基于LabVIEW的聲音信號采集分析系統

冀胡東+金濤

摘要：聲音信號在工業生產和日常生活中非常常見，穩定性和實時性好，聲音信號的檢測與處理對工業、軍事等領域具有重要意義。因此，設計了一套聲音信號采集與分析系統，以圖形化編程語言LabVIEW作為軟件設計平臺，使用PC機攜帶的聲卡為硬件，構建的系統能夠完成聲音信號的采集、存儲以及調用歷史數據等功能。根據檢測到的聲音進行信號濾波前后的時域和頻域分析，對比效果明顯。實踐證明，該系統穩定可靠、性價比高，使用簡單且易操作，能夠滿足聲音信號的采集和分析要求。

關鍵詞：LabVIEW；聲卡；聲音采集分析

DOIDOI：10.11907/rjdk.172231

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：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

由于聲音信號實時、準確、穩定，且在各種信號領域比較常見，所以對現場聲音信號的檢測具有獨特優勢[1]。LabVIEW是由美國國家儀器公司研制出來的一種程序開發環境，采用圖形化編輯語言，具有直觀、使用方便等優點。它能夠提供大量工具與函數用于數據采集、分析、顯示與存儲，因而在測試、測量和自動化等領域占有重要地位[2]。綜合集成了計算機、通訊、自動識別、機電控制和安全管理系統等相關技術的聲音信號采集分析系統在現實生活中應用廣泛，它能為現場預測提供準確的數據分析，在居民生活、防災減災、故障檢測、軍事工業等重要領域取得了良好效果[3]。

1聲卡工作原理及性能指標

聲音具有頻率、相位、振幅等特性，可連續變化。它是多媒體技術中最基本的組成部分，是實現聲波數字信號與模擬信號相互轉換的一種硬件。主機通過總線將光盤、話筒產生的信號送入D/A轉換器加以轉換，聲音經過放大后送入揚聲器或耳機，也可以將光盤或話筒產生的聲音信號通過A/D轉換為數字信號后，送到主機中進行處理，其工作原理如圖1所示。

衡量聲卡的技術指標包括采樣位數、復音數量、采樣頻率、聲道數、信噪比（SNR）和總諧波失真（THD）等。采樣位數也指量化精度，即模擬信號轉化為數字信號的二進制位數，位數越高，音質越好。復音數量表示聲卡能夠同時發出多少種聲音，比如32、64種等。復音數量越多，播放的聲音越細膩。采樣頻率是指每秒鐘能采集的聲音樣本數量，其值越大，所得結果越精確，但是需要的存儲空間也越大[4]。

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

2系統軟件設計

LabVIEW的程序設計通常分為前面板設計與功能面板設計兩部分，前者的設計不僅要滿足使用需求，還強調了布局合理、界面美觀、操作方便的重要性；后者設計要求邏輯嚴謹，能實現所需功能。

2.1前面板設計

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參數，如設備ID、采樣數、采樣時間、頻道、數據位數等。前面板中含有時域和頻域產生的波形，是聲卡采集到的聲音信號。

2.2功能面板設計

功能面板設計主要包括參數設置、聲音信號采集、存儲與音頻回放4部分，工作流程如圖2所示。

2.2.1參數設置

聲音信號采集之前需進行參數設置，主要包括設備ID、采樣時間、采樣率、數據位數和頻道5部分。

2.2.2聲音信號采集存儲

系統的聲音采集功能由計算機中配置的聲卡完成，因此不需要再添加其它配件即能完成采集功能。聲音信號的采集是由預先設置好的采樣位數、采樣數量、采樣頻率完成的。因為聲卡在開始部分對外部信號的采樣會產生幾十個不太穩定的數據，所以在沒有特殊要求的情況下可忽略這部分數據[6]。聲音錄入系統后，或多或少存在噪聲，所以必須對采集到的聲音進行濾波。因為聲音頻率存在于一定范圍內，利用該特點可以通過帶通濾波器過濾掉雜音。系統將采集到的聲音信號的頻域和時域波形圖顯示在系統前面板上，并對這些信號進行存儲。采集數據儲存前要給其設立文件名和存儲路徑，再將數據發送到緩存，然后將來自波形或波形數組的數據寫入文件，從而實現聲音信號的采集，最后將其保存。聲音信號采集框圖如圖3所示。endprint

2.2.3音頻回放

聲音信號回放框圖如圖4所示，當該系統功能切換到音頻回放時，其它按鈕自動變為關閉狀態，以防其它按鈕干擾。此時，系統主要完成已存儲聲音信號的讀取、顯示與分析。

3聲音信號時頻分析

對于時域信號的處理方法可以分為時域分析和頻域分析，前者是直接在時間域中對系統進行分析，因此具有直觀、準確的優點，并且可以提供系統時間相應的全部信息，后者研究通常伴隨傅里葉變換。

3.1聲音信號時域分析

從一個信號得到傅里葉變換，需要取無限長的時間量。由于在需要的那一段時間內無法給出傅里葉變換，因此需要使用窗口傅里葉變換，以解決局部性問題[7]。時域分析能夠有效提高信噪比，其使用到的短時傅里葉變換原理，通過不同時刻的功率譜得到非平穩信號的功率譜和時間的關系。短時傅里葉變換又通過加窗傅里葉變換方法將很長時間的信號分割成所需的那一段時間間隔。對于時間信號，該窗口傅里葉變換可以是：

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

3.2聲音信號頻域分析

聲音信號的頻域分析需要經過傅里葉變換，即從時域信號變為頻域信號。聲學測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的聲音信號通過，在LabVIEW功能面板里可以調用高于或低于某一特定頻率范圍信號的帶通濾波器。“譜”是指信號的某些特征在頻域上隨功率的分布關系，功率譜估計是指基于有限的數據尋找信號、隨機過程或系統的頻率成分，表示隨機信號頻率的統計特性。由于隨機信號不滿足絕對可積的條件，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，聲音信號通過帶通濾波后，再經過快速傅里葉變換生成功率譜，從而得到聲音信號的頻域曲線。

3.3聲音信號時域與頻域曲線分析

聲音信號具有兩個特點，一是具有短時性，即在一整段時間里，聲音信號總體比較平穩，而在一段較短時間內，聲音信號變化明顯；二是頻率范圍一般在300～3 400Hz之間。這為聲音信號的時頻域分析提供了依據[10]。

如圖5所示，使用該系統進行實驗，在聲卡面前播放一段錄音，前面板會產生相應的時域和頻域波形。由圖5濾波前后聲音信號的時頻域曲線對比可知，對聲音信號進行濾波，效果更好。

4結語

該系統采用LabVIEW為開發平臺，圖形化的編程界面使得系統操作簡便、程序簡單易懂；PC機的聲卡是性能較好的數據采集設備，用其作為硬件進行聲音采集；最后借助LabVIEW進行聲音信號的時域和頻域分析處理，實現了整個信號的采集過程[11]。實驗結果表明，該聲音采集分析系統十分簡易、成本低廉、性能穩定可靠。

參考文獻：

[1]曾錚.基于DSP和USB的聲音信號采集系統設計[D].北京：北方工業大學，2006.

[2]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.

[3]張淑儀.聲學在現代科學技術中的作用[J].科學中國人，1997（11）：39-44.

[4]周愛軍，馬海瑞.基于聲卡的LabVIEW數據采集與分析系統設計[J].微計算機信息，2004，21（9S）：108-110.

[5]李志堅，胡金輝，陳小剛.船載雷達角度零值動態標定方法研究[J].電子測量技術，2013，36（1）：26-28.

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[7]張彩霞.基于LabVIEW的母羊聲音信號處理與識別系統研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2014.

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

[9]杜虎，黎向鋒，左敦穩.基于虛擬儀器的機床聲音信號在線監測系統開發[D].南京：南京航空航天大學，2005.

[10]宋楊潔.基于LabVIEW與MATLAB的語音信號的采集與分析[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[11]孫愛晶，劉毓，馬賀洲.基于LabVIEW的聲卡數據采集及濾波處理設計[J].計算機應用，2009，24（5）：45-47.

（責任編輯：黃健）endprint