利用声卡测量声速定稿

利用立体声声卡测量声速利用立体声声卡测量声速摘要在本文中，将讨论一种基于计算机声卡的数据采集方法。它操作简单，具有良好的界面和易于使用的特点。文章利用声卡作为数据采集设备，因为立体声声卡可以复制CD音质立体声，它拥有至少44千赫兹的采样率和在两个立体声通道间准确的计时效应。利用它的特点，加上对麦克风的简单改造，我们能够实现一种对声速的精确测量。这种方法可以快速的测出声音在空气中的速度，并应用到固体和液体中。用数据分析和处理功能非常强大的工程实用软件Cooleditpro作为软件开发平台，设计了一个低成本、高性能的数据采集与分析系统。实现了数据采集、信号分析等多种功能[1]。关键词：声卡；Cooleditpro；数据采集；信号分析MEASURETHESPEEDOFSOUNDUSINGASTEREOSOUNDCARDABSTRACTArticledesignsalow-costbuthigh-performancedataacquisitionandanalysissystemusingthesoundcardasadataacquisitiondevice,becauseofhavingasamplingrateofatleast44kHzandveryaccuratetimingbetweenthetwostereochannels.WithaverysimpleadaptationofapairregularPC-microphones,acomputerwithastereosoundboard,andsoundanalysissoftware,wewereabletoimplementamethodofaccuratemeasurementofthespeeditcanprovideaquickmeasurementofthespeedofsoundinair,insolidandinliquid.AndusingCooleditprowithpowerfuldataanalysisandprocessingfunctions.Itachievesdataacquisition,signalanalysisandavarietyoffunctionssuchassignaloccurring.Keywords:soundcard;Cooleditpro;dataacquisition;Signalanalysis目录TOC\o"1-3"\h\u317591前言 1158641.1声速测量方法的可行性探究 1208021.2利用声卡进行数据采集测量的实验目的 2113271.3利用声卡进行数据采集测量能解决的主要问题 2155952实验原理及实验方案 3177792.1实验原理及设备框图 3240352.2实验方案 365012.2.1实验仪器 3183302.2.2声源—接收器—声卡 433912.2.3介绍电子箱 4133682.2.4声音分析软件Cooleditpro 6239373实验过程 10136213.1测量空气中的声速 10268463.2测量固体中的声速 10156864实验数据处理及结论 12212044.1空气中的数据处理及结论 12304744.2固体中的数据处理及结论 13174645误差分析 14138005.1空气中的误差分析 142825.2固体中的误差分析 14314726结论 151692参考文献 165572致谢 17第1页共17页1前言在当今物理实验中，几乎每个实验都离不开数据采集测量。但是在实验数据采集时常见的困难是要么采集不准确、要么准确但是设备成本过高。本论文就将讨论一种折中的方案。1.1声速测量方法的可行性探究声速的测量在声波定位、探伤、测距等应用中具有重要的意义[2]。声速的测量方法有很多种。实验室常用的方法有共振干涉法、相位比较法等。传统的方法在实验过程中，在观察驻波的形成和特点方面，具有直观性和趣味性。其测量方法简单,测量设备简单，但准确性差；相位比较法是通过对比接收波相对于发射波的相位变化，测出周期，再乘以频率就可以得到声速。相对于驻波法测声速，准确度还是比较高的，一般可达1-2%。但是很多实际的声波不是正弦波，这样就无法用相位法测量了，虽然准确却不直观。而立体声声卡测声速兼具了这两种方法的优点，既直观又准确。计算机声卡,虽然平时只是用来录音、放音,但它其实是一块性能不错的、转换卡.即使是最普通的声卡,一般都能实现16位、双通道、最高44.1kHz的采样频率,足以应付大多数信号采集任务,而其价格却只有专用数据采集卡的几分之一,甚至几十分之一.随着多媒体技术的发展，声卡已成为多媒体计算机的标准配置，且大多数声卡具有与数据采集卡相当的信号滤波、放大及采样保持、模-数相互转换等功能，具有较高的采样频率与精度[3]。采用声卡制作的数据采集系统适合于任何一台装有声卡的计算机，具有廉价、方便、稳定、性能可靠、精度高等优点，它可用于机械振动、噪声、语音识别、医学、地震等领域中动态信号的实时采集进而进行各种分析研究。理论上：声卡的采集精度是每秒采集44100个数据。也就是精度可以达到：可以充分满足常见的数据测量。如测平均速度等。运用声卡构成一个较高采样精度的数据采集系统，在物理实验中的应用前景十分广阔【4】。1.2利用声卡进行数据采集测量的实验目的由测量空气中及水中声速的实验检验声卡测量的精度（准确性）和实际应用的价值（实验的方便性、可应用性，是否可以在课堂演示）。同时研究声卡测量的范围，即有效长度。1.3利用声卡进行数据采集测量能解决的主要问题在测声速实验中，我们可以把测量值和理论上的真实值进行比较从而比较出声卡进行数据采集的精度；重复多次、以及改变实验条件就可以知道声卡测量的可靠性，实验的整个过程就可以得出声卡测量的方便性。通过声卡测量声波，在利用软件读数，可以方便的测量，减小误差。2实验原理及实验方案2.1实验原理及设备框图利用立体声声卡以测量时间差的方法测量声速[5]。原理图如下:图2-1声卡测量原理图实验的基本原理是：我们用两个计算机用立体声麦克风L、R，分别表示左、右声道，并且让两个麦克风相隔已知距离，用d来表示。两个线路的输入信号用一根（内涵三根线的）电脑用的立体声音频输入线和电脑相连（见图2-1中Linein）。计算机收集从两个立体声麦克风（左右两个麦克风用L、R表示）通过两个线路的声音信号。经过计算机软件的处理到达两个立体声麦克风的声音脉冲从而计算出声音到达两个麦克的延迟时间。2.2实验方案2.2.1实验仪器闹钟，驻极体麦克风2个,1.5V电池2个，2.2千欧的电阻两个，1µF的电容两个，电路板，导线、焊锡等材料。2.2.2声源—接收器—声卡（1）对于声源我们需要声音大点而且清脆一点的发声体。频率越高，测量起来的效果就会越准确。（譬如敲个饭盒、碰个音叉、音响、锣鼓、口哨之类的）。（2）接收器主要包括两个驻极体麦克风及电子箱。驻极体麦克风是由一个电容拾音器和一个场效应管构成。拾音器顾名思义是接受声音信号的作用。场效应管起到放大拾音器传来的微弱电信号的作用，但是为了让场效应管工作，必须给场效应管加上电压并且给场效应管提供一个基本的工作电流，这就是电子箱中那个电池的作用。电阻的作用主要是限流的，因为直接给拾音器场效应管接电池的话就烧了。电容的作用主要是隔直流，只让音频交流信号通过，因为声卡输入端禁止直接输入直流。电容和电阻的数值基本上就是要求工作电流是毫安量级的，并且满足电容需要的能通过的音频信号范围。接收器的安装基本上是简单的照图焊接，注意立体声插头那三段的连接，一个是公用的地线，另外两个是左右声道信号。另外，接收器到声卡的连接采用的是线性输入而不是麦克风输入，因为麦克风输入口是单声道的，而线性输入口是双声道的。（3）电脑声卡(ComputerSoundCard)是电脑中最基本的组成部分，是实现声波／数字信号相互转换的一种硬件。声卡控制芯片是把从输入设备中获取声音模拟信号，通过模数转换器，也就是对模拟信号每隔一段时间采集一个样本，从而实现将声波信号转换成一串数字信号，并且存储到电脑中。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。声卡具有MIC和LINEIN两个信号输入端,其中MIC输入端有高增益放大器,会使信号产生较大失真,因此在数据采集时应选用LINEIN作为信号输入端[6]。在进行数据采集时,将测量信号输入至声卡的LINEIN端口。声卡采样的样本深度：有8位和16位两种。16位声卡比8位声卡声音保真度更高。声卡的最高采样频率：一般声卡提供了11kHz、22kHz的采样率。目前有种更高档的声卡采样频率可达48kHz。今后也许还会出现更高采样频率的声卡，本实验中使用44100Hz的采样率。2.2.3介绍电子箱[7]设备框图:图2-2电子箱结构图将之前准备好的实验仪器1.5v的电池2个，2.2千欧的电阻2个，1µF的电容2个，短导线若干，长导线需要4根，电路板、焊锡等照图焊接。驻极体麦克风正负极的判断很重要。一般情况下麦克风插头处最里面的是地线，但是为了排除偶然情况，我选择用数字万用表测量麦克风插头前后的电阻，再调换红黑表笔，比较两次电阻示数的大小，示数小的黑表笔接的为正极。在电路板上将所有器材焊上，电池之间的连接比较困难，本实验中使用透明胶带将两个电池绑在一起，接触不是很稳定，后来用焊锡将导线直接焊在电池正负极，由于电池表面有一层膜，焊接之前用电烙铁烫一烫，否则直接焊上会不牢固。建议最好将电池用电池夹固定在电路板上比较美观。我用的线性输入插头是3根导线（将麦克风的电路部分剪掉），另一端导线的颜色分别为红、蓝、黄，由于插头处最里边的一段为负极，因此在寻找地线时，将红、黄、蓝三根导线分别缠在万用表的一个表笔上，万用表的另一表笔接触线性输入插头最里边，再将万用表打到电阻档，连通的那根导线即为地线。测量时要注意三色导线比较细小而且导线外部有绝缘漆，建议用打火机将外部的绝缘漆烧掉后在测量。找到了地线便把这根地线和电源的负极引出的线连接在一起即最后的地线，其余的两根线分别与左右声道相连，在电容和电阻之间的两根线分别连在麦克风插头的前端，接口处的连接要特别注意，建议找两个适合的插座，这样既美观又实用，不用担心总是掉线的麻烦。电容的正负极判断也尤为重要，建议将充完电的电容用数字万用表的电阻档测量电容两脚时，可以利用电容的正反向电阻的差异来判断它的正负极，我们都知道电容的正向阻值远大于反向阻值，而数字万用表的红表笔又是与表内电池的正极相连的，因此在测量出较大电阻时，红表笔所接触的就是电容的正极，用指针式万用表测量时，结果与此相反。之所以选择驻极体麦克风是因为我们最终要经过多次测量取平均值来减小误差，而根据公式C=D/T在测量过程中只有D是可变量，只能通过改变D来进行多次测量。而D是两个麦克风之间的距离，所以选择它时我们要尽可能选择小和细的原则，这是为了方便确定它的中心，在测量D中要尽量减小误差。在整个电路焊接完之后，不要急于测量，先用万用表测量整个回路的输出电压情况是否满足要求，如果满足要求便将整个电路用塑料盒装在一起，电子箱便初步制作成功。2.2.4声音分析软件Cooleditpro[8]本实验是一种在Cooleditpro平台下完成的声卡的数据采集与分析系统。实现数据采集、信号分析等功能。CoolEditPro专业音频编辑软件是一个基于PC和Windows操作平台的实用工具,具有完整的音频编辑、加工能力,能高质量地完成各种复杂和精细的专业音频编辑。就纯粹的音频编辑而言,它无论对哪一级用户来说,都是一个再简捷不过的优选。CoolEditPro对PC的系统配置要求并不太高,只是由于音频文件的“大块头”特性,为了使编辑更为快捷方便,以尽可能采用高配置的PC为好,其中最要紧的要求是内存要足够大。当然,大硬盘也是必要的,否则就存不下几个音频文件。CoolEditPro不仅能完成所有基本的音频编辑任务,还设置了不少其它周边音频设备的功能,如多频均衡、参量均衡,多种混响、延时、相位处理,以及噪声门、频谱分析降噪、压扩、信号源及很特别的变调、变速等。图1（最初记录的发声）图2（选择效果比较好的一组）图3（进行时间的放大）图4（最后放大到看清的结果）CoolEditPro之所以值得推荐,一是它仅就PC就可完成与昂贵的工作站同等质量的任务;二是同样的效率和质量支撑,不仅使工作更为简单和便捷,而且比以往做得更好。大的、有波形标志的快捷按钮用以选择工作模式与相应界面,只要点击它就可随时在单轨编辑与多轨编辑两种方式之间转换。所谓单轨并非指单一信道,而是指以一个独立的工作轨道,它可以是“全轨单声道”或“全轨双声道”式的(多轨编辑器中的任一轨道也如此)。通常情况下,音频文件的建立与加工都可在单轨编辑界面中完成,多轨编辑器则更适于复杂的混合编辑和分期同步录音等工序。建立文件:按动工具栏中的新建按钮,就开始建立一个新文件。CoolEditPro可建立和处理多种格式的音频文件,其默认的文件存取格式为X.Wav,也可作其它格式的选择。CoolEditPro可调入Windows下以任何方式建立的波形文件进行加工处理,也可自行录入新文件。技术编辑选定:需要对音频文件作局部改动或加工前都需要进行段落选定,否则程序将默认为显示区域内的所有内容。按住鼠标左键往两边任意拖动都可作选定,然后点按空格键就可听到选定区域内的内容(空格键为默认放音/停止键),需要精确选定时可先选定大致区域,然后点击波形缩放钮将选定区域充满整个波形界面,再反复地精细调整选定和听证,还可分别放大选区起始点和终止点以精确定位。当反复放大至波形显示为由一串小方块连接的曲线时,其定位精度误差仅为千分之一秒,其波形放大图如图4所示。CoolEditPro亦可作时值或节拍分析后供段落定位选择,甚至可以直接在右下方的时值框内自由键入同样精确到千分之一秒的选区起止时间。剪切:若需要去掉音频文件中的某一段,先选择好需要去掉的内容段落,然后剪切。有两种剪切方式:一是直接按键盘上的Delete键,二是用鼠标按下工具栏中的剪刀标志快捷键。所不同的是,后者去掉的内容会先被复制保留,可用于再粘贴,即可用这种方式将段落换位;而前者去掉的内容虽可还原,但因为没有被复制而不能用于粘贴。当去掉所选内容后,前后的剩余部分则会自动连接而不会产生空白,但若仅需要将欲去掉部分变为空白时,则不用剪切,直接按工具栏中用一条直线标志的静音键即可。复制:选定复制内容后,可直接按工具栏中的复制键,若采用Windows的默认方式:Ctrl+C。若没有作选择而进行复制,则复制内容会被默认为显示框内的全部内容。粘贴:其方法有两种,一是插入方式,二是混合方式。插入方式会根据游标位置将粘贴内容“挤”进去,原游标两端的内容便一分为二分别连接在粘贴内容的前后两边。混合方式是以游标为起点,将粘贴内容与原有内容重叠混合在一起,其混入比例可调,此时会先出现一个对话框,在对话框中将粘贴方式选取为插入,然后调节比例(小于100%即为缩小)。调整波形幅度:若只需要整体提升或降低幅度(音量),可直接按工具栏中的扩大键,根据需要调节处理或对选区内容幅度自由修整,需按工具栏中的线性扩大键,可在对话框中选取适合的预置模式或自定义调节,则幅度曲线一目了然。CoolEditPro以全数字技术为人们提供了十分优越的音频编辑手段,具有良好的实用性。3实验过程3.1测量空气中的声速（1）首先将2个驻极体麦克风插入已经焊接好的电路中，打开声音分析软件Cooleditpro,再将线性输入插头插入电脑的MIC插孔，注意最好用台式电脑。为了插入线性输入插头方便，将桌面上的麦克风输入选项设置为前输入。（2）选择一个比较安静、空旷的地方，用两个凳子分别用胶带固定两个麦克风或者将两个麦克风固定在一个长木板上，最好保证两个麦克风的话筒竖直向上。（3）把两个麦克风固定在一条直线上，使两个麦克风之间有一定的距离。（4）把闹钟和两个麦克风放在一条直线上，距离第一个麦克风20cm左右。注意：在这里选用闹钟或者是其他能发出清脆响声的物体均可，我选择的方法是敲铁盒，击掌的方法误差较大，因为不能保证声源位置的稳定。因为声音音调高，频率高，便于找到相同峰值，使实验准确。（5）打开声音分析软件Cooleditpro的单轨编辑界面调试下麦克风音量，建议最大。（6）保持室内的安静，在打开闹钟开关或者敲铁盒的同时，打开声音分析软件开始录音，你会很明显的看到两个波形出现在两个独立的声道栏里，敲击多次，选择一组相对较好的波形，停止发声并关闭录音，连续放大观察波形直到可以清晰的读出时间，见图1、图2、图3、图4。开始时分辨率会很低，选中首次的波峰位置开始放大时间轴线直到可以很明显的读出时间，记录实验数据。（7）改变两个麦克风之间的距离，重复（3）（6）过程。3.2测量固体中的声速（1）同3.1中的（1）步。（2）选择一个比较安静、空旷的地方，用两个凳子分别用胶带固定两个麦克风或者将两个麦克风固定在一个长木板上，最好保证两个麦克风的话筒紧贴在木板上，将声源固定在木板一端。（3）把两个麦克风及声源固定在一条直线上，使两个麦克风之间有一定的距离。（4）打开声音分析软件Cooleditpro的单轨编辑界面调试下麦克风音量，建议最大。（5）开始录音并观察波形，记录实验数据。4实验数据处理及结论4.1空气中的数据处理及结论计算机软件就能把记录的信号反映在计算机显示器上，从而测算出延迟时间，再由公式测出声速：，其中△t是延迟时间:：在本次实验中，采样率为44100Hz。时间可由软件Cooleditpro直接读出。时间间隔为=2.94888-2.94861=0.00027再由公式==0.092/0.00027,近似等于340.7。以此类推可得测量声速实验数据如表4-1、4-2：次数始/()末/()△t/（）d/()V()12.948612.948880.000279.2340.722.842622.843110.0004916.6338.831.759941.760690.0007525.5340.044.550154.551190.0010435.5341.3510.5767210.578060.0013445.5339.6618.2660118.267680.0016756.5338.375.602325.604250.0019365.5339.4812.1613112.163620.0023178.8341.14-1空气中声速的测量4-2空气中声速的折线图速度的平均值为339.9m/s。这套设备还可以做有关于测时间延迟的很多实验。也可以用它来做一些放大声音的设备，用来对一些低频信号进行放大。更可以改变成单声道输入直接进行录音功能。许多力学实验能够被他们产生的声音来记时，例如踢足球的实验【9】。在这种情况下直接录音可提供精确的时间间隔的测量，而且方便简单。4.2固体中的数据处理及结论固体中（木板）实验数据的处理所用的公式与空气中的数据处理是一样的，只不过采样率变为22050Hz,处理后的数据如表4-3:次数始/（）末/（）△t（）d/()V()14.550154.550590.00044451022.7321.759941.760370.00043451046.5135.602325.603180.00086951104.6542.842622.843530.00091951043.96表4-3固体中声速的测量速度的平均值为1054.46m/s。5误差分析5.1空气中的误差分析根据,，，因为的测量误差是0.1—1，的测量距离是78.5，所以最大误差是0.012738853。的绝对测量精度是1/44100,的测量时间约是1/340米每秒，所以测量误差大约0.008。相对误差大约是0.020,所以声音的测量误差是340*（1±2.8%）.声速测的精确程度其实就是公式描述的两个量决定的。即测量精度决定于一个是的测量，一个是的测量。声音在空气中的速度大约是340。如果在1米的量级，测量时间大概就在0.001的量级。声卡的精度可以达到1/44100秒采集一个数据，所以很准确，那么，造成误差的就是距离，这是一个很不好控制的量，因为麦克风本身有一定的体积，不知什么地点最好，在本实验中，我们取头部。第二点，直尺本身的精度不是很高，最小分度值为1，最大误差为0.001，这看似很小但实际误差很大，因为测得的时间太短。比如9.2第一组，时间是0.00027，那么，0.001转化速度为：0.001/0.00027=3.704m/s，把误差放大了100多倍。于是这是造成本次实验误差的重要原因。第三点，在截取采样点时，对应点选取不准确也是造成误差的主要原因。第四点，很难把两个麦克风和声源放在同一条直线上。而，本实验在计算时是按照在一条直线上进行计算的，所以必不可免，要产生误差。当然，原理上只要对距离和间隔时间的多次测量便可以很精确地对声速进行测量了。5.2固体中的误差分析固体中精度的计算方法与空气中的精度计算方法相同，这里不再赘述。根据上述方法计算的结果误差会比较大，因为在选取峰值时，噪声干扰比较大，麦克风接收到的信号既有木板的又有空气的，即使降低采样率，峰值也不会像空气中的那么明显，但经过对声音的降噪处理还是可以粗略的测出声音在木板中的速度的。6结论我们已经实现了一种用价廉的器材测量声音的速度的方法，使用计算机立体声声卡这套器材，再加上对原有实验及理论的改进，可以快速测量空气中及固体中的速度。本实验的不足之处就是在水中进行实验时，由于声源选用的是闹铃，声源声音过大，再加上水的传声性能好、水波干扰较大，以及测量空间有限，还有就是将麦克风放入水中之前，包上一层塑料薄膜后，不能保证里面空气全部排出，导致噪声过大，将波形放大后无法准确的找到波峰进而计算时间差，今后我会针对这些问题继续探索利用声卡测量水中声速的问题。参考文献[1]马明建，周长城.数据采集与处理技术[M].西安交通