張丹，王凱，李長安，隋文濤

(1.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東淄博，255000；2.山東理工大學機械工程學院，山東淄博，255000)

0 引言

信號處理綜合實驗設(shè)計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)，通過該環(huán)節(jié)，不僅可以幫助學生理解專業(yè)理論知識，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和動手能力，而且從長遠看，該環(huán)節(jié)將構(gòu)成學生專業(yè)素養(yǎng)的重要部分，是學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，開發(fā)信號采集與分析一體化的創(chuàng)新綜合型實驗，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，是當前電子信息類新工科建設(shè)面臨的一個重要問題。為此，許多高校開始著手建設(shè)電子信息創(chuàng)新性綜合實驗平臺[1-3]，本文以近年來的研究科學熱點聲音信號處理為導向，研究出一套基于LabView控制的聲音信號處理系統(tǒng)[5]，以期對聲電類創(chuàng)新綜合實驗的設(shè)計產(chǎn)生些許推動作用。

它以圖形化編輯軟件LabView為基礎(chǔ)，以個人計算機為硬件平臺，通過控制USB數(shù)據(jù)采集卡和聲音傳感器進行聲音的采集，以及數(shù)據(jù)的自動存儲來獲取信號時域數(shù)據(jù)。獲取信號時域數(shù)據(jù)后通過LabView面板的編程進行傅立葉變換實現(xiàn)頻譜分析，從而實現(xiàn)信號時域與頻域的轉(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，連接線路簡單，分析效果直觀以及同時進行數(shù)據(jù)采集和分析的特點。

1 實驗原理

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

聲音信號采集模式采用連續(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與傳感器連接時采用單端方式，而NI-9229則需采用差分方式。同時設(shè)置采樣率不超過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。實驗中設(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、圖表顯示等進行編程，將聲音信號波形實時地顯示出來，獲取其時域特征值：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驗要求。

圖1 系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換流程圖

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

圖2 實驗采集裝置

2 聲音信號采集及分析實驗系統(tǒng)

2.1 聲音信號采集實驗系統(tǒng)

連續(xù)采集時，可由5個底層VI組成電路：創(chuàng)建通道、采樣時鐘、開始任務(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、采樣率和采樣點數(shù)后通過控制while循環(huán)連續(xù)不斷采集。當采集發(fā)生錯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)采集助手進行連續(xù)采集，同時進行聲音信號的存儲，存儲為聲音文件，文件格式為.WAV。運行程序，敲擊板材或發(fā)出人聲后采集，通過圖表用波形表達，同時將采集到的聲音存儲為聲音文件，用播放器播放聲音文件，起到一個錄音功能[8]。

圖4 采集并存儲為聲音文件

2.2 聲音信號分析實驗系統(tǒng)

將采集到的聲音信號顯示出其時域波形后，獲取其時域特征值[6]，實驗過程中會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，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)不同實驗環(huán)境及時更換設(shè)置[9]。

圖5 設(shè)置模擬低通濾波器

另外，時域獲得的信號波形衰減較快，用頻域分析來彌補其不足。用傅里葉變換將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，利用窗函數(shù)加窗設(shè)計數(shù)字濾波器進行頻譜分析。觀察頻域波形圖來形象判斷聲音特征。

圖6 頻域分析波形特征

3 實驗步驟

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，接下來的聲音信號處理實驗中學生主要完成以下個任務(wù)，分別是：

圖7 時域頻域波形對比

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：運行采集程序，獲得聲音信號時域波形，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，進行時域頻域波形對比，并對不同的對象（如敲擊板材的不同）觀察頻譜變化。

學生首先連接電路再運行程序，要求學生在實驗中了解信號轉(zhuǎn)化關(guān)系，電路連接原理，并通過設(shè)置參數(shù)來對比觀察波形的不同，明白時頻域轉(zhuǎn)化過程并分析其特征。

4 結(jié)論

為加快我校新工科建設(shè)步伐，推動實驗平臺建設(shè)，設(shè)計并研制了基于LabView的聲音信號處理綜合實驗平臺，并實現(xiàn)了平臺的正常運行。通過實驗，測試了平臺的穩(wěn)定性和可靠性。該平臺的搭建，不僅可以幫助學生理解專業(yè)知識，掌握實驗技能，學以致用，而且可以開拓視野，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和綜合能力。