波形29总结与展望33致 谢34参考文献35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

13、。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

14、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

15、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

16、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，III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

17、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

18、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。V 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

19、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

20、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、

21、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

22、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

23、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

24、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/4,式中E是声源每秒钟发出的能量，声强

25、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

26、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

27、。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

28、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

29、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

30、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labv

31、iew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

32、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。3.2.1

33、labview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。显示信号分析处理数据采集与控制被测信号图3-1 labview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

34、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（Analog to Digital Converter，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、

35、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。 软件在声音采集系统中的作

36、用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。 声音采集与声音处理相互结合得日益紧密形成声音采集与处理系统，可以实现从声音采集处理到控制的全部工作。 声音采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际需要对于通用声音采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。 随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，声音采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高。 第四章 基于labview的声音采集方案设计4.1 声音信号采集方案虚拟仪器的信号采集所需要的硬件主要有以下三个选择：由美国国家仪器公司开发的一系列专用的数据采集卡，国产的数据采集卡，以及本设计所用到的计算机自带的声卡，在设计声音采集系统的

37、硬件部分时，主要从可行性、可靠性、通用性、成本等各方面考虑。用美国国家仪器（NI）公司生产的数据采集卡采集数据。NI公司生产的数据采集卡是专为虚拟仪器开发的，提供多种总线类型，用户可以根据自己的需要选择总线类型。该采集卡功能非常强大，提供多通道（至少4通道以上）的模拟输入，传输带宽大，采样精度高，延时少，数据采集功能也非常强大，但是它的价格也特别昂贵，其官方报价基本都在7000元以上，普通用户很难接受，所以本课题设计不采用此种数据采集卡。用国产的普通数据采集卡采集数据。国产的数据采集卡相对于国外品牌来说比较便宜，但是对于普通用户来说，依然是很昂贵的，比如中泰的数据采集卡要4000多元人民币，凌

38、华的DAQ-2006高达一万多人民币。当然，也有一些相对便宜的数据采集卡，但是这些数据采集卡的质量很难保证，普通用户难以区分其好坏，并且测量精度也不高，传输速率也比较慢。本设计不采用此种数据采集卡。用电脑自带的声卡采集数据。计算机的声卡是计算机硬件的一部分，且其本身就是一个很好的A/D，D/A转化装置，完全符合本课题的数据采集要求。而且在计算机上完成数据采集任务,成本几乎为零，这样就不需要购买数据采集硬件模块。综上所述，本课题打算用电脑自带的声卡作为声音信号的采集装置。4.2 声卡作为声音信号采集装置的可行性分析NI公司以及其他公司开发的数据采集卡，价格昂贵，不适合我们普通大学生使用，而声卡作

39、为计算机硬件的一部分，价格并不贵，且虚拟仪器本身就是基于计算机平台开发的，因此用声卡作为数据采集卡也能充分体现虚拟仪器对计算机资源的最优化应用。目前市场上大部分声卡性能都比较好，最高的采样频率可以达到96kHZ,采样位数可达8位到32位。而电脑自带的声卡，也支持16位、44.1kHz的CD音质，16位、48kHz的DVD音质，24位、44.1kHz的录音室音质等。电脑的声卡有两个声道，可以实现两路采集，如果有需要还可以配置多块声卡，实现多路采集。每路采集的信号最高频率可以达到22.05kHz，信噪比达到96dB。由于声卡自带有增益控制，所以即使在不加信号衰减电路的情况下，也能测量从1微伏到1伏

40、的信号。声卡的时基精度通常为0.00x%。比如一个时基精度为0.002%的声卡，当采样频率为48kHz时，它的误差仅为0.96Hz，一个好的声卡，其噪声电平可以低于100dB，谐波失真THD低于0.001%。用声卡作为声音信号的采集装置，可以构建一个低成本、高性能、简单方便的数据采集系统。因此，本课题设计采用声卡作为数据采集卡的方案是可行的。4.3 声卡的基本结构图4-1 声卡的基本结构声卡是由一些电子器件与连接器构成的。电子器件用来完成各种特定的功能。连接器用来连接输入输出信号。 4.3.1声音控制芯片声音控制芯片的功能是把从采集设备中获取的声音信号，通过模数转换器，将其转换成一串数字信号，

41、存储到电脑中。重放时，这些数字信号送到一个数模转换器还原为模拟波形，放大后送到扬声器发声。4.3.2数字信号处理器DSP芯片通过编程实现各种功能。它可以处理有关声音的命令、执行压缩和解压缩程序、增加特殊声效和传真MODEM等。大大减轻了CPU的负担，加速了多媒体软件的执行。但是，低档声卡一般没有安装DSP，只有高档声卡才配有DSP芯片。4.3.3FM合成芯片低档声卡一般采用FM合成声音，以降低成本。FM合成芯片的作用就是用来产生合成声音。4.3.4波形合成表在波表ROM中存放有实际乐音的声音样本，供播放MIDI使用。一般的中高档声卡都采用波表方式，可以获得十分逼真的使用效果。4.3.5波表合成

42、器芯片波表合成器芯片的功能是按照MIDI命令，读取ROM中的样本声音合成并转换成实际的乐音。低档声卡没有这个芯片。4.4 声卡的工作原理首先，声卡通过麦克风（带麦的耳机亦可，本设计中由于电脑自带了麦克风，所以不另增加麦克风设备）等硬件，获取到声音信号，此时的声音信号为模拟信号，通过A/D转换以后，得到对应的数字信号，保存到计算机里，然后再对其进行各种处理。如果要播放保存的声音信号，那么只需要把数字信号通过D/A转换成模拟信号，经过扬声器播放就可以了。上述过程称为脉冲编码调制技术。下图反映了声卡的工作原理。图4-2 声卡的工作原理4.41 声卡的性能指标判别声卡的性能，主要有以下几个指标：采样频

43、率、采样深度（采样位数）、声道数、频率范围和频率响应等。采样频率：即每秒钟能够采集的声音信号的数量。采样频率越高，声卡采集到的声音信号波形就越细腻，保真度就越高。同时，高精度的采集会导致数据量增大，需要的存储空间也会更大。现如今的主流声卡，采样频率一般为22.05kHz、44.1kHz、48kHz三个等级。个别计算机已经达到24位，96kHz的录音室要求，但是对于人耳来说，高于48kHz的采样频率已经无法分辨了，安装在计算机上也没有必要。采样位数：即把声音信号由模拟量转换成数字量的二进制位数。采样位数越高，那么声音的质量也越高。比如16位的声卡能把声音信号分为=65536个量化等级来完成模数转

44、换。现在普通声卡都能达到16位采样位数，足以达到甚至超出普通数据采集的需要。声道数：现在的声卡一般都是双声道，可以实现两路采集。声卡的输入输出都可以有左右两个通道。频率范围与频率响应：频率范围是指音响系统能够回放的最低有效频率与最高有效频率之间的范围；频率响应是指将一个以恒电压输出的音频信号与系统相连接时，音箱产生的声压随频率的变化而发生增大或衰减、相位随频率而发生变化的现象。以声卡作为虚拟测试仪器的硬件设备必须对其频率特性有所了解。对于一般的实验以及工程上的测试，声卡对信号的量化精度与采样频率已经达到了足够的要求，甚至在性能上还高于一些低端的数据采集卡。 第五章 基于labview的声音采集

45、系统的软件部分 本次声音采集系统基于labview的开发平台进行搭建。主要由三个部分组成：外部声音采集、内部已有声音文件读取（声音回放）、信号分析。在声音回放和外部声音采集的设计时选择了选择结构，在函数面板中能够找到。通过设定S端的值（布尔开关设置），能够解决直接连线时无法确定数据流的问题，并且返回用于下一步分析的数据。 开始 假 真 声卡采集 读取声音功率分析谐波失真分析 频谱 分析 图5-1 系统程序流程图分析信号保存信号 包络谱分析 功率谱分析 谐波失真分析错误 幅值相位滤波读入声音信号配置声音采集参数及设定存储路径5.1声音采集与分析流程 图5-2 声音采集与分析程序流程图程序图如下：

46、图5-3 声音采集与分析系统程序图图5-3声音文件回放程序图为了更加清楚地了解程序的这个结构和各个部分，我这里将会对labview中提供的声音采集及声音文件读取的关键性函数做一些介绍。在labview中提供了大量的有关声音信号处理及回放的函数，主要由三个部分组成，声音的输入与输出，声音文件在计算机中的读取。在labview的程序面板中任意位置右键即可调出函数。在声音函数这里，你看一看到如下界面 图5-4 有关声音编程关键函数在labview中用后缀名为.vi表示labview的文件格式，labview中一个函数就是一个vi。下面的章节我们就用vi来代替函数，可以达到简要的效果。软件中的的输入库

47、收集了与声音采集相关的VI，输出库收集了与声音播放相关的VI，文件库收集与声音文件读写等相关的VI，我们可以调用这些子VI来实现对声音的采集，保存，播放等操作，简化编程，提高效率。其中最为关键的vi是配置声音输入，我将详细介绍它。声音配置子vi（Sound Input Configure.vi),可以对将要采集的声音信号进行配置，在参数设置合理的情况下可以完成声音采集任务。选中声音配置vi后，点击显示及时帮助，即可出现配置声音输入的引脚图。快捷键Ctrl+E可以快速切换到前面版。 图5-5 配置声音输出子vi 图5-6 配置声音输出前面板图5-7配置声音输出程序框 配置声音输入子vi是用来实现

48、对声音的输入设置，设置参数的有：采样模式、采样数、采样频率、采样位数、通道数等。，根据建议，在测试时我采用16位单通道，每通道22050Hz的采样频率以及每通道100000采样数，用来保证采样信号的波形稳定及较小干扰。labview程序提供用户自定义功能，用户能够根据需要自己设置采样频率，采样通道等参数。图5-8 前面板中参数设置程序分析：该程序在运行时，首先对系统的采集模块进行初始化，并判断输入信号是否错误，如果输入信号无误，则开始配置声音格式参数，如果用户设置的参数有误，则该程序会生成错误报表，显示错误代码。如果用户设置的参数没有错误，程序则完成声音输入配置，通过声卡采集信号，把采集到的信

49、号保存起来，并在labview程序的运行下，把采集到的信号以波形实时显示出来。图5-9 实时采集的声音信号波形5.2声音分析模块在声音分析部分，引入了白噪声，并叠加后进行滤波分析，相关分析有幅值、相位、功率谱、自相关、拉普拉斯变换、包络谱分析。图5-10 幅值相位分析模块 图5-11 幅值、相位分析函数在这里需要连线的是窗，幅度及相位脚。在窗这里，选择hanning窗。汉宁（Hanning）窗可以看成是升余弦窗的一个特例，汉宁窗可以看作是3个矩形时间窗的频谱之和，或者说是 3个 sinc（t）型函数之和，而括号中的两项相对于第一个谱窗向左、右各移动了/T，从而使旁瓣互相抵消，消去高频干扰和漏能

50、。适用于非周期性的连续信号。因为声音信号的特点，选择hanning窗能够有助于对其幅度和相位的分析。图5-12幅值、相位分析前面板功率谱分析功率谱的概念是针对功率有限信号的(能量有限信号可用能量谱分析)，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，但是丢掉了相位信息，所以频谱不同的信号其功率谱是可能相同的。有两个重要区别： 功率谱是随机过程的统计平均概念，平稳随机过程的功率谱是一个确定函数；而频谱是随机过程样本的Fourier变换，对于一个随机过程而言，频谱也是一个“随机过程”。（随机的频域序列） 功率概念和幅度概念的差别。此外，只能对宽平稳的各态历经的二阶矩过程谈功率谱

51、，其存在性取决于二阶局是否存在并且二阶矩的Fourier变换收敛； 而频谱的存在性仅仅取决于该随机过程的该样本的Fourier变换是否收敛。图5-13 功率谱程序图图 5-14 功率谱前面板图5-15功率谱分析程序图5-16 功率谱测量引脚图5-17 自相关分析程序图5-18 自相关前面板谐波失真分析波失真（THD）指原有频率的各种倍频的有害干扰。放大1 kHz的频率信号时会产生2 kHz的2次谐波和3 kHz及许多更高次的谐波，理论上此数值越小，失真度越低。 由于放大器不够理想，输出的信号除了包含放大了的输入成分之外，还新添了一些原信号的2倍、3倍、4倍甚至更高倍的频率成分（谐波），致使输出

52、波形走样。这种因谐波引起的失真叫做谐波失真。谐波失真是由于系统不是完全线性造成的。图5-19 谐波失真分析程序图图5-20 谐波失真分析vi图5-21谐波失真分析前面板这里值得注意的是，必须对原始信号进行转换（由波形数组转换为波形）才能在导出的信号里看到输出的信号以及其频谱图，其原因是由原始信号直接分析得到的导出信号其类型为一维数组，内容为簇2元素，不能直接与解除捆绑函数相连，经转换后得到的导出信号其类型为簇2元素，符合解除捆绑函数类型。5.3声音读取与回放此模块可以将已经录入的声音文件读取出来，并通过声卡播放以及显示声音的实时数据和波形图5-22 声音文件的读取与回放程序这里需要注意的是对声

53、音采样数的设置，过低声音很明显失真，过高看到的波形图没有变化。图5-23 声音读取回放前面板35第六章 声音采集系统的运行和测试结果6.1系统运行需要以下要求：硬件环境：虚拟仪器的硬件核心是计算机，由于本系统是基于电脑声卡来进行声音信号的采集的，所以要正常运行本系统需配有声卡的电脑。软件环境：本系统在labview2013环境下编写，所以运行本系统时，应使用高于本版本的labview软件。在labview环境下，本系统分为前面板和后面板，后面板为程序框图，前面板为显示控件。声卡配置:系统的性能取决于声卡的性能，声卡性能越好，则系统能采集到的频率越高。第二章已经介绍到本计算机的声卡最高采样频率可

54、以为192kHz，根据采样定理（奈奎斯特定理）：当采样频率大于信号最高频率的2倍时，经过采样之后的信号会完整的保留原始信号的信息；所以本系统能采集的声音信号最高频率为96kHz。一般计算机都支持16位采样位数已经单声道、立体声两种采样通道。6.2 采集程序测试结果由于本计算机自带麦克风（如果没有可用带麦的耳机代替），运行程序以后，系统自动采集接收到的信号，同时将采集到的信号保存到用户指定的文件路径下，以供后续研究使用。经测试，系统能很好的完成声音信号的采集、保存工作。测试时的各参数设置如下：采样频率：22.05kHz，通道：2，采样位数:16，采样模式：连续采样，采样通道数设定为100000。

55、6.2.1采集到的波形如下图所示：图6-1 采集的声音信号波形6.2.2 声音回放波形按照程序的结构，采集声音与回放声音用一个条件结构来实现切换。当在前面板上按下布尔按键，改变其值时，就会切换到声音回放模式。在声音回放的参数设置里面，要得到较好的回放效果，需要恰到好处地设定采样数，采样数过大，波形显示与实时数据具有较小变化，甚至不变，采样数设置小了，播放出的声音文件有较大失真，经过试验，在采样数是2000左右时有较好的效果。图6-2 声音回放在完成声音采集之后，分析信号时引入了白噪声。在设置参数的时候，要特别注意波形发生器的采样频率，此频率必须和前面的声音信号采集的频率保持一致，否则运行程序是将会提示，两者具有不同的dt值，dt也就是采样间隔。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，所以，这里我设定滤波器的采样频率为60000。图7-3 滤波后波形 在滤波之后，对信号进行分析的时候，运用了拉普拉斯变换、谐波分析、自相关函数、功率谱分析、幅值、相位。功率