声发射及其声卡检测方法的研究

文长城　汪德佳　于琪琳

摘要：声卡是多媒体技术中最基本的组成部分，是实现声波与数字信号相互转换的一种硬件，因而声卡的质量对接收信号以及信息的完整性和准确性有极大的影响。文章对于声卡的质量检测给予一种无损量化的评价和检测方法。这种方法同时也可以应用于其它具有声发射现象元件的量化检测。检测过程基于声发射器和示波器等硬件，利用MATLAB软件将不同波形进行对比，最终计算得出声卡的完好系数。

关键词：声发射；声卡；无损检测；量化检测；完好系数

中图分类号：TB52+9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）02-0064-02

1 引言

声卡主要由数字信号处理芯片、A/D和D/A转换器、总线接口芯片、音乐合成器、混音器五部分组成。其基本功能是把来自话筒、磁带、光盘的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声响设备，或通过音乐设备数字接口（MIDI）使乐器发出美妙的声音。其基本原理为：声卡从话筒中获取声音模拟信号，通过模数转换器（ADC），将声波振幅信号采样转换成一串数字信号，存储到计算机中。重放时，这些数字信号送到数模转换器（DAC），以同样的采样速度还原为模拟波形，放大后送到扬声器发声，这一技术称为脉冲编码调制技术（PCM）。

2 研究方法与实验步骤

利用声发射器配套软件，可编写出在二维直角坐标系中用简单函数表示的波形表达式，由此就可以表示其波形的图像，如正余弦函数、方波、锯齿波，暂且将此函数表示为y=，将其图像称为图像。首先将此波的一段时间内即0—时段内的波形转换为Excel文件存储下来，方便MATLAB读取，然后将电脑通过声发射软件与声发射器、示波器相连，将已编辑好的波形传输给声发射器，声发射器再将之传给示波器，示波器接收信号并显示在界面上供实验人员观察，观察大致无误，再将示波器显示波形以Excel文件格式存储下来，取不同的波形多次相同操作，并将数据如实记录。本文的研究将声卡的有无作为实验的主要变量，实验所用的声波是人为用声发射模拟软件编写的简单波形。我们会将设计的声波记录下来，之后将编辑的波形利用声发射器转换成声波，再将之显现在示波器上，利用示波器得到声波的二维波形。所得到的波形实际上是设计波形经过声发射其中的声卡转换的结果，这就与设计波形有了很大的区别，两者之间的不同就体现了声卡转化能力的体现，也是声卡好坏的体现。依照理想状况的，声卡的转换能力是完美的，那么声波在被转换的过程中，无论是设计声波的振幅、频率和相位，还是时长等其他因素都应该被完全的保留。换句话说，就是所得波形与设计波形完全重合。然而，理想状况是不存在的，设计波形与所得波形必有一定的差距，因此，一定的误差是在允许的范围内。

其次，设计波形是具有很强特征的波形，将这样的波形放在一起对比，特别是在一定误差范围内，直接对比起来是有一定难度的。因此，一种简单合理、数字化又可行的对比方法是必要的。图像对比是最直观的对比，在图像中一次函数的对比无疑是最直观的，两个不重合的一次函数在同一坐标系中的差别就只有两项，那就是截距和夹角。设想在理想状况下，我们将设计波形的横坐标与实验所得波形的横坐标组成点，并绘制成散点图，那么理论上所有的点必定都在正比例函数的直线上。而实际上并非如此，依照上述方法所得的图像即使用线性回归的方法得到一条直线，也必然与理想的直线有截距和夹角的差距，而这种差距就是我们评价声卡质量的依据。

3 分析过程

本实验所用的仪器声发射器中自带声卡编辑的波形是标准波形，作为原始波形记录，以此波形的纵坐标为自变量x，以示波器显示波形的纵坐标为因变量y，利用MATLAB编程，将（x，y）的散点图绘制出来，用最小二乘法求出线性表达式y=ax+b中的系数a和b，以及线性相关系数R，并将y=x的图形与之显示在同一图形上（如图1）理论上分析可知，如果声发射器是理想状态的，在信号转换中对于原波形没有影响，那么实验波形与原始波形相比没有变动，那么得到的直线表达式应该接近于，即a=1，b=0，与x轴的夹角为，从图形上来看来两条直线应该是重合的（如图2）但实际情况是实际得到的直线必定与有一定的夹角α，如图1和图2，我们设，当Q越接近于1时，表示实验数据与原始数据越接近，声卡质量越好，相关系数R表征实验的可信程度，R越接近于1，实验数据越集中，结果越可靠。可以将Q称为完好系数与R为可信系数，Q越接近于1，声卡越完好，R越接近于1，评价结果越可信。

4 计算部分

将原始数据表示为两个数组t[1000]和x[1000]，实验数据为t[1000]和y[1000]，t是时间变量可是设为相同，方便同一时刻的原始波形与实验波形想对比，首先将原始波形与实验波形做对比如图3和图4，然后用MATLAB画出（x，y）的散点图，用最小二乘法做线性回归计算，得到回归直线y=ax+b中的系数a和b，以及线性相关系数R如图5，也就是本文的可信系数，紧接着按公式计算完好系数，其中，在此处令b，因为b属于系统误差，而且表示实验波形在时间上相对原波形的延迟，不属于本文研究内容，在MATLAB中的计算程序如下：

5 结语

在实验中预先设计波形图，利用声卡将之转换为声波，得到经过声卡转换后的声波图形，用数学方法将设计波形图与原波形对比，证实这种检测评价声卡的方式可行，但实验也有缺陷，外界干扰对实验结果影响较大，而且对于所得系数在何等范围内表示声卡对信号转换影响可以忽略不计也没有定论，期待后期改进实验方法并进行大量实验确认和求证。

参考文献

[1]蔣帅锋，施展，鲍恝.基于声卡的数据采集系统设计[J].仪器仪表学报，2005，（S2）：47-49.

[2]王济，胡晓.Matlab在振动信号处理中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[3]王自明.无损检测综合知识[M].北京：机械工业出版社，2005：20-61.

[4]郑继明，李仪.声卡在数据采集中的应用[J].国外电子测量技术，2000，（05）：28-29.