張丹，王凱，李長(zhǎng)安，隋文濤

(1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東淄博，255000；2.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博，255000)

0 引言

信號(hào)處理綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是許多理工科高校電子信息專業(yè)本科乃至碩士人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)中極為重要的一環(huán)，通過(guò)該環(huán)節(jié)，不僅可以幫助學(xué)生理解專業(yè)理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力，而且從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，該環(huán)節(jié)將構(gòu)成學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的重要部分，是學(xué)生成為合格科技工作者和工程技術(shù)人員的必備因素。

盡管如此，為了適應(yīng)新工科建設(shè)的要求，開(kāi)發(fā)信號(hào)采集與分析一體化的創(chuàng)新綜合型實(shí)驗(yàn)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，是當(dāng)前電子信息類新工科建設(shè)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。為此，許多高校開(kāi)始著手建設(shè)電子信息創(chuàng)新性綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[1-3]，本文以近年來(lái)的研究科學(xué)熱點(diǎn)聲音信號(hào)處理為導(dǎo)向，研究出一套基于LabView控制的聲音信號(hào)處理系統(tǒng)[5]，以期對(duì)聲電類創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生些許推動(dòng)作用。

它以圖形化編輯軟件LabView為基礎(chǔ)，以個(gè)人計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，通過(guò)控制USB數(shù)據(jù)采集卡和聲音傳感器進(jìn)行聲音的采集，以及數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)來(lái)獲取信號(hào)時(shí)域數(shù)據(jù)。獲取信號(hào)時(shí)域數(shù)據(jù)后通過(guò)LabView面板的編程進(jìn)行傅立葉變換實(shí)現(xiàn)頻譜分析，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)時(shí)域與頻域的轉(zhuǎn)換并獲取轉(zhuǎn)換前后的波形。相比較傳統(tǒng)的聲音信號(hào)處理方法，該系統(tǒng)具有靈敏度高，處理數(shù)據(jù)量大，連接線路簡(jiǎn)單，分析效果直觀以及同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析的特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

為方便獲取聲音信號(hào)，以敲擊板材或人聲為例作為聲音信號(hào)來(lái)源。信號(hào)由物理聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，AD轉(zhuǎn)化后由labview虛擬儀器實(shí)現(xiàn)采集后波形的顯示和分析功能[7]。

聲音信號(hào)采集模式采用連續(xù)采集，線路連接根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡的不同相應(yīng)改變，比如NI-6009與傳感器連接時(shí)采用單端方式，而NI-9229則需采用差分方式。同時(shí)設(shè)置采樣率不超過(guò)所用采集卡的最大采樣率，NI-6009最大為48KS/s，NI-9229最大為50KS/s。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置采樣率為20k，既能快速采集聲音數(shù)據(jù)，又能保證其滿足采集卡采樣率。模數(shù)轉(zhuǎn)換后，利用LabView中的按鍵控制、圖表顯示等進(jìn)行編程，將聲音信號(hào)波形實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)，獲取其時(shí)域特征值：有峰值、均值、方差、峭度值等。傳感器抗干擾能力不同，加入低通濾波器觀察波形變化，200Hz的截止頻率能滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖1 系統(tǒng)信號(hào)轉(zhuǎn)換流程圖

頻域分析加漢寧窗設(shè)計(jì)有限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器。選擇窗函數(shù)時(shí)注意過(guò)渡帶寬和最小阻帶衰減，矩形、巴特利特、漢寧、哈明、布萊克曼窗隨著過(guò)渡帶寬的增大，最小阻值衰減減小[4]。本實(shí)驗(yàn)中選擇漢寧窗較為合適，窗的長(zhǎng)度N設(shè)置為13。

圖2 實(shí)驗(yàn)采集裝置

2 聲音信號(hào)采集及分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 聲音信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

連續(xù)采集時(shí)，可由5個(gè)底層VI組成電路：創(chuàng)建通道、采樣時(shí)鐘、開(kāi)始任務(wù)、數(shù)據(jù)讀取、結(jié)束任務(wù)，設(shè)置完成采樣通道如ai0、采樣電壓最大最小值、單端連接方式、采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)后通過(guò)控制while循環(huán)連續(xù)不斷采集。當(dāng)采集發(fā)生錯(cuò)誤或按下停止按鈕后，采集停止。

圖3 連續(xù)采集系統(tǒng)程序

除了用底層VI外，還可以利用數(shù)據(jù)采集助手進(jìn)行連續(xù)采集，同時(shí)進(jìn)行聲音信號(hào)的存儲(chǔ)，存儲(chǔ)為聲音文件，文件格式為.WAV。運(yùn)行程序，敲擊板材或發(fā)出人聲后采集，通過(guò)圖表用波形表達(dá)，同時(shí)將采集到的聲音存儲(chǔ)為聲音文件，用播放器播放聲音文件，起到一個(gè)錄音功能[8]。

圖4 采集并存儲(chǔ)為聲音文件

2.2 聲音信號(hào)分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

將采集到的聲音信號(hào)顯示出其時(shí)域波形后，獲取其時(shí)域特征值[6]，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)有工頻和噪聲的干擾，因傳感器本身有抗干擾模塊，工頻干擾可忽略。根據(jù)高頻噪聲的特點(diǎn)，如圖2.2加入模擬低通濾波器，具體濾波器設(shè)置如圖2.3所示。設(shè)置200Hz截止頻率可較完整得到波形，也可根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境及時(shí)更換設(shè)置[9]。

圖5 設(shè)置模擬低通濾波器

另外，時(shí)域獲得的信號(hào)波形衰減較快，用頻域分析來(lái)彌補(bǔ)其不足。用傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，利用窗函數(shù)加窗設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器進(jìn)行頻譜分析。觀察頻域波形圖來(lái)形象判斷聲音特征。

圖6 頻域分析波形特征

3 實(shí)驗(yàn)步驟

將創(chuàng)建通道VI設(shè)置好最大值最小值并以ai0通道采集電壓值，設(shè)置模擬濾波器截止頻率為200Hz，連線方式為單端，采集方式為連續(xù)采集后，接下來(lái)的聲音信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)中學(xué)生主要完成以下個(gè)任務(wù)，分別是：

圖7 時(shí)域頻域波形對(duì)比

第一：將傳感器的地端與數(shù)據(jù)采集卡連接，傳感器電源由采集卡供電，傳感器模擬輸出端與采集卡ai0相連。

第二：運(yùn)行采集程序，獲得聲音信號(hào)時(shí)域波形，觀察并記錄波形特征值。

第三：設(shè)置不同的截止頻率，加入模擬低通濾波器觀察濾波前后波形的變化。

第四：快速傅里葉使其頻域轉(zhuǎn)化后，進(jìn)行時(shí)域頻域波形對(duì)比，并對(duì)不同的對(duì)象（如敲擊板材的不同）觀察頻譜變化。

學(xué)生首先連接電路再運(yùn)行程序，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中了解信號(hào)轉(zhuǎn)化關(guān)系，電路連接原理，并通過(guò)設(shè)置參數(shù)來(lái)對(duì)比觀察波形的不同，明白時(shí)頻域轉(zhuǎn)化過(guò)程并分析其特征。

4 結(jié)論

為加快我校新工科建設(shè)步伐，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，設(shè)計(jì)并研制了基于LabView的聲音信號(hào)處理綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的正常運(yùn)行。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了平臺(tái)的穩(wěn)定性和可靠性。該平臺(tái)的搭建，不僅可以幫助學(xué)生理解專業(yè)知識(shí)，掌握實(shí)驗(yàn)技能，學(xué)以致用，而且可以開(kāi)拓視野，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合能力。