基于LabVIEW的声音信号采集分析系统
冀胡东+金涛
摘要：声音信号在工业生产和日常生活中非常常见，稳定性和实时性好，声音信号的检测与处理对工业、军事等领域具有重要意义。因此，设计了一套声音信号采集与分析系统，以图形化编程语言LabVIEW作为软件设计平台，使用PC机携带的声卡为硬件，构建的系统能够完成声音信号的采集、存储以及调用历史数据等功能。根据检测到的声音进行信号滤波前后的时域和频域分析，对比效果明显。实践证明，该系统稳定可靠、性价比高，使用简单且易操作，能够满足声音信号的采集和分析要求。
关键词：LabVIEW；声卡；声音采集分析
DOIDOI：10.11907/rjdk.172231
中图分类号：TP319
文献标识码：A文章编号文章编号：1672-7800（2018）001-0162-03
Abstract：Sound signals are very common in industrial production and daily life. The stability and real-time performance are great. The detection and treatment of sound signals are significant to industrial and military fields. Therefore， a system called sound signal acquisition and analysis is designed. The graphical programming language LabVIEW is used as the software design platform. The sound card is used as the hardware. The system can realize the acquisition， storage and playback of historical data. According to the detected sound of the signal before，the time-frequency comparison and analysis is finished and the effect is obvious. Practice has proved that the system is stable， reliable， cheap， easy to use，operate and can meet the sound signal acquisition and analysis requirements.
Key Words：LabVIEW； sound card； sound collection and analysis
0引言
由于声音信号实时、准确、稳定，且在各种信号领域比较常见，所以对现场声音信号的检测具有独特优势[1]。LabVIEW是由美国国家仪器公司研制出来的一种程序开发环境，采用图形化编辑语言，具有直观、使用方便等优点。它能够提供大量工具与函数用于数据采集、分析、显示与存储，因而在测试、测量和自动化等领域占有重要地位[2]。综合集成了计算机、通讯、自动识别、机电控制和安全管理系统等相关技术的声音信号采集分析系统在现实生活中应用广泛，它能为现场预测提供准确的数据分析，在居民生活、防灾减灾、故障检测、军事工业等重要领域取得了良好效果[3]。
1声卡工作原理及性能指标
声音具有频率、相位、振幅等特性，可连续变化。它是多媒体技术中最基本的组成部分，是实现声波数字信号与模拟信号相互转换的一种硬件。主机通过总线将光盘、话筒产生的信号送入D/A转换器加以转换，声音经过放大后送入扬声器或耳机，也可以将光盘或话筒产生的声音信号通过A/D转换为数字信号后，送到主机中进行处理，其工作原理如图1所示。
衡量声卡的技术指标包括采样位数、复音数量、采样频率、声道数、信噪比（SNR）和总谐波失真（THD）等。采样位数也指量化精度，即模拟信号转化为数字信号的二进制位数，位数越高，音質越好。复音数量表示声卡能够同时发出多少种声音，比如32、64种等。复音数量越多，播放的声音越细腻。采样频率是指每秒钟能采集的声音样本数量，其值越大，所得结果越精确，但是需要的存储空间也越大[4]。
目前PC机上携带的声卡采样频率高达96kHz，采样位数最高为32位，可根据需求更新或升级为多声道声卡。每路声道的输出频率可达22.05kHz，输出的信噪比最高为96dB的16位数字音频信号[5]。
2系统软件设计
LabVIEW的程序设计通常分为前面板设计与功能面板设计两部分，前者的设计不仅要满足使用需求，还强调了布局合理、界面美观、操作方便的重要性；后者设计要求逻辑严谨，能实现所需功能。
2.1前面板设计
本面板可用LabVIEW自带的Sound Input Configure子模块配置声卡采样所需的各个参数，如设备ID、采样数、采样时间、频道、数据位数等。前面板中含有时域和频域产生的波形，是声卡采集到的声音信号。
2.2功能面板设计
功能面板设计主要包括参数设置、声音信号采集、存储与音频回放4部分，工作流程如图2所示。
2.2.1参数设置
声音信号采集之前需进行参数设置，主要包括设备ID、采样时间、采样率、数据位数和频道5部分。
2.2.2声音信号采集存储
系统的声音采集功能由计算机中配置的声卡完成，因此不需要再添加其它配件即能完成采集功能。声音信号的采集是由预先设置好的采样位数、采样数量、采样频率完成的。因为声卡在开始部分对外部信号的采样会产生几十个不太稳定的数据，所以在没有特殊要求的情况下可忽略这部分数据[6]。声音录入系统后，或多或少存在噪声，所以必须对采集到的声音进行滤波。因为声音频率存在于一定范围内，利用该特点可以通过带通滤波器过滤掉杂音。系统将采集到的声音信号的频域和时域波形图显示在系统前面板上，并对这些信号进行存储。采集数据储存前要给其设立文件名和存储路径，再将数据发送到缓存，然后将来自波形或波形数组的数据写入文件，从而实现声音信号的采集，最后将其保存。声音信号采集框图如图3所示。
2.2.3音频回放
声音信号回放框图如图4所示，当该系统功能切换到音频回放时，其它按钮自动变为关闭状态，以防其它按钮干扰。此时，系统主要完成已存储声音信号的读取、显示与分析。
3声音信号时频分析
对于时域信号的处理方法可以分为时域分析和频域分析，前者是直接在时间域中对系统进行分析，因此具有直观、准确的优点，并且可以提供系统时间相应的全部信息，后者研究通常伴随傅里叶变换。
3.1声音信号时域分析
从一个信号得到傅里叶变换，需要取无限长的时间量。由于在需要的那一段时间内无法给出傅里叶变换，因此需要使用窗口傅里叶变换，以解决局部性问题[7]。时域分析能够有效提高信噪比，其使用到的短时傅里叶变换原理，通过不同时刻的功率谱得到非平稳信号的功率谱和时间的关系。短时傅里叶变换又通过加窗傅里叶变换方法将很长时间的信号分割成所需的那一段时间间隔。对于时间信号，该窗口傅里叶变换可以是：
改变程序中的初始时间及间隔，可以分析需要的信号。改变值使窗沿时间轴移动，逐段分析时间信号f（t），可对f（t）任何时间段进行局部化分析[8]。
3.2声音信号频域分析
声音信号的频域分析需要经过傅里叶变换，即从时域信号变为频域信号。声学测量研究中通常使用帶通滤波器，带通滤波器可以允许一定频率范围内的声音信号通过，在LabVIEW功能面板里可以调用高于或低于某一特定频率范围信号的带通滤波器。“谱”是指信号的某些特征在频域上随功率的分布关系，功率谱估计是指基于有限的数据寻找信号、随机过程或系统的频率成分，表示随机信号频率的统计特性。由于随机信号不满足绝对可积的条件，所以其傅立叶变换不存在。因此，需要研究其在频域上的功率分布情况，即功率谱[9]。如图3所示，声音信号通过带通滤波后，再经过快速傅里叶变换生成功率谱，从而得到声音信号的频域曲线。
3.3声音信号时域与频域曲线分析
声音信号具有两个特点，一是具有短时性，即在一整段时间里，声音信号总体比较平稳，而在一段较短时间内，声音信号变化明显；二是频率范围一般在300～3 400Hz之间。这为声音信号的时频域分析提供了依据[10]。
如图5所示，使用该系统进行实验，在声卡面前播放一段录音，前面板会产生相应的时域和频域波形。由图5滤波前后声音信号的时频域曲线对比可知，对声音信号进行滤波，效果更好。
4结语
该系统采用LabVIEW为开发平台，图形化的编程界面使得系统操作简便、程序简单易懂；PC机的声卡是性能较好的数据采集设备，用其作为硬件进行声音采集；最后借助LabVIEW进行声音信号的时域和频域分析处理，实现了整个信号的采集过程[11]。实验结果表明，该声音采集分析系统十分简易、成本低廉、性能稳定可靠。
参考文献：
[1]曾铮.基于DSP和USB的声音信号采集系统设计[D].北京：北方工业大学，2006.
[2]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007.
[3]张淑仪.声学在现代科学技术中的作用[J].科学中国人，1997（11）：39-44.
[4]周爱军，马海瑞.基于声卡的LabVIEW数据采集与分析系统设计[J].微计算机信息，2004，21（9S）：108-110.
[5]李志坚，胡金辉，陈小刚.船载雷达角度零值动态标定方法研究[J].电子测量技术，2013，36（1）：26-28.
[6]李红岩，毛征，袁建建.一种基于算法融合的运动目标跟踪算法[J].国外电子测量技术，2013，32（12）：36-40.
[7]张彩霞.基于LabVIEW的母羊声音信号处理与识别系统研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2014.
[8]张建国，孙晓东，张礼勇.基于时频分析的信号特征提取方法研究[J].电测与仪表，2005（6）：6-9.
[9]杜虎，黎向锋，左敦稳.基于虚拟仪器的机床声音信号在线监测系统开发[D].南京：南京航空航天大学，2005.
[10]宋杨洁.基于LabVIEW与MATLAB的语音信号的采集与分析[D].武汉：武汉理工大学，2012.
[11]孙爱晶，刘毓，马贺洲.基于LabVIEW的声卡数据采集及滤波处理设计[J].计算机应用，2009，24（5）：45-47.
（责任编辑：黄健）
摘要：声音信号在工业生产和日常生活中非常常见，稳定性和实时性好，声音信号的检测与处理对工业、军事等领域具有重要意义。因此，设计了一套声音信号采集与分析系统，以图形化编程语言LabVIEW作为软件设计平台，使用PC机携带的声卡为硬件，构建的系统能够完成声音信号的采集、存储以及调用历史数据等功能。根据检测到的声音进行信号滤波前后的时域和频域分析，对比效果明显。实践证明，该系统稳定可靠、性价比高，使用简单且易操作，能够满足声音信号的采集和分析要求。
关键词：LabVIEW；声卡；声音采集分析
DOIDOI：10.11907/rjdk.172231
中图分类号：TP319
文献标识码：A文章编号文章编号：1672-7800（2018）001-0162-03
Abstract：Sound signals are very common in industrial production and daily life. The stability and real-time performance are great. The detection and treatment of sound signals are significant to industrial and military fields. Therefore， a system called sound signal acquisition and analysis is designed. The graphical programming language LabVIEW is used as the software design platform. The sound card is used as the hardware. The system can realize the acquisition， storage and playback of historical data. According to the detected sound of the signal before，the time-frequency comparison and analysis is finished and the effect is obvious. Practice has proved that the system is stable， reliable， cheap， easy to use，operate and can meet the sound signal acquisition and analysis requirements.
Key Words：LabVIEW； sound card； sound collection and analysis
0引言
由于声音信号实时、准确、稳定，且在各种信号领域比较常见，所以对现场声音信号的检测具有独特优势[1]。LabVIEW是由美国国家仪器公司研制出来的一种程序开发环境，采用图形化编辑语言，具有直观、使用方便等优点。它能够提供大量工具与函数用于数据采集、分析、显示与存储，因而在测试、测量和自动化等领域占有重要地位[2]。综合集成了计算机、通讯、自动识别、机电控制和安全管理系统等相关技术的声音信号采集分析系统在现实生活中应用广泛，它能为现场预测提供准确的数据分析，在居民生活、防灾减灾、故障检测、军事工业等重要领域取得了良好效果[3]。
1声卡工作原理及性能指标
声音具有频率、相位、振幅等特性，可连续变化。它是多媒体技术中最基本的组成部分，是实现声波数字信号与模拟信号相互转换的一种硬件。主机通过总线将光盘、话筒产生的信号送入D/A转换器加以转换，声音经过放大后送入扬声器或耳机，也可以将光盘或话筒产生的声音信号通过A/D转换为数字信号后，送到主机中进行处理，其工作原理如图1所示。
衡量声卡的技术指标包括采样位数、复音数量、采样频率、声道数、信噪比（SNR）和总谐波失真（THD）等。采样位数也指量化精度，即模拟信号转化为数字信号的二进制位数，位数越高，音質越好。复音数量表示声卡能够同时发出多少种声音，比如32、64种等。复音数量越多，播放的声音越细腻。采样频率是指每秒钟能采集的声音样本数量，其值越大，所得结果越精确，但是需要的存储空间也越大[4]。
目前PC机上携带的声卡采样频率高达96kHz，采样位数最高为32位，可根据需求更新或升级为多声道声卡。每路声道的输出频率可达22.05kHz，输出的信噪比最高为96dB的16位数字音频信号[5]。
2系统软件设计
LabVIEW的程序设计通常分为前面板设计与功能面板设计两部分，前者的设计不仅要满足使用需求，还强调了布局合理、界面美观、操作方便的重要性；后者设计要求逻辑严谨，能实现所需功能。
2.1前面板设计
本面板可用LabVIEW自带的Sound Input Configure子模块配置声卡采样所需的各个参数，如设备ID、采样数、采样时间、频道、数据位数等。前面板中含有时域和频域产生的波形，是声卡采集到的声音信号。
2.2功能面板设计
功能面板设计主要包括参数设置、声音信号采集、存储与音频回放4部分，工作流程如图2所示。
2.2.1参数设置
声音信号采集之前需进行参数设置，主要包括设备ID、采样时间、采样率、数据位数和频道5部分。
2.2.2声音信号采集存储
系统的声音采集功能由计算机中配置的声卡完成，因此不需要再添加其它配件即能完成采集功能。声音信号的采集是由预先设置好的采样位数、采样数量、采样频率完成的。因为声卡在开始部分对外部信号的采样会产生几十个不太稳定的数据，所以在没有特殊要求的情况下可忽略这部分数据[6]。声音录入系统后，或多或少存在噪声，所以必须对采集到的声音进行滤波。因为声音频率存在于一定范围内，利用该特点可以通过带通滤波器过滤掉杂音。系统将采集到的声音信号的频域和时域波形图显示在系统前面板上，并对这些信号进行存储。采集数据储存前要给其设立文件名和存储路径，再将数据发送到缓存，然后将来自波形或波形数组的数据写入文件，从而实现声音信号的采集，最后将其保存。声音信号采集框图如图3所示。
2.2.3音频回放
声音信号回放框图如图4所示，当该系统功能切换到音频回放时，其它按钮自动变为关闭状态，以防其它按钮干扰。此时，系统主要完成已存储声音信号的读取、显示与分析。
3声音信号时频分析
对于时域信号的处理方法可以分为时域分析和频域分析，前者是直接在时间域中对系统进行分析，因此具有直观、准确的优点，并且可以提供系统时间相应的全部信息，后者研究通常伴随傅里叶变换。
3.1声音信号时域分析
从一个信号得到傅里叶变换，需要取无限长的时间量。由于在需要的那一段时间内无法给出傅里叶变换，因此需要使用窗口傅里叶变换，以解决局部性问题[7]。时域分析能够有效提高信噪比，其使用到的短时傅里叶变换原理，通过不同时刻的功率谱得到非平稳信号的功率谱和时间的关系。短时傅里叶变换又通过加窗傅里叶变换方法将很长时间的信号分割成所需的那一段时间间隔。对于时间信号，该窗口傅里叶变换可以是：
改变程序中的初始时间及间隔，可以分析需要的信号。改变值使窗沿时间轴移动，逐段分析时间信号f（t），可对f（t）任何时间段进行局部化分析[8]。
3.2声音信号频域分析
声音信号的频域分析需要经过傅里叶变换，即从时域信号变为频域信号。声学测量研究中通常使用帶通滤波器，带通滤波器可以允许一定频率范围内的声音信号通过，在LabVIEW功能面板里可以调用高于或低于某一特定频率范围信号的带通滤波器。“谱”是指信号的某些特征在频域上随功率的分布关系，功率谱估计是指基于有限的数据寻找信号、随机过程或系统的频率成分，表示随机信号频率的统计特性。由于随机信号不满足绝对可积的条件，所以其傅立叶变换不存在。因此，需要研究其在频域上的功率分布情况，即功率谱[9]。如图3所示，声音信号通过带通滤波后，再经过快速傅里叶变换生成功率谱，从而得到声音信号的频域曲线。
3.3声音信号时域与频域曲线分析
声音信号具有两个特点，一是具有短时性，即在一整段时间里，声音信号总体比较平稳，而在一段较短时间内，声音信号变化明显；二是频率范围一般在300～3 400Hz之间。这为声音信号的时频域分析提供了依据[10]。
如图5所示，使用该系统进行实验，在声卡面前播放一段录音，前面板会产生相应的时域和频域波形。由图5滤波前后声音信号的时频域曲线对比可知，对声音信号进行滤波，效果更好。
4结语
该系统采用LabVIEW为开发平台，图形化的编程界面使得系统操作简便、程序简单易懂；PC机的声卡是性能较好的数据采集设备，用其作为硬件进行声音采集；最后借助LabVIEW进行声音信号的时域和频域分析处理，实现了整个信号的采集过程[11]。实验结果表明，该声音采集分析系统十分简易、成本低廉、性能稳定可靠。
参考文献：
[1]曾铮.基于DSP和USB的声音信号采集系统设计[D].北京：北方工业大学，2006.
[2]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007.
[3]张淑仪.声学在现代科学技术中的作用[J].科学中国人，1997（11）：39-44.
[4]周爱军，马海瑞.基于声卡的LabVIEW数据采集与分析系统设计[J].微计算机信息，2004，21（9S）：108-110.
[5]李志坚，胡金辉，陈小刚.船载雷达角度零值动态标定方法研究[J].电子测量技术，2013，36（1）：26-28.
[6]李红岩，毛征，袁建建.一种基于算法融合的运动目标跟踪算法[J].国外电子测量技术，2013，32（12）：36-40.
[7]张彩霞.基于LabVIEW的母羊声音信号处理与识别系统研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2014.
[8]张建国，孙晓东，张礼勇.基于时频分析的信号特征提取方法研究[J].电测与仪表，2005（6）：6-9.
[9]杜虎，黎向锋，左敦稳.基于虚拟仪器的机床声音信号在线监测系统开发[D].南京：南京航空航天大学，2005.
[10]宋杨洁.基于LabVIEW与MATLAB的语音信号的采集与分析[D].武汉：武汉理工大学，2012.
[11]孙爱晶，刘毓，马贺洲.基于LabVIEW的声卡数据采集及滤波处理设计[J].计算机应用，2009，24（5）：45-47.
（责任编辑：黄健）
