基于聲卡的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)報(bào)告

中國(guó)石油大學(xué)〔北京〕實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：基于聲卡的數(shù)據(jù)采集班級(jí)：過(guò)程10-4班學(xué)號(hào)：2023063124姓名：任團(tuán)結(jié)基于聲卡的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握Labview軟件的根本使用方法；2、掌握利用Labview功能模板進(jìn)行虛擬儀器設(shè)計(jì)；3、了解聲卡的工作原理4、學(xué)習(xí)用Labview進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的根本過(guò)程。5、利用Labview8.2軟件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一臺(tái)虛擬數(shù)字錄音機(jī)，完成音頻數(shù)據(jù)采集、顯示、保存、處理、回放的功能。通過(guò)練習(xí)使用Labview設(shè)計(jì)數(shù)字錄音機(jī)。二、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備 1.計(jì)算機(jī)1臺(tái)、MIC1只、耳機(jī)1只 2．編程環(huán)境WindowsXP操作系統(tǒng)3.Labview實(shí)驗(yàn)軟件

1套三、實(shí)驗(yàn)原理1、聲卡的工作特點(diǎn)本設(shè)計(jì)采取的方法是在LabVIEW虛擬儀器環(huán)境中利用Windows自帶聲卡采集語(yǔ)音信號(hào)。從數(shù)據(jù)采集的角度來(lái)看,PC聲卡本身就成為一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它同時(shí)具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，不僅價(jià)格低廉，而且兼容性好、性能穩(wěn)定、靈活通用，軟件特別是驅(qū)動(dòng)程序升級(jí)方便。如果測(cè)量對(duì)象的頻率在音頻范圍(20Hz-20kHz)內(nèi)，而且對(duì)采樣頻率等指標(biāo)又沒(méi)有太高要求，就可以考慮使用聲卡。而語(yǔ)音音頻范圍一般在5kHz以?xún)?nèi)，滿足聲卡采集的要求。在采集語(yǔ)音信號(hào)前，要檢查聲卡的設(shè)置，保證已配置的輸入功能(錄音功能)不處于靜音狀態(tài)。主機(jī)通過(guò)總線將數(shù)字化的聲音信號(hào)送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)，將數(shù)字信號(hào)變成模擬的音頻信號(hào)同時(shí)，又可以通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)將麥克風(fēng)或CD的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種處理。衡量聲卡的技術(shù)指標(biāo)包括復(fù)音數(shù)量、采樣頻率、采樣位數(shù)(即量化精度)、聲道數(shù)、信噪比(SNR)和總諧波失真〔THD〕等。復(fù)音數(shù)量代表聲卡能夠同時(shí)發(fā)出多少種聲音，復(fù)音數(shù)越大，音色就越好，播放聲音時(shí)可以聽(tīng)到的聲部越多、越細(xì)膩;采樣頻率是每秒采集聲音樣本的數(shù)量，采樣頻率越高，記錄的聲音波形越準(zhǔn)確，保真度就越高，但采樣數(shù)據(jù)量相應(yīng)變大，要求的存儲(chǔ)空間也越多。采樣位數(shù)是指將聲音從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)(bit),位數(shù)越高，在定域內(nèi)能表示的聲波振幅的數(shù)目越多，記錄的音質(zhì)也就越高，例如16位聲卡把音頻信寫(xiě)的大小分為216=65536個(gè)量化等級(jí)來(lái)實(shí)施上述轉(zhuǎn)換。常用聲卡可對(duì)音頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)雙聲道16位、高保真的數(shù)據(jù)采集，最高采樣率可達(dá)44.1kHz,具有較高的采樣頻率與精度。對(duì)于許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程測(cè)量:來(lái)說(shuō)，聲卡對(duì)信號(hào)的量化精度和采樣率都是足夠高的，甚至優(yōu)于一些低檔的數(shù)據(jù)采集卡性能。2、LabVIEW采集語(yǔ)音信號(hào)LabVIEW中提供了一系列使用Windows底層函數(shù)編寫(xiě)的與聲卡有關(guān)的函數(shù).由于使用Windows底層函數(shù)直接與聲卡驅(qū)動(dòng)程序打交道，因而封裝層次低，速度快，而且可以訪問(wèn)、采集緩沖區(qū)中任意位置的數(shù)抓，具有很大的靈活性，能夠滿足實(shí)時(shí)不間斷采集的需要。在LabVIEW中，利用Windows聲卡對(duì)語(yǔ)音信寫(xiě)進(jìn)行采樣，SIConfig設(shè)置聲卡中與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的硬件參數(shù)，將device設(shè)置為0，采樣位數(shù)為單聲道16位，采樣頻率11025Hz,緩沖區(qū)長(zhǎng)度為默認(rèn)值8192字節(jié);SIStart通知聲卡開(kāi)始采集外部數(shù)據(jù);SIRead將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的內(nèi)容讀取到用戶(hù)程序的數(shù)組中，一次可讀取緩沖區(qū)長(zhǎng)度的一半((4096字節(jié))；SIStop通知聲卡停止采集外部數(shù)據(jù);SIClear完成最終的清理工作，釋放請(qǐng)求的一系列系統(tǒng)資源,Soundwave顯示語(yǔ)音波形、WhileLoop有兩個(gè)語(yǔ)句，第一個(gè)語(yǔ)句“WaitforRecordButton〞是在程序運(yùn)行后通知開(kāi)始錄入語(yǔ)音數(shù)據(jù)，第二個(gè)語(yǔ)句主要是為了能夠連續(xù)的讀入語(yǔ)音數(shù)據(jù)，在此語(yǔ)句中，“Casestructure〞在True情況下執(zhí)行停止錄音(False為默認(rèn)值)，移位存放器是為了讀出數(shù)據(jù)的連續(xù)性，循環(huán)利用120ms延時(shí)以降低循環(huán)的頻度，減少CPU負(fù)擔(dān)。四、實(shí)驗(yàn)步驟〔一〕、實(shí)現(xiàn)聲卡聲音信號(hào)的采集并保存利用【聲音】函數(shù)選板的【輸入】和【文件】子選板可以編程實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音信號(hào)的采集并保存。操作步驟：進(jìn)入LabVIEW8.20的啟動(dòng)界面后，執(zhí)行【文件】/【新建VI】菜單命令，創(chuàng)立一個(gè)新的VI。切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下，放置一個(gè)“波形圖〞控件，用于顯示采集到的聲音，并設(shè)置波形圖控件的標(biāo)簽為“聲音信號(hào)波形〞，再放置一個(gè)“確定按鈕〞和一個(gè)“停止按鈕〞，并分別更名為“聲音采集〞和“停止采集〞，用于啟動(dòng)和停止聲音采集。切換到程序框圖設(shè)計(jì)窗口下，在設(shè)計(jì)區(qū)放置一個(gè)“翻開(kāi)聲音文件〞函數(shù)節(jié)點(diǎn)，并將其下拉選項(xiàng)的值設(shè)為“寫(xiě)入〞。在設(shè)計(jì)區(qū)放置一個(gè)“配置聲音輸入〞節(jié)點(diǎn)、一個(gè)“讀取聲音輸入〞節(jié)點(diǎn)、一個(gè)“寫(xiě)入聲音文件〞節(jié)點(diǎn)、一個(gè)“聲音輸入清零〞節(jié)點(diǎn)，一個(gè)“關(guān)閉聲音文件〞節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)“While循環(huán)〞方框節(jié)點(diǎn)和一個(gè)“條件結(jié)構(gòu)〞節(jié)點(diǎn)，并按REF_Ref302830148\h圖6程序框圖設(shè)計(jì)連線。切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下，調(diào)整各個(gè)控件的位置。設(shè)置“路徑〞輸入框?yàn)椤癳:\soundtest.wav〞。單擊工具欄上程序運(yùn)行按鈕，點(diǎn)擊【聲音采集】按鈕，對(duì)著麥克風(fēng)放一段音樂(lè)，即可將聲音數(shù)據(jù)寫(xiě)入到指定的文件“e:\soundtest.wav〞中去。在波形圖控件中可以查看聲音信號(hào)的波形，如圖表一所示。單擊【停止采集】按鈕，結(jié)束程序運(yùn)行，可在E盤(pán)根目錄下看到聲音文件“soundtest.wav〞。圖表SEQ圖表\*ARABIC1聲卡聲音信息采集及保存實(shí)驗(yàn)原理圖圖表SEQ圖表\*ARABIC2聲卡聲音信息采集及保存程序運(yùn)行圖〔二〕實(shí)現(xiàn)對(duì)保存的聲音信號(hào)進(jìn)行讀取、播放并進(jìn)行頻譜分析利用【聲音】函數(shù)選板的【輸出】和【文件】子選板，加上【信號(hào)分析】選板的“頻譜測(cè)量〞節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)保存的聲音信號(hào)進(jìn)行讀取、播放并進(jìn)行頻譜分析。操作步驟：進(jìn)入LabVIEW8.20的啟動(dòng)界面后，執(zhí)行【文件】/【新建VI】菜單命令，創(chuàng)立一個(gè)新的VI。切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下，放置一個(gè)“確定按鈕〞，并更名為“分析播放〞。切換到程序框圖設(shè)計(jì)窗口下，在設(shè)計(jì)區(qū)放置一個(gè)“翻開(kāi)聲音文件〞函數(shù)節(jié)點(diǎn)，并將其下拉選項(xiàng)的值設(shè)為“讀取〞。在設(shè)計(jì)區(qū)放置一個(gè)“讀取聲音文件〞節(jié)點(diǎn)、一個(gè)“關(guān)閉聲音文件〞節(jié)點(diǎn)、一個(gè)“播放波形〞節(jié)點(diǎn)、一個(gè)“While循環(huán)〞節(jié)點(diǎn)、一個(gè)“條件結(jié)構(gòu)〞節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)“頻譜測(cè)量〞節(jié)點(diǎn)，并配置兩個(gè)“頻譜測(cè)量〞節(jié)點(diǎn)使其分別測(cè)量“幅度〔峰值〕〞和“功率譜〞。按REF_Ref302833661\h圖8程序框圖設(shè)計(jì)連線。切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下，調(diào)整各個(gè)控件的位置。設(shè)置“路徑〞輸入框?yàn)椤癳:\soundtest.wav〞。單擊工具欄上程序運(yùn)行按鈕，點(diǎn)擊【分析播放】按鈕，系統(tǒng)會(huì)讀取聲音文件“e:\soundtest.wav〞,可以聽(tīng)到來(lái)自電腦揚(yáng)聲器的聲音。在波形圖控件中可以查看聲音信號(hào)的頻譜波形和功率譜波形，如圖表3所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC3聲音信號(hào)讀取、播放、頻譜分析實(shí)驗(yàn)原理圖圖表SEQ圖表\*ARABIC4聲音信號(hào)讀取、播放、頻譜分析程序運(yùn)行圖〔三〕、實(shí)現(xiàn)對(duì)保存的聲音信息進(jìn)行濾波處理后再播放和進(jìn)行頻譜分析要實(shí)現(xiàn)對(duì)保存的聲音信息進(jìn)行濾波處理后再播放和進(jìn)行頻譜分析，只要在〔二〕的根底上添加【信號(hào)分析】選板的“濾波器〞節(jié)點(diǎn)就可以完成，另外為了加強(qiáng)系統(tǒng)的功能，本錄音機(jī)實(shí)現(xiàn)了既可以對(duì)原信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，也可以對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。操作步驟：翻開(kāi)步驟〔二〕的VI文件，切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下，添加一個(gè)“垂直搖桿開(kāi)關(guān)〞，并更名為“播放前是否濾波〞。切換到程序框圖設(shè)計(jì)窗口下，在設(shè)計(jì)區(qū)放置一個(gè)“濾波器〞節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置其濾波器類(lèi)型為“帶通〞，再放置一個(gè)“條件結(jié)構(gòu)〞節(jié)點(diǎn)，并按照?qǐng)D表3連線。切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下，調(diào)整各個(gè)控件的位置。設(shè)置“路徑〞輸入框?yàn)椤癳:\soundtest.wav〞。單擊工具欄上程序運(yùn)行按鈕，將【播放前是否濾波】開(kāi)關(guān)翻開(kāi)，點(diǎn)擊【分析播放】按鈕，系統(tǒng)會(huì)讀取聲音文件“e:\soundtest.wav〞,可以聽(tīng)到來(lái)自電腦揚(yáng)聲器的聲音，這聲音是經(jīng)過(guò)了濾波后的聲音。在波形圖控件中可以查看進(jìn)行濾波處理后的聲音信號(hào)的頻譜波形和功率譜波形，如圖表5所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC5對(duì)聲音進(jìn)行濾波、頻譜分析實(shí)驗(yàn)原理圖圖表SEQ圖表\*ARABIC6聲音信號(hào)濾波、頻譜分析程序運(yùn)行圖〔四〕、將聲音信號(hào)采集、濾波處理、播放和頻譜分析功能整合到一起前面已經(jīng)完成了〔一〕實(shí)現(xiàn)聲卡聲音信號(hào)的采集并保存、〔二〕實(shí)現(xiàn)對(duì)保存的聲音信息進(jìn)行濾波處理后再播放和進(jìn)行頻譜分析，在〔一〕和〔二〕的根底上就可以輕松地將聲音信號(hào)采集、播放和頻譜分析功能整合到一起。只要將〔二〕前面板的控件直接復(fù)制到〔一〕的前面板上，再將〔二〕中的程序框圖設(shè)計(jì)窗口的除最外的層的“While循環(huán)〞的其他節(jié)點(diǎn)直接移植到〔一〕的最外層“While循環(huán)〞里，然后將〔二〕中的路徑控件刪除，將其留下的線頭連接到〔一〕的路徑控件上就完成了。圖表SEQ圖表\*ARABIC7綜合程序?qū)嶒?yàn)原理圖圖表SEQ圖表\*ARABIC8程序運(yùn)行圖表〔已裝飾〕五、實(shí)驗(yàn)分析1、改變采樣模式〔連續(xù)和有限〕。分別在這2種模式下錄音觀察對(duì)錄音質(zhì)量有何影響？并分析為什么？在連續(xù)采樣的模式下，可以無(wú)限德采集聲音信息，無(wú)論聲音信息有多大，都可以被采集下來(lái)，而有限采樣就不能，他只能保證一次采樣的時(shí)間在3s左右，而其他的聲音信息都會(huì)喪失。這是由于采樣方式的變化，使得采樣的結(jié)果變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像如下圖：圖表SEQ圖表\*ARABIC9連續(xù)采樣錄音播放波形圖表10有限采樣錄音播放波形2、〔1〕增加每通道采樣數(shù)10倍任選一個(gè)倍數(shù)觀察對(duì)錄音質(zhì)量有何影響？并記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告里，并分析為什么？在連續(xù)采樣模式下，改變每通道采樣數(shù)，對(duì)錄音的結(jié)果沒(méi)有太大的影響，因?yàn)檫B續(xù)采樣的時(shí)間太長(zhǎng)，使得每通道采樣數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響根本沒(méi)有。在有限采樣模式下，當(dāng)把每通道采樣數(shù)增大10倍的時(shí)候，錄音上網(wǎng)質(zhì)量比之前好很多，更加接近原始聲音了，這是由于增加了通道采樣數(shù)，增加了采樣頻率和采樣時(shí)間，使得采集到的數(shù)據(jù)更加多，所以錄音質(zhì)量比之前要好。〔2〕減小每通道采樣數(shù)10倍任選一個(gè)倍數(shù)觀察對(duì)錄音質(zhì)量有何影響？并記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告里，并分析為什么？在有限采樣的模式下，減小每通道采樣數(shù)，由于采樣時(shí)間和采樣頻率的減小，聲音質(zhì)量變差。實(shí)驗(yàn)波形圖如下列圖所示：圖表11有限采樣增大每通道采樣數(shù)錄音播放波形圖表12有限采樣減小每通道采樣數(shù)錄音播放波形3、對(duì)聲音格式項(xiàng)的實(shí)驗(yàn)：改變采樣率觀察對(duì)錄音質(zhì)量有何影響？并記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告里，并分析為什么？隨著采樣率的增大，聲音會(huì)慢慢地失真，聲音質(zhì)量越來(lái)越差。由于采樣率增大，采樣時(shí)間也增大，相同時(shí)間里采集的數(shù)據(jù)就相對(duì)少了許多，使得聲音越來(lái)越不清晰。實(shí)驗(yàn)過(guò)程波形圖如下圖：圖表13改變采樣率對(duì)錄音質(zhì)量的影響波形圖4、觀察濾波前和濾波后的聲音的變化？并改變?yōu)V波的上下截止頻率，觀察聲音隨濾波截止頻率變化的情況，并說(shuō)明為什么會(huì)這樣變化。濾波前的聲音沒(méi)有變化，濾波后聲音變得模糊不清，有的甚至失真。不同的上下截止頻率產(chǎn)生的濾波后的聲音質(zhì)量也有所差異，上下截止頻率相差大的對(duì)聲音的影響小。如下圖：圖表14濾波前錄音的波形圖圖表15濾波后錄音的波形圖六、總結(jié)優(yōu)點(diǎn)：能在錄音前對(duì)錄音設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并能夠在錄音后，完成播放、頻譜分析、濾波去除噪聲這些一系列的工作。缺點(diǎn)：1、只能采用聲卡對(duì)聲音進(jìn)行采用，聲音位數(shù)相對(duì)固