聲發射及其聲卡檢測方法的研究

文長城　汪德佳　于琪琳

摘要：聲卡是多媒體技術中最基本的組成部分，是實現聲波與數字信號相互轉換的一種硬件，因而聲卡的質量對接收信號以及信息的完整性和準確性有極大的影響。文章對于聲卡的質量檢測給予一種無損量化的評價和檢測方法。這種方法同時也可以應用于其它具有聲發射現象元件的量化檢測。檢測過程基于聲發射器和示波器等硬件，利用MATLAB軟件將不同波形進行對比，最終計算得出聲卡的完好系數。

關鍵詞：聲發射；聲卡；無損檢測；量化檢測；完好系數

中圖分類號：TB52+9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0064-02

1 引言

聲卡主要由數字信號處理芯片、A/D和D/A轉換器、總線接口芯片、音樂合成器、混音器五部分組成。其基本功能是把來自話筒、磁帶、光盤的原始聲音信號加以轉換，輸出到耳機、揚聲器、擴音機、錄音機等聲響設備，或通過音樂設備數字接口（MIDI）使樂器發出美妙的聲音。其基本原理為：聲卡從話筒中獲取聲音模擬信號，通過模數轉換器（ADC），將聲波振幅信號采樣轉換成一串數字信號，存儲到計算機中。重放時，這些數字信號送到數模轉換器（DAC），以同樣的采樣速度還原為模擬波形，放大后送到揚聲器發聲，這一技術稱為脈沖編碼調制技術（PCM）。

2 研究方法與實驗步驟

利用聲發射器配套軟件，可編寫出在二維直角坐標系中用簡單函數表示的波形表達式，由此就可以表示其波形的圖像，如正余弦函數、方波、鋸齒波，暫且將此函數表示為y=，將其圖像稱為圖像。首先將此波的一段時間內即0—時段內的波形轉換為Excel文件存儲下來，方便MATLAB讀取，然后將電腦通過聲發射軟件與聲發射器、示波器相連，將已編輯好的波形傳輸給聲發射器，聲發射器再將之傳給示波器，示波器接收信號并顯示在界面上供實驗人員觀察，觀察大致無誤，再將示波器顯示波形以Excel文件格式存儲下來，取不同的波形多次相同操作，并將數據如實記錄。本文的研究將聲卡的有無作為實驗的主要變量，實驗所用的聲波是人為用聲發射模擬軟件編寫的簡單波形。我們會將設計的聲波記錄下來，之后將編輯的波形利用聲發射器轉換成聲波，再將之顯現在示波器上，利用示波器得到聲波的二維波形。所得到的波形實際上是設計波形經過聲發射其中的聲卡轉換的結果，這就與設計波形有了很大的區別，兩者之間的不同就體現了聲卡轉化能力的體現，也是聲卡好壞的體現。依照理想狀況的，聲卡的轉換能力是完美的，那么聲波在被轉換的過程中，無論是設計聲波的振幅、頻率和相位，還是時長等其他因素都應該被完全的保留。換句話說，就是所得波形與設計波形完全重合。然而，理想狀況是不存在的，設計波形與所得波形必有一定的差距，因此，一定的誤差是在允許的范圍內。

其次，設計波形是具有很強特征的波形，將這樣的波形放在一起對比，特別是在一定誤差范圍內，直接對比起來是有一定難度的。因此，一種簡單合理、數字化又可行的對比方法是必要的。圖像對比是最直觀的對比，在圖像中一次函數的對比無疑是最直觀的，兩個不重合的一次函數在同一坐標系中的差別就只有兩項，那就是截距和夾角。設想在理想狀況下，我們將設計波形的橫坐標與實驗所得波形的橫坐標組成點，并繪制成散點圖，那么理論上所有的點必定都在正比例函數的直線上。而實際上并非如此，依照上述方法所得的圖像即使用線性回歸的方法得到一條直線，也必然與理想的直線有截距和夾角的差距，而這種差距就是我們評價聲卡質量的依據。

3 分析過程

本實驗所用的儀器聲發射器中自帶聲卡編輯的波形是標準波形，作為原始波形記錄，以此波形的縱坐標為自變量x，以示波器顯示波形的縱坐標為因變量y，利用MATLAB編程，將（x，y）的散點圖繪制出來，用最小二乘法求出線性表達式y=ax+b中的系數a和b，以及線性相關系數R，并將y=x的圖形與之顯示在同一圖形上（如圖1）理論上分析可知，如果聲發射器是理想狀態的，在信號轉換中對于原波形沒有影響，那么實驗波形與原始波形相比沒有變動，那么得到的直線表達式應該接近于，即a=1，b=0，與x軸的夾角為，從圖形上來看來兩條直線應該是重合的（如圖2）但實際情況是實際得到的直線必定與有一定的夾角α，如圖1和圖2，我們設，當Q越接近于1時，表示實驗數據與原始數據越接近，聲卡質量越好，相關系數R表征實驗的可信程度，R越接近于1，實驗數據越集中，結果越可靠。可以將Q稱為完好系數與R為可信系數，Q越接近于1，聲卡越完好，R越接近于1，評價結果越可信。

4 計算部分

將原始數據表示為兩個數組t[1000]和x[1000]，實驗數據為t[1000]和y[1000]，t是時間變量可是設為相同，方便同一時刻的原始波形與實驗波形想對比，首先將原始波形與實驗波形做對比如圖3和圖4，然后用MATLAB畫出（x，y）的散點圖，用最小二乘法做線性回歸計算，得到回歸直線y=ax+b中的系數a和b，以及線性相關系數R如圖5，也就是本文的可信系數，緊接著按公式計算完好系數，其中，在此處令b，因為b屬于系統誤差，而且表示實驗波形在時間上相對原波形的延遲，不屬于本文研究內容，在MATLAB中的計算程序如下：

5 結語

在實驗中預先設計波形圖，利用聲卡將之轉換為聲波，得到經過聲卡轉換后的聲波圖形，用數學方法將設計波形圖與原波形對比，證實這種檢測評價聲卡的方式可行，但實驗也有缺陷，外界干擾對實驗結果影響較大，而且對于所得系數在何等范圍內表示聲卡對信號轉換影響可以忽略不計也沒有定論，期待后期改進實驗方法并進行大量實驗確認和求證。

參考文獻

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