基于LabVIEW的聲音信號采集與分析系統(tǒng)

張琪，周麗娟，王倩，陳慶華

（廣西科技大學(xué)a.電氣與信息工程學(xué)院；b.理學(xué)院，廣西柳州545006）

基于LabVIEW的聲音信號采集與分析系統(tǒng)

張琪a，周麗娟*b，王倩a，陳慶華b

（廣西科技大學(xué)a.電氣與信息工程學(xué)院；b.理學(xué)院，廣西柳州545006）

以美國國家儀器（NI）公司開發(fā)的LabVIEW虛擬儀器為軟件開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)可以同步實(shí)現(xiàn)聲音信號采集和分析的多功能模塊化軟件系統(tǒng).借助LabVIEW圖形化軟件相應(yīng)的聲音讀取、寫入和存儲(chǔ)函數(shù)實(shí)現(xiàn)對聲音信號的采集、存儲(chǔ)、時(shí)域分析和頻域分析，并實(shí)時(shí)顯示在工作前面板上.該系統(tǒng)在試驗(yàn)中得到了很好的驗(yàn)證，為將來對聲音信號進(jìn)一步分析與處理提供了理論支持.

LabVIEW；聲音信號；信號分析

0　引言

隨著現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，在電子電路和測控領(lǐng)域中需要處理的問題變得越來越復(fù)雜，對信號分析的實(shí)時(shí)性、普適性、精確性等方面的要求也越來越高.傳統(tǒng)儀器因?yàn)槠涔δ軉我恍院透甙旱某杀荆沟迷诿鎸π盘枖?shù)據(jù)采集和分析時(shí)顯得越來越力不從心.科研實(shí)驗(yàn)中常會(huì)出現(xiàn)當(dāng)新的測控電路設(shè)計(jì)出來，而實(shí)驗(yàn)儀器卻難以同步更新的尷尬局面，浪費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力.

虛擬儀器信號分析系統(tǒng)完全可以解決這類問題.基于虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)開發(fā)的各種“虛擬儀器”，大量使用圖形化控件使LabVIEW不但操作簡單、成本低廉，而且還保證了與傳統(tǒng)儀器基本相同的人機(jī)交互性、可操作性和真實(shí)感［1-2］.與此同時(shí)LabVIEW允許圖形方式編程和具有豐富的函數(shù)庫，摒棄了晦澀難懂的編程代碼，使得計(jì)算機(jī)不再是少數(shù)人的專利，這些優(yōu)點(diǎn)讓LabVIEW在科研各個(gè)領(lǐng)域尤其是測控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.文中利用LabVIEW虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)聲音信號采集與分析的系統(tǒng)，可以比較全面地對聲音信號進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)分析，為進(jìn)一步研究聲音信號的特性提供可靠的理論依據(jù).

1　聲音信號采集與分析軟件的結(jié)構(gòu)框圖

軟件系統(tǒng)由聲音信號的數(shù)據(jù)采集和信號回放與分析2個(gè)主要功能模塊構(gòu)成，聲音信號采集與分析軟件的主要結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

2　軟件系統(tǒng)的各功能模塊

圖1　聲音信號采集與分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The schematic of sound signal sampling and analysis system

2.1聲音信號的數(shù)據(jù)采集模塊

聲音信號數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是完成聲音信號采集和存儲(chǔ).聲音信號采集是指聲波信號經(jīng)聲音傳感器（麥克風(fēng)）和信號放大器（信號放大）轉(zhuǎn)換成模電信號，再通過模／數(shù)（A／D）轉(zhuǎn)換將模電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)電信號的全過程［3］.在LabVIEW的前面板中信號采集由用戶操作，通過軟件相對應(yīng)的聲音寫入、聲音讀取子函數(shù)來實(shí)現(xiàn)聲音信號的采集和聲音模板的錄入，以WAV格式存儲(chǔ)到預(yù)先設(shè)定好的硬盤內(nèi).軟件通過布爾開關(guān)控制聲音信號采集的起止，同時(shí)又為所有通道的存儲(chǔ)命令設(shè)置同步控制功能，實(shí)現(xiàn)了多通道信號同步實(shí)時(shí)存儲(chǔ).人耳能聽到的聲音頻率范圍在20Hz～20 000Hz，而一般語音信號頻率約為300Hz～3 400Hz［4］.本文模擬采集一段語音信號，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率必須大于模擬信號最高頻率的2倍，工程上實(shí)際采用3倍甚至3倍以上.語音信號頻率最高大約為3 400Hz；因此，在LabVIEW前面板中設(shè)置采樣參數(shù)為：每通道采集數(shù)為5 000，采樣率為8 000Hz.程序框圖如圖2所示.

圖2　聲音采集的程序框圖Fig.2 The schematic of sound signal collection

2.2聲音信號的回放與分析模塊

聲音信號攜帶著各種信息，聲音信號處理的目的就是為了提取這些信息，處理方法基本上可以分為時(shí)域分析和頻域分析2種.時(shí)域分析相對比較直觀簡單，直接對聲音信號的時(shí)域波形進(jìn)行相應(yīng)數(shù)學(xué)處理，提取的信號時(shí)域特征參數(shù)主要包括聲音信號的短時(shí)平均能量，短時(shí)平均過零率以及短時(shí)自相關(guān)分析等.而頻域分析是通過傅立葉變換，將聲音信號從時(shí)間域變化到由正弦函數(shù)或者余弦函數(shù)組成的頻率域上進(jìn)行分析，提取的特征參數(shù)有幅度譜，相位譜，功率譜等.

2.2.1聲音信號的短時(shí)平均能量分析

由于聲音在介質(zhì)中傳播的同時(shí)伴隨著能量的傳播，故可以根據(jù)聲音信號的能量大小和變化情況來判斷有無聲音信號和區(qū)分聲音信號的清音與濁音［5］；聲音信號是時(shí)變信號，各種物理參數(shù)隨時(shí)間變化而變化；因此，貫穿整個(gè)時(shí)域分析的分析方法是應(yīng)用短時(shí)分析技術(shù)近似處理.理論上認(rèn)為在10ms~30ms內(nèi)，聲音信號頻譜特性和它的某些物理參量可以看作近似不變［6］.應(yīng)用短時(shí)分析技術(shù)，將聲音信號的瞬時(shí)能量轉(zhuǎn)換為短時(shí)平均能量，這就需要一個(gè)特殊的切割函數(shù)將聲音信號分割成若干個(gè)小段，用每一小段的短時(shí)平均能量代替瞬時(shí)能量來描述聲音變化的特征.這里所用到的切割函數(shù)就是窗函數(shù)，其中每一小段稱之為一“幀”，這個(gè)過程稱之為對信號的加窗分析.在對聲音信號進(jìn)行短時(shí)平均能量分析時(shí)，首先采用一個(gè)長度有限的窗函數(shù)來截取聲音信號形成分析幀［7］.定義短時(shí)平均能量為：

其中，x（m）是聲音信號函數(shù)，w（n-m）是窗函數(shù)，N為窗長.在對聲音信號進(jìn)行短時(shí)平均能量分析時(shí)選取合適的窗函數(shù)和適當(dāng)?shù)拇伴L至關(guān)重要.窗函數(shù)的主要功能是截取信號形成分析幀，窗函數(shù)選擇的標(biāo)準(zhǔn)是盡量減少頻譜泄露，理想窗函數(shù)的頻域響應(yīng)要求主瓣無限狹窄且沒有旁瓣（無頻譜泄露）.但是這種理想窗函數(shù)在實(shí)際工程中無法實(shí)現(xiàn)，工程中會(huì)根據(jù)不同的應(yīng)用，采用特定的窗函數(shù)來逼近理想的頻率響應(yīng).

在實(shí)際應(yīng)用中最常用的窗函數(shù)是漢明窗、矩形窗幾種窗函數(shù).漢明窗的主瓣寬度是矩形窗的一倍，但它的旁瓣衰減很大，有更平滑的低通特性，通常在頻率分析時(shí)使用漢明窗；矩形窗屬于時(shí)間變量的零次冪窗，矩形窗使用最多，這種窗的優(yōu)點(diǎn)是主瓣比較集中，一個(gè)窗長為N的矩形窗的時(shí)域表達(dá)式為：

當(dāng)采用矩形窗時(shí)，短時(shí)平均能量可以簡化為：

從式（3）可以看出，通過加窗處理后，聲音信號的頻率響應(yīng)變得主瓣集中，旁瓣很少，達(dá)到預(yù)計(jì)效果［7］.同時(shí)采用矩形窗研究聲音信號的短時(shí)平均能量時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)矩形窗長選的過大（N很大），這時(shí)聲音信號相當(dāng)于通過了一個(gè)帶寬很窄的低通濾波器，失去了反映短時(shí)平均能量En變化的物理意義；而當(dāng)窗長選的過小（N很小），聲音信號的短時(shí)平均能量又會(huì)隨時(shí)間急劇變化，不能得到平滑的短時(shí)平均能量波形.經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，驗(yàn)證聲音信號在8 kHz左右的采樣頻率下，窗長取100ms～200ms范圍內(nèi)比較合適；因此，文中設(shè)定N=150ms［8］.聲音信號短時(shí)平均能量分析的程序框圖如圖3所示，圖中設(shè)置采樣頻率為8 kHz，幅值為1，延遲為0，寬為150ms的脈沖信號生成矩形窗.

2.2.2聲音信號的頻域分析

圖3　短時(shí)平均能量程序框圖Fig.3 The Program schematic of s hort－time energy

圖4　頻域分析程序框圖Fig.4 The Program schematic of frequency domain analysis

信號的頻域分析建立在傅里葉變化的基礎(chǔ)上，聲音信號經(jīng)過快速傅里葉變化，從時(shí)域信號變換到由正弦函數(shù)或余弦函數(shù)構(gòu)成的頻域信號，幅度譜和相位譜是指對信號進(jìn)行傅里葉變化后得到的復(fù)頻譜相應(yīng)的幅度、相位與頻率之間的關(guān)系曲線.信號的相位譜和信號的幅度譜都是信號頻域分析的重要物理參數(shù)，相位譜主要應(yīng)用在多點(diǎn)激勵(lì)、載荷建立以及傳遞路徑識(shí)別等問題的研究中［9］.功率譜反應(yīng)了信號的瞬時(shí)功率隨頻率的變化關(guān)系，常應(yīng)用于統(tǒng)計(jì)信號處理.在聲音信號處理中，可以通過功率譜分析對聲音信號進(jìn)行濾波、信號識(shí)別、信號分離、系統(tǒng)辨識(shí)等.在LabVIEW程序面板自帶了專門的信號分析函數(shù)，通過這些函數(shù)可以直接獲取聲音信號的幅度譜、相位譜和功率譜，同時(shí)可以通過相應(yīng)的頻譜配置，方便地完成諸多頻譜測量和測量方式的選擇，具體程序框圖如圖4所示.

3　軟件應(yīng)用

檢測列車輪軌噪聲是預(yù)判列車接近的一個(gè)重要方法，利用本文所設(shè)計(jì)的軟件可以對該噪聲信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，為設(shè)計(jì)基于輪軌噪聲監(jiān)測的列車接近預(yù)警系統(tǒng)做一個(gè)前期的數(shù)據(jù)處理.本文選取一段列車輪軌噪聲信號（已將信號放大并轉(zhuǎn)換為WAV格式命名為test）作為測試對象，在軟件的前面板設(shè)定聲音信號的相關(guān)采樣參數(shù)，聲音信號相應(yīng)的波形圖實(shí)時(shí)顯示在LaBVIEW工作前面板上，前面板顯示如圖5所示.

圖5　測試聲音信號分析前面板Fig.5 The test sound signal analysis reveals in front panel

從圖5（b）可知，列車輪軌噪聲功率譜的峰值主要集中在0～2 000Hz低頻段內(nèi)，說明列車輪軌噪聲主要是低頻噪聲.進(jìn)一步利用軟件數(shù)據(jù)分析模塊對列車接近輪軌噪聲的短時(shí)平均能量進(jìn)行分析，根據(jù)圖5（c）可以獲取每段分析幀短時(shí)平均能量的峰值，部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)果如表1所示.

表1　部分輪軌噪聲短時(shí)平均能量Tab.1 Part of the wheel noise short-term energy

對比表1中各時(shí)間點(diǎn)的短時(shí)平均能量，可以看出列車接近時(shí)產(chǎn)生輪軌噪聲的短時(shí)平均能量在一定范圍內(nèi)隨時(shí)間變化不大，證明輪軌噪聲信號在鋼軌中傳播能量損失很小；因此，可以通過設(shè)定一定的閾值，檢測實(shí)時(shí)采集的輪軌噪聲短時(shí)平均能量是否達(dá)到閾值來判斷列車是否接近.

4　結(jié)論

本文介紹了一個(gè)新型的基于LabVIEW虛擬儀器的信號采集與分析系統(tǒng)，軟件可以通過選項(xiàng)卡來控制各功能模塊，操作簡單，功能齊全，可以實(shí)現(xiàn)多路信號的同步實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、信號時(shí)域和頻域分析.其中，時(shí)域分析包括短時(shí)平均能量分析，頻率分析包括功率譜、幅度譜和相位譜.同時(shí)軟件應(yīng)用LabVIEW子面板技術(shù)，使主程序界面看起來更加美觀、簡潔，為聲音信號分析提供了更加開放的處理方法.在軟件測試方面，利用該軟件分析系統(tǒng)對一段列車接近輪軌噪聲信號test.wav進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，顯示出LabVIEW在聲音信號處理中的優(yōu)點(diǎn)，通過設(shè)置軟件前面板的采樣參數(shù)可以得到信號在特定時(shí)間或頻率上的特征參數(shù)，為下一步實(shí)現(xiàn)對輪軌噪聲信號識(shí)別提供參考數(shù)據(jù).在拓展應(yīng)用方面，LabVIEW自帶了600多個(gè)分析函數(shù)，能夠輕松提取有用的信息進(jìn)行測量數(shù)據(jù)分析和信號處理.LabVIEW支持用戶自定義，用戶可以編寫高效、快速的處理函數(shù)和控件，建立自己的函數(shù)庫，甚至可以引入Matlab函數(shù)自定義模塊，大大提高了在科研用途的廣闊性，縮短了開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率.

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［5］王讓定，熊益群，徐國娟.數(shù)字語音信號處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書［M］.寧波：寧波大學(xué)出版社，2008.

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（學(xué)科編輯：黎婭）

Acquisition and analysis system of sound signal based on LabVIEW

ZHANG Qia,ZHOU Li-juan*b,WANG Qiana,CHEN Qing-huab
(a.School Electrical and Information Engineering; b.College of Science,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China)

By using the LabVIEW graphical programming software,a sound signal acquisition and analysis system was reported.Based on the corresponding functions in LabVIEW,sound signals can not only be read,written,and stored,but also analyzed both in time-domain and frequency-domain.A friendly man-machine interface was also designed for the real-time data.The system has been experimentally confirmed working well and may behelpful for future railway industry.

LabVIEW;sound signal;signal analysis

TP23

A

2095-7335（2016）03-0055-05

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.03.010

2016-02-29

廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015GXNSFAA139012）資助.

周麗娟，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：理論物理，E-mail：351304836＠qq.com.