基于虚拟仪器的声音采集系统设计

基于虚拟仪器的声音采集系统设计内容摘要：

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。 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： ① 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 ：基于虚拟仪器的声音采集系统设计 2 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； ② 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。 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。 2020 届机械电子工程专业（论文） 3 第二章 声音的描述 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 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。 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。 为什么采用分贝 采用分贝作为计量单位具有以下优点 : ① 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。 ② 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。 ③ 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。 ④ 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。 ⑤ 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。 ：基于虚拟仪器的声音采集系统设计 4 声压 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。 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 2r ,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( I / 0I ).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(I / 0I )(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。 ． 声压级 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)( )(lg refp ep 在空气中参考声压取值一般为 10e5 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2020 届机械电子工程专业（论文） 5 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。 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。 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。 ① 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。 ② 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。 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。 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 ：基于虚拟仪器的声音采集系统设计 6 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。 2020 届机械电子工程专业（论文） 7 第三章 虚拟仪器、 labview 及声音采集简介 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。 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： ① 虚拟仪器具有开发与维护费用低的特点； ② 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； ③ 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； ④ 虚拟仪器具有技术更新周期短的特点，大约为 12 年； ⑸ 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。 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。 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 ：基于虚拟仪器的声音采集系统设计 8 构成，如图 31所 示。 图 31 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。 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。 声音采集介绍 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 、 、 48KHz 三个等级， 只能达到 FM广播的声音品质， 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。 声音采集的特点： ① 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。 数据采集与控制 信号分析处理 显示 被测信号 2020 届机械电子工程专业（论文） 9 ② 软件在声音采集系统中的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。 ③现从声音采集处理到控制的全部工作。 ④ 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。 ⑤ 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。 ：基于虚拟仪器的声音采集系统设计 10 第四章 基于 labview 的声音采集方案设计 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（。