基于LabVIEW的聲音信號(hào)采集分析系統(tǒng)

冀胡東+金濤

摘要：聲音信號(hào)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中非常常見(jiàn)，穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性好，聲音信號(hào)的檢測(cè)與處理對(duì)工業(yè)、軍事等領(lǐng)域具有重要意義。因此，設(shè)計(jì)了一套聲音信號(hào)采集與分析系統(tǒng)，以圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW作為軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，使用PC機(jī)攜帶的聲卡為硬件，構(gòu)建的系統(tǒng)能夠完成聲音信號(hào)的采集、存儲(chǔ)以及調(diào)用歷史數(shù)據(jù)等功能。根據(jù)檢測(cè)到的聲音進(jìn)行信號(hào)濾波前后的時(shí)域和頻域分析，對(duì)比效果明顯。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、性?xún)r(jià)比高，使用簡(jiǎn)單且易操作，能夠滿(mǎn)足聲音信號(hào)的采集和分析要求。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；聲卡；聲音采集分析

DOIDOI：10.11907/rjdk.172231

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：1672-7800（2018）001-0162-03

Abstract：Sound signals are very common in industrial production and daily life. The stability and real-time performance are great. The detection and treatment of sound signals are significant to industrial and military fields. Therefore， a system called sound signal acquisition and analysis is designed. The graphical programming language LabVIEW is used as the software design platform. The sound card is used as the hardware. The system can realize the acquisition， storage and playback of historical data. According to the detected sound of the signal before，the time-frequency comparison and analysis is finished and the effect is obvious. Practice has proved that the system is stable， reliable， cheap， easy to use，operate and can meet the sound signal acquisition and analysis requirements.

Key Words：LabVIEW； sound card； sound collection and analysis

0引言

由于聲音信號(hào)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定，且在各種信號(hào)領(lǐng)域比較常見(jiàn)，所以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)聲音信號(hào)的檢測(cè)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1]。LabVIEW是由美國(guó)國(guó)家儀器公司研制出來(lái)的一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用圖形化編輯語(yǔ)言，具有直觀、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。它能夠提供大量工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲(chǔ)，因而在測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化等領(lǐng)域占有重要地位[2]。綜合集成了計(jì)算機(jī)、通訊、自動(dòng)識(shí)別、機(jī)電控制和安全管理系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)的聲音信號(hào)采集分析系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用廣泛，它能為現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析，在居民生活、防災(zāi)減災(zāi)、故障檢測(cè)、軍事工業(yè)等重要領(lǐng)域取得了良好效果[3]。

1聲卡工作原理及性能指標(biāo)

聲音具有頻率、相位、振幅等特性，可連續(xù)變化。它是多媒體技術(shù)中最基本的組成部分，是實(shí)現(xiàn)聲波數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的一種硬件。主機(jī)通過(guò)總線將光盤(pán)、話筒產(chǎn)生的信號(hào)送入D/A轉(zhuǎn)換器加以轉(zhuǎn)換，聲音經(jīng)過(guò)放大后送入揚(yáng)聲器或耳機(jī)，也可以將光盤(pán)或話筒產(chǎn)生的聲音信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，送到主機(jī)中進(jìn)行處理，其工作原理如圖1所示。

衡量聲卡的技術(shù)指標(biāo)包括采樣位數(shù)、復(fù)音數(shù)量、采樣頻率、聲道數(shù)、信噪比（SNR）和總諧波失真（THD）等。采樣位數(shù)也指量化精度，即模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)，位數(shù)越高，音質(zhì)越好。復(fù)音數(shù)量表示聲卡能夠同時(shí)發(fā)出多少種聲音，比如32、64種等。復(fù)音數(shù)量越多，播放的聲音越細(xì)膩。采樣頻率是指每秒鐘能采集的聲音樣本數(shù)量，其值越大，所得結(jié)果越精確，但是需要的存儲(chǔ)空間也越大[4]。

目前PC機(jī)上攜帶的聲卡采樣頻率高達(dá)96kHz，采樣位數(shù)最高為32位，可根據(jù)需求更新或升級(jí)為多聲道聲卡。每路聲道的輸出頻率可達(dá)22.05kHz，輸出的信噪比最高為96dB的16位數(shù)字音頻信號(hào)[5]。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW的程序設(shè)計(jì)通常分為前面板設(shè)計(jì)與功能面板設(shè)計(jì)兩部分，前者的設(shè)計(jì)不僅要滿(mǎn)足使用需求，還強(qiáng)調(diào)了布局合理、界面美觀、操作方便的重要性；后者設(shè)計(jì)要求邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，能實(shí)現(xiàn)所需功能。

2.1前面板設(shè)計(jì)

本面板可用LabVIEW自帶的Sound Input Configure子模塊配置聲卡采樣所需的各個(gè)參數(shù)，如設(shè)備ID、采樣數(shù)、采樣時(shí)間、頻道、數(shù)據(jù)位數(shù)等。前面板中含有時(shí)域和頻域產(chǎn)生的波形，是聲卡采集到的聲音信號(hào)。

2.2功能面板設(shè)計(jì)

功能面板設(shè)計(jì)主要包括參數(shù)設(shè)置、聲音信號(hào)采集、存儲(chǔ)與音頻回放4部分，工作流程如圖2所示。

2.2.1參數(shù)設(shè)置

聲音信號(hào)采集之前需進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，主要包括設(shè)備ID、采樣時(shí)間、采樣率、數(shù)據(jù)位數(shù)和頻道5部分。

2.2.2聲音信號(hào)采集存儲(chǔ)

系統(tǒng)的聲音采集功能由計(jì)算機(jī)中配置的聲卡完成，因此不需要再添加其它配件即能完成采集功能。聲音信號(hào)的采集是由預(yù)先設(shè)置好的采樣位數(shù)、采樣數(shù)量、采樣頻率完成的。因?yàn)槁暱ㄔ陂_(kāi)始部分對(duì)外部信號(hào)的采樣會(huì)產(chǎn)生幾十個(gè)不太穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，所以在沒(méi)有特殊要求的情況下可忽略這部分?jǐn)?shù)據(jù)[6]。聲音錄入系統(tǒng)后，或多或少存在噪聲，所以必須對(duì)采集到的聲音進(jìn)行濾波。因?yàn)槁曇纛l率存在于一定范圍內(nèi)，利用該特點(diǎn)可以通過(guò)帶通濾波器過(guò)濾掉雜音。系統(tǒng)將采集到的聲音信號(hào)的頻域和時(shí)域波形圖顯示在系統(tǒng)前面板上，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。采集數(shù)據(jù)儲(chǔ)存前要給其設(shè)立文件名和存儲(chǔ)路徑，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到緩存，然后將來(lái)自波形或波形數(shù)組的數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件，從而實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)的采集，最后將其保存。聲音信號(hào)采集框圖如圖3所示。endprint

2.2.3音頻回放

聲音信號(hào)回放框圖如圖4所示，當(dāng)該系統(tǒng)功能切換到音頻回放時(shí)，其它按鈕自動(dòng)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)，以防其它按鈕干擾。此時(shí)，系統(tǒng)主要完成已存儲(chǔ)聲音信號(hào)的讀取、顯示與分析。

3聲音信號(hào)時(shí)頻分析

對(duì)于時(shí)域信號(hào)的處理方法可以分為時(shí)域分析和頻域分析，前者是直接在時(shí)間域中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，因此具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，并且可以提供系統(tǒng)時(shí)間相應(yīng)的全部信息，后者研究通常伴隨傅里葉變換。

3.1聲音信號(hào)時(shí)域分析

從一個(gè)信號(hào)得到傅里葉變換，需要取無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間量。由于在需要的那一段時(shí)間內(nèi)無(wú)法給出傅里葉變換，因此需要使用窗口傅里葉變換，以解決局部性問(wèn)題[7]。時(shí)域分析能夠有效提高信噪比，其使用到的短時(shí)傅里葉變換原理，通過(guò)不同時(shí)刻的功率譜得到非平穩(wěn)信號(hào)的功率譜和時(shí)間的關(guān)系。短時(shí)傅里葉變換又通過(guò)加窗傅里葉變換方法將很長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)分割成所需的那一段時(shí)間間隔。對(duì)于時(shí)間信號(hào)，該窗口傅里葉變換可以是：

改變程序中的初始時(shí)間及間隔，可以分析需要的信號(hào)。改變值使窗沿時(shí)間軸移動(dòng)，逐段分析時(shí)間信號(hào)f（t），可對(duì)f（t）任何時(shí)間段進(jìn)行局部化分析[8]。

3.2聲音信號(hào)頻域分析

聲音信號(hào)的頻域分析需要經(jīng)過(guò)傅里葉變換，即從時(shí)域信號(hào)變?yōu)轭l域信號(hào)。聲學(xué)測(cè)量研究中通常使用帶通濾波器，帶通濾波器可以允許一定頻率范圍內(nèi)的聲音信號(hào)通過(guò)，在LabVIEW功能面板里可以調(diào)用高于或低于某一特定頻率范圍信號(hào)的帶通濾波器?！白V”是指信號(hào)的某些特征在頻域上隨功率的分布關(guān)系，功率譜估計(jì)是指基于有限的數(shù)據(jù)尋找信號(hào)、隨機(jī)過(guò)程或系統(tǒng)的頻率成分，表示隨機(jī)信號(hào)頻率的統(tǒng)計(jì)特性。由于隨機(jī)信號(hào)不滿(mǎn)足絕對(duì)可積的條件，所以其傅立葉變換不存在。因此，需要研究其在頻域上的功率分布情況，即功率譜[9]。如圖3所示，聲音信號(hào)通過(guò)帶通濾波后，再經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換生成功率譜，從而得到聲音信號(hào)的頻域曲線。

3.3聲音信號(hào)時(shí)域與頻域曲線分析

聲音信號(hào)具有兩個(gè)特點(diǎn)，一是具有短時(shí)性，即在一整段時(shí)間里，聲音信號(hào)總體比較平穩(wěn)，而在一段較短時(shí)間內(nèi)，聲音信號(hào)變化明顯；二是頻率范圍一般在300～3 400Hz之間。這為聲音信號(hào)的時(shí)頻域分析提供了依據(jù)[10]。

如圖5所示，使用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在聲卡面前播放一段錄音，前面板會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)域和頻域波形。由圖5濾波前后聲音信號(hào)的時(shí)頻域曲線對(duì)比可知，對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行濾波，效果更好。

4結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)采用LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，圖形化的編程界面使得系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、程序簡(jiǎn)單易懂；PC機(jī)的聲卡是性能較好的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用其作為硬件進(jìn)行聲音采集；最后借助LabVIEW進(jìn)行聲音信號(hào)的時(shí)域和頻域分析處理，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)信號(hào)的采集過(guò)程[11]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該聲音采集分析系統(tǒng)十分簡(jiǎn)易、成本低廉、性能穩(wěn)定可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾錚.基于DSP和USB的聲音信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2006.

[2]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[3]張淑儀.聲學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的作用[J].科學(xué)中國(guó)人，1997（11）：39-44.

[4]周愛(ài)軍，馬海瑞.基于聲卡的LabVIEW數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2004，21（9S）：108-110.

[5]李志堅(jiān)，胡金輝，陳小剛.船載雷達(dá)角度零值動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2013，36（1）：26-28.

[6]李紅巖，毛征，袁建建.一種基于算法融合的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2013，32（12）：36-40.

[7]張彩霞.基于LabVIEW的母羊聲音信號(hào)處理與識(shí)別系統(tǒng)研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[8]張建國(guó)，孫曉東，張禮勇.基于時(shí)頻分析的信號(hào)特征提取方法研究[J].電測(cè)與儀表，2005（6）：6-9.

[9]杜虎，黎向鋒，左敦穩(wěn).基于虛擬儀器的機(jī)床聲音信號(hào)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2005.

[10]宋楊潔.基于LabVIEW與MATLAB的語(yǔ)音信號(hào)的采集與分析[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[11]孫愛(ài)晶，劉毓，馬賀洲.基于LabVIEW的聲卡數(shù)據(jù)采集及濾波處理設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，24（5）：45-47.

（責(zé)任編輯：黃?。〆ndprint