摘要：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，設(shè)計了一個可以同步實現(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、寫入和存儲函數(shù)實現(xiàn)對聲音信號的采集、存儲、時域分析和頻域分析，并實時顯示在工作前面板上．該系統(tǒng)在試驗中得到了很好的驗證，為將來對聲音信號進一步分析與處理提供了理論支持。

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，對信號分析的實時性、普適性、精確性等方面的要求也越來越高．傳統(tǒng)儀器因為其功能單一性和高昂的成本，使得在面對信號數(shù)據(jù)采集和分析時顯得越來越力不從心．科研實驗中常會出現(xiàn)當(dāng)新的測控電路設(shè)計出來．而實驗儀器卻難以同步更新的尷尬局面，浪費大量的人力、物力、財力。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交互性、可操作性和真實感舊j．與此同時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，使得計算機不再是少數(shù)人的專利，這些優(yōu)點讓LabVIEW在科研各個領(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)計了一個可以實現(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行采集和數(shù)據(jù)分析，為進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

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．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)電信號的全過程引。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)來實現(xiàn)聲音信號的采集和聲音模板的錄入，以WAV格式存儲到預(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。同時又為所有通道的存儲命令設(shè)置同步控制功能。實現(xiàn)了多通道信號同步實時存儲．人耳能聽到的聲音頻率范圍在20Hz～20000Hz，而一般語音信號頻率約為300Hz～3400Hz[4I。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，工程上實際采用3倍甚至3倍以上．語音信號頻率最高大約為3400Hz：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5000．采樣率為8000Hz。

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域分析和頻域分析2種。時域分析相對比較直觀簡單，直接對聲音信號的時域波形進行相應(yīng)數(shù)學(xué)處理，提取的信號時域特征參數(shù)主要包括聲音信號的短時平均能量，短時平均過零率以及短時自相關(guān)分析等。而頻域分析是通過傅立葉變換，將聲音信號從時間域變化到南正弦函數(shù)或者余弦函數(shù)組成的頻率域上進行分析。提取的特征參數(shù)有幅度譜，相位譜，功率譜等。
2．2．1 聲音信號的短時平均能量分析
由于聲音在介質(zhì)中傳播的同時伴隨著能量的傳播，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㈣；聲音信號是時變信號，各種物理參數(shù)隨時間變化而變化：因此。貫穿整個時域分析的分析方法是應(yīng)用短時分析技術(shù)近似處理。理論上認(rèn)為在10 ms～30 ms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)用短時分析技術(shù)，將聲音信號的瞬時能量轉(zhuǎn)換為短時平均能量。這就需要一個特殊的切割函數(shù)將聲音信號分割成若干個小段，用每一小段的短時平均能量代替瞬時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”。這個過程稱之為對信號的加窗分析．在對聲音信號進行短時平均能量分析時，首先采用一個長度有限的窗函數(shù)來截取聲音信號形成分析幀[7|。

3軟件應(yīng)用

檢測列車輪軌噪聲是預(yù)判列車接近的一個重要方法，利用本文所設(shè)計的軟件可以對該噪聲信號進行
數(shù)據(jù)采集和分析，為設(shè)計基于輪軌噪聲監(jiān)測的列車接近預(yù)警系統(tǒng)做一個前期的數(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)的波形圖實時顯示在LaBVIEW工作前面板上，前面板顯示如圖5所示。

4結(jié)論

本文介紹了一個新型的基于LabVIEW虛擬儀器的信號采集與分析系統(tǒng)。軟件可以通過選項卡來控制各功能模塊，操作簡單，功能齊全，可以實現(xiàn)多路信號的同步實時采集、存儲、信號時域和頻域分析。其中，時域分析包括短時平均能量分析。頻率分析包括功率譜、幅度譜和相位譜．同時軟件應(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進行時域和頻域分析。顯示出LabVIEW在聲音信號處理中的優(yōu)點，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間或頻率上的特征參數(shù)。為下一步實現(xiàn)對輪軌噪聲信號識別提供參考數(shù)據(jù)．在拓展應(yīng)用方面，LabVIEW自帶了600多個分析函數(shù)，能夠輕松提取有用的信息進行測量數(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。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-798923.html

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