翟繼濤　雷洪

摘要：介紹了兩種采集音頻信號的方法，一種是基于聲卡和Matlab的音頻信號數據采集系統(tǒng)，該方法具有價格低廉，簡單易行的優(yōu)點；另一種是專業(yè)音頻信號數據采集系統(tǒng)。實驗結果表明，基于聲卡和Matlab的音頻信號采集系統(tǒng)精度低，可靠性差；小型風機噪聲信號的主要頻率段是100～200Hz，電視節(jié)目音頻信號的主要頻率段是300～700Hz。

關鍵詞：音頻信號；聲卡；MATLAB；數據采集；傅里葉變換

中圖分類號：TP37 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）17-4134-03

Analysis and Evaluation for the Audio Data Acquisition System Based on Matlab

ZHAI Ji-tao， LEI Hong

（Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials， Ministry of Education， Northeastern University， Shenyang 110004， China）

Abstract： There are two system to get audio signal data in this paper. One is based on the soundcard and Matlab. This is an easy， cheap and simple system. Another is the professional audio signal data acquisition system. The experimental data shows that， The soundcard and Matlab system is a low-precision and poor-stability system. The main frequency band of noise signal of the small fan is 100 ～ 200Hz， the main frequency band of audio signal of the TV program is 300 ～ 700Hz.

Key words： audio signal； soundcard； Matlab； data acquisition； Fourier transform

1 概述

音頻數據的采集與分析對于噪聲信號的研究十分重要，而音頻數據的采集是噪聲信號分析的基礎，它的準確性直接決定了噪聲研究的可靠性。

基于Matlab的音頻數據采集系統(tǒng)[1，2]（麥克風，計算機聲卡和Matlab的結合）能夠廉價、方便地實現對聲音信號的采集和分析，但是此種方法的準確性卻未曾得到評價。因此，該文利用高精度的傳聲器、專業(yè)數據采集器和商業(yè)軟件與基于Matlab的音頻數據采集系統(tǒng)對相同音頻信號進行同時同地采集，然后將各自分析處理得到的聲音數據進行對比，找出基于Matlab的音頻信號采集系統(tǒng)與專業(yè)音頻信號采集系統(tǒng)之間的差異，并分析了常見音頻信號的頻譜特征。

2 聲音信號采集和分析

2.1 基于MATLAB軟件的聲音采集系統(tǒng)

MATLAB軟件的數據采集工具箱能夠完成音頻信號的數據實時采集。首先，麥克風對外部環(huán)境的聲音信號進行采集并轉換為電壓的模擬信號，然后，將模擬信號通過聲卡的A/D轉換功能將其轉換為數字信號，最后，應用Matlab軟件對采集得到的數字信號進行分析處理，得到時間-聲壓數據[2]，如圖1所示。本實驗中，用基于計算機聲卡和外接麥克風的硬件環(huán)境，在WINDOWS 7操作系統(tǒng)下利用Matlab 7軟件開展實驗，設定采樣頻率為44100Hz，采樣時間為10s，實現聲音采集的Matlab程序見參考文獻[1，3]。

2.2 專業(yè)聲音采集系統(tǒng)

專業(yè)聲音采集系統(tǒng)主要由北京聲望聲電技術有限公司生產的MP201型傳聲器，MA231型前置放大器，MC3022型二進二出數據采集器和VA-Lab測試系統(tǒng)軟件組成。在本實驗中，采用計算機Window7操作系統(tǒng)，設定采樣頻率為44100Hz，采樣時間為10s，利用圖2所示的單通道錄音分析界面，得到時間-聲壓的數據。

2.3 數據后處理分析

基于以上兩種方法得到的時間-聲壓數據，導入到FORTRAN程序對其進行傅里葉變換[4]，從而最終獲得頻率-幅值曲線。傅里葉變換的一般性數學描述如下表示 ：

[yt=A02+n=1∞Ancosnωt+Bnsinnωt=P0+n=1∞Pnsin（nωt+?n）] （1）

式中：[P0=A02]是周期函數的直流分量；

[Pn=A2n+B2n]是各次諧波分量的振幅；

[ω]是角頻率；

[?n=-tan-1BnAn] 是各次諧波分量的初相位；

3 結果與討論

圖3是針對小型風機采集的噪聲數據的時域圖和相應的頻域圖。圖3（a）表明采用Matlab和專業(yè)軟件VA-Lab所采集的10秒時域圖存在明顯差異。當聲壓超過1Pa時，Matlab數據采集系統(tǒng)就失真，只能記錄為1Pa，而VA-Lab數據采集系統(tǒng)無此限制；對于相同音頻信號，Matlab系統(tǒng)采集的數據失真嚴重，表現形式為時域圖較VA-Lab的時域圖稀疏。

圖3（b）表明Matlab頻域圖與VA-Lab頻域圖同樣存在明顯差異。相同之處是上下兩圖在接近0Hz處，幅值都先急劇增大，然后快速降低，在大于10kHz的高頻段，其幅值都低于0.0015Pa。差異之處是采用Matlab得到的頻域圖，主要頻率段為0～200Hz，4000～7000Hz，8000～10000Hz，第一峰值坐標為（4，0.02899），第二峰值坐標為（5614，0.00949），第三峰值坐標為（8831，0.00423）；而采用VA-Lab得到的頻域圖，主要頻率段為0～100Hz，100～200Hz，600～1000Hz，第一峰值坐標為（154，0.03959），第二峰值坐標為（13，0.02288），第三峰值坐標為（805，0.01447）。經對比發(fā)現，兩圖的峰值都是隨著橫坐標的增大而減?。坏欠逯邓诘念l率范圍卻存在巨大差異。說明基于MATLAB的音頻信號采集系統(tǒng)可靠性低，精確度差。endprint

對于以上對比出現的情況，分析Matlab音頻采集系統(tǒng)可靠性低可能的原因如下：

1）麥克風的信號噪聲比低，而且麥克風和測聲的專業(yè)傳聲器相比，頻率響應范圍小，瞬時響應特性慢，靈敏度不一樣，麥克風也沒有進行校準標定，不適用于計量，所以導致兩者信號處理偏差很大。

2）聲卡相比于數據采集器來說，畢竟不是專門用來分析數據的，而且聲卡的背景噪音比數據采集器大，所以存在誤差。

圖4是對電視節(jié)目聲音信號進行的頻域分析，通過Matlab的頻域圖可以看出信號的主要頻率段0～20Hz，3200～3400Hz，第一峰值坐標為（6，0.01375），第二峰值坐標為（3321，0.0005），通過VA-Lab的頻域圖可以看出信號的主要頻率段0～20Hz，300～700Hz，第一峰值坐標為（6，0.02209），第二峰值坐標為（399，0.00771），因此上下兩圖對比得知，采用VA-Lab與采用Matlab的頻域圖的第一峰值的幅值相差1.6倍，第二峰值的幅值相差15.4倍，并且所在的頻率范圍不一樣，這也說明了基于MATLAB的音頻信號采集系統(tǒng)可靠性低，精確度差。

由于人耳能感知的聲音頻率范圍為20～20kHz[5]，在頻率小于20Hz 大于20kHz的數據可過濾掉，不予考慮，所以只需考慮20～20kHz范圍，圖3（b）和圖4表明，電視節(jié)目的主要頻率范圍在300～700Hz，而小型風機的主要頻率范圍在100～200Hz。

4 結論

1）基于Matlab的音頻數據采集系統(tǒng)，對任何音頻信號采集得到的波形圖的最大聲壓都不超過1Pa。

2）基于Matlab的音頻數據采集系統(tǒng)，在進行對聲音信號的處理時，存在著較大的背景噪聲，獲得的時域和頻域曲線精確度低，可靠性差。

3）小型風機噪聲信號的主要頻率段在100～200Hz，聲壓的最大值為0.03959Pa；第二個主要頻率段在600～1000Hz，聲壓的最大值為0.01447Pa。

4）電視節(jié)目音頻信號的主要頻率段在300～700Hz，聲壓的最大值為0.00771Pa。

參考文獻：

[1] 周長敏，唐林海.基于聲卡和MATLAB的噪聲信號采集與分析[J].電腦知識與技術，2012（3）：684-686.

[2] 李亞微，郭敏.基于MATLAB的音頻數據采集系統(tǒng)[J].語音技術，2007（3）：57-58.

[3] 張平.MATLAB基礎與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[4] 徐士良.FORTRAN常用算法程序集[M].北京：清華大學出版社，1997.

[5] 張海瀾.理論聲學[M].北京：高等教育出版社，2012.endprint

對于以上對比出現的情況，分析Matlab音頻采集系統(tǒng)可靠性低可能的原因如下：

1）麥克風的信號噪聲比低，而且麥克風和測聲的專業(yè)傳聲器相比，頻率響應范圍小，瞬時響應特性慢，靈敏度不一樣，麥克風也沒有進行校準標定，不適用于計量，所以導致兩者信號處理偏差很大。

2）聲卡相比于數據采集器來說，畢竟不是專門用來分析數據的，而且聲卡的背景噪音比數據采集器大，所以存在誤差。

圖4是對電視節(jié)目聲音信號進行的頻域分析，通過Matlab的頻域圖可以看出信號的主要頻率段0～20Hz，3200～3400Hz，第一峰值坐標為（6，0.01375），第二峰值坐標為（3321，0.0005），通過VA-Lab的頻域圖可以看出信號的主要頻率段0～20Hz，300～700Hz，第一峰值坐標為（6，0.02209），第二峰值坐標為（399，0.00771），因此上下兩圖對比得知，采用VA-Lab與采用Matlab的頻域圖的第一峰值的幅值相差1.6倍，第二峰值的幅值相差15.4倍，并且所在的頻率范圍不一樣，這也說明了基于MATLAB的音頻信號采集系統(tǒng)可靠性低，精確度差。

由于人耳能感知的聲音頻率范圍為20～20kHz[5]，在頻率小于20Hz 大于20kHz的數據可過濾掉，不予考慮，所以只需考慮20～20kHz范圍，圖3（b）和圖4表明，電視節(jié)目的主要頻率范圍在300～700Hz，而小型風機的主要頻率范圍在100～200Hz。

4 結論

1）基于Matlab的音頻數據采集系統(tǒng)，對任何音頻信號采集得到的波形圖的最大聲壓都不超過1Pa。

2）基于Matlab的音頻數據采集系統(tǒng)，在進行對聲音信號的處理時，存在著較大的背景噪聲，獲得的時域和頻域曲線精確度低，可靠性差。

3）小型風機噪聲信號的主要頻率段在100～200Hz，聲壓的最大值為0.03959Pa；第二個主要頻率段在600～1000Hz，聲壓的最大值為0.01447Pa。

4）電視節(jié)目音頻信號的主要頻率段在300～700Hz，聲壓的最大值為0.00771Pa。

參考文獻：

[1] 周長敏，唐林海.基于聲卡和MATLAB的噪聲信號采集與分析[J].電腦知識與技術，2012（3）：684-686.

[2] 李亞微，郭敏.基于MATLAB的音頻數據采集系統(tǒng)[J].語音技術，2007（3）：57-58.

[3] 張平.MATLAB基礎與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[4] 徐士良.FORTRAN常用算法程序集[M].北京：清華大學出版社，1997.

[5] 張海瀾.理論聲學[M].北京：高等教育出版社，2012.endprint

對于以上對比出現的情況，分析Matlab音頻采集系統(tǒng)可靠性低可能的原因如下：

1）麥克風的信號噪聲比低，而且麥克風和測聲的專業(yè)傳聲器相比，頻率響應范圍小，瞬時響應特性慢，靈敏度不一樣，麥克風也沒有進行校準標定，不適用于計量，所以導致兩者信號處理偏差很大。

2）聲卡相比于數據采集器來說，畢竟不是專門用來分析數據的，而且聲卡的背景噪音比數據采集器大，所以存在誤差。

圖4是對電視節(jié)目聲音信號進行的頻域分析，通過Matlab的頻域圖可以看出信號的主要頻率段0～20Hz，3200～3400Hz，第一峰值坐標為（6，0.01375），第二峰值坐標為（3321，0.0005），通過VA-Lab的頻域圖可以看出信號的主要頻率段0～20Hz，300～700Hz，第一峰值坐標為（6，0.02209），第二峰值坐標為（399，0.00771），因此上下兩圖對比得知，采用VA-Lab與采用Matlab的頻域圖的第一峰值的幅值相差1.6倍，第二峰值的幅值相差15.4倍，并且所在的頻率范圍不一樣，這也說明了基于MATLAB的音頻信號采集系統(tǒng)可靠性低，精確度差。

由于人耳能感知的聲音頻率范圍為20～20kHz[5]，在頻率小于20Hz 大于20kHz的數據可過濾掉，不予考慮，所以只需考慮20～20kHz范圍，圖3（b）和圖4表明，電視節(jié)目的主要頻率范圍在300～700Hz，而小型風機的主要頻率范圍在100～200Hz。

4 結論

1）基于Matlab的音頻數據采集系統(tǒng)，對任何音頻信號采集得到的波形圖的最大聲壓都不超過1Pa。

2）基于Matlab的音頻數據采集系統(tǒng)，在進行對聲音信號的處理時，存在著較大的背景噪聲，獲得的時域和頻域曲線精確度低，可靠性差。

3）小型風機噪聲信號的主要頻率段在100～200Hz，聲壓的最大值為0.03959Pa；第二個主要頻率段在600～1000Hz，聲壓的最大值為0.01447Pa。

4）電視節(jié)目音頻信號的主要頻率段在300～700Hz，聲壓的最大值為0.00771Pa。

參考文獻：

[1] 周長敏，唐林海.基于聲卡和MATLAB的噪聲信號采集與分析[J].電腦知識與技術，2012（3）：684-686.

[2] 李亞微，郭敏.基于MATLAB的音頻數據采集系統(tǒng)[J].語音技術，2007（3）：57-58.

[3] 張平.MATLAB基礎與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[4] 徐士良.FORTRAN常用算法程序集[M].北京：清華大學出版社，1997.

[5] 張海瀾.理論聲學[M].北京：高等教育出版社，2012.endprint