基于LabView的声音信号处理综合实验设计

张丹，王凯，李长安，隋文涛

(1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博，255000；2.山东理工大学机械工程学院，山东淄博，255000)

0 引言

信号处理综合实验设计是许多理工科高校电子信息专业本科乃至硕士人才培养环节中极为重要的一环，通过该环节，不仅可以帮助学生理解专业理论知识，培养学生的创新思维和动手能力，而且从长远看，该环节将构成学生专业素养的重要部分，是学生成为合格科技工作者和工程技术人员的必备因素。

尽管如此，为了适应新工科建设的要求，开发信号采集与分析一体化的创新综合型实验，提高人才培养质量，是当前电子信息类新工科建设面临的一个重要问题。为此，许多高校开始着手建设电子信息创新性综合实验平台[1-3]，本文以近年来的研究科学热点声音信号处理为导向，研究出一套基于LabView控制的声音信号处理系统[5]，以期对声电类创新综合实验的设计产生些许推动作用。

它以图形化编辑软件LabView为基础，以个人计算机为硬件平台，通过控制USB数据采集卡和声音传感器进行声音的采集，以及数据的自动存储来获取信号时域数据。获取信号时域数据后通过LabView面板的编程进行傅立叶变换实现频谱分析，从而实现信号时域与频域的转换并获取转换前后的波形。相比较传统的声音信号处理方法，该系统具有灵敏度高，处理数据量大，连接线路简单，分析效果直观以及同时进行数据采集和分析的特点。

1 实验原理

为方便获取声音信号，以敲击板材或人声为例作为声音信号来源。信号由物理声音信号转化为电信号，AD转化后由labview虚拟仪器实现采集后波形的显示和分析功能[7]。

声音信号采集模式采用连续采集，线路连接根据数据采集卡的不同相应改变，比如NI-6009与传感器连接时采用单端方式，而NI-9229则需采用差分方式。同时设置采样率不超过所用采集卡的最大采样率，NI-6009最大为48KS/s，NI-9229最大为50KS/s。实验中设置采样率为20k，既能快速采集声音数据，又能保证其满足采集卡采样率。模数转换后，利用LabView中的按键控制、图表显示等进行编程，将声音信号波形实时地显示出来，获取其时域特征值：有峰值、均值、方差、峭度值等。传感器抗干扰能力不同，加入低通滤波器观察波形变化，200Hz的截止频率能满足实验要求。

图1 系统信号转换流程图

频域分析加汉宁窗设计有限脉冲响应数字滤波器。选择窗函数时注意过渡带宽和最小阻带衰减，矩形、巴特利特、汉宁、哈明、布莱克曼窗随着过渡带宽的增大，最小阻值衰减减小[4]。本实验中选择汉宁窗较为合适，窗的长度N设置为13。

图2 实验采集装置

2 声音信号采集及分析实验系统

2.1 声音信号采集实验系统

连续采集时，可由5个底层VI组成电路：创建通道、采样时钟、开始任务、数据读取、结束任务，设置完成采样通道如ai0、采样电压最大最小值、单端连接方式、采样率和采样点数后通过控制while循环连续不断采集。当采集发生错误或按下停止按钮后，采集停止。

图3 连续采集系统程序

除了用底层VI外，还可以利用数据采集助手进行连续采集，同时进行声音信号的存储，存储为声音文件，文件格式为.WAV。运行程序，敲击板材或发出人声后采集，通过图表用波形表达，同时将采集到的声音存储为声音文件，用播放器播放声音文件，起到一个录音功能[8]。

图4 采集并存储为声音文件

2.2 声音信号分析实验系统

将采集到的声音信号显示出其时域波形后，获取其时域特征值[6]，实验过程中会有工频和噪声的干扰，因传感器本身有抗干扰模块，工频干扰可忽略。根据高频噪声的特点，如图2.2加入模拟低通滤波器，具体滤波器设置如图2.3所示。设置200Hz截止频率可较完整得到波形，也可根据不同实验环境及时更换设置[9]。

图5 设置模拟低通滤波器

另外，时域获得的信号波形衰减较快，用频域分析来弥补其不足。用傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，利用窗函数加窗设计数字滤波器进行频谱分析。观察频域波形图来形象判断声音特征。

图6 频域分析波形特征

3 实验步骤

将创建通道VI设置好最大值最小值并以ai0通道采集电压值，设置模拟滤波器截止频率为200Hz，连线方式为单端，采集方式为连续采集后，接下来的声音信号处理实验中学生主要完成以下个任务，分别是：

图7 时域频域波形对比

第一：将传感器的地端与数据采集卡连接，传感器电源由采集卡供电，传感器模拟输出端与采集卡ai0相连。

第二：运行采集程序，获得声音信号时域波形，观察并记录波形特征值。

第三：设置不同的截止频率，加入模拟低通滤波器观察滤波前后波形的变化。

第四：快速傅里叶使其频域转化后，进行时域频域波形对比，并对不同的对象（如敲击板材的不同）观察频谱变化。

学生首先连接电路再运行程序，要求学生在实验中了解信号转化关系，电路连接原理，并通过设置参数来对比观察波形的不同，明白时频域转化过程并分析其特征。

4 结论

为加快我校新工科建设步伐，推动实验平台建设，设计并研制了基于LabView的声音信号处理综合实验平台，并实现了平台的正常运行。通过实验，测试了平台的稳定性和可靠性。该平台的搭建，不仅可以帮助学生理解专业知识，掌握实验技能，学以致用，而且可以开拓视野，培养学生的创新思维和综合能力。