基于LabView的聲音信號處理綜合實驗設計

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計是許多理工科高校電子信息專業本科乃至碩士人才培養環節中極為重要的一環，通過該環節，不僅可以幫助學生理解專業理論知識，培養學生的創新思維和動手能力，而且從長遠看，該環節將構成學生專業素養的重要部分，是學生成為合格科技工作者和工程技術人員的必備因素。

盡管如此，為了適應新工科建設的要求，開發信號采集與分析一體化的創新綜合型實驗，提高人才培養質量，是當前電子信息類新工科建設面臨的一個重要問題。為此，許多高校開始著手建設電子信息創新性綜合實驗平臺[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[5]，以期對聲電類創新綜合實驗的設計產生些許推動作用。

它以圖形化編輯軟件LabView為基礎，以個人計算機為硬件平臺，通過控制USB數據采集卡和聲音傳感器進行聲音的采集，以及數據的自動存儲來獲取信號時域數據。獲取信號時域數據后通過LabView面板的編程進行傅立葉變換實現頻譜分析，從而實現信號時域與頻域的轉換并獲取轉換前后的波形。相比較傳統的聲音信號處理方法，該系統具有靈敏度高，處理數據量大，連接線路簡單，分析效果直觀以及同時進行數據采集和分析的特點。

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化為電信號，AD轉化后由labview虛擬儀器實現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采集，線路連接根據數據采集卡的不同相應改變，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。實驗中設置采樣率為20k，既能快速采集聲音數據，又能保證其滿足采集卡采樣率。模數轉換后，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 系統信號轉換流程圖

頻域分析加漢寧窗設計有限脈沖響應數字濾波器。選擇窗函數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

2.1 聲音信號采集實驗系統

連續采集時，可由5個底層VI組成電路：創建通道、采樣時鐘、開始任務、數據讀取、結束任務，設置完成采樣通道如ai0、采樣電壓最大最小值、單端連接方式、采樣率和采樣點數后通過控制while循環連續不斷采集。當采集發生錯誤或按下停止按鈕后，采集停止。

圖3 連續采集系統程序

除了用底層VI外，還可以利用數據采集助手進行連續采集，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

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，具體濾波器設置如圖2.3所示。設置200Hz截止頻率可較完整得到波形，也可根據不同實驗環境及時更換設置[9]。

圖5 設置模擬低通濾波器

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換為頻域信號，利用窗函數加窗設計數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

將創建通道VI設置好最大值最小值并以ai0通道采集電壓值，設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，分別是：

圖7 時域頻域波形對比

第一：將傳感器的地端與數據采集卡連接，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化關系，電路連接原理，并通過設置參數來對比觀察波形的不同，明白時頻域轉化過程并分析其特征。

4 結論

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