基于MATLAB的聲音信號頻譜分析儀

尹學(xué)愛　馬國利　馮偉偉

摘要：對聲音信號進行頻譜分析，是認識聲音信號和處理聲音信號的重要方法，因而基于聲音信號頻譜檢測具有重要的意義。通過PVDF壓電薄膜傳感器采集音頻信號，利用信號處理模塊、聲卡和MATLAB工程軟件對音頻信號進行頻譜分析，實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)信息的分析顯示。

關(guān)鍵詞：PVDF；壓電傳感器；信號處理；MATLAB；頻譜分析

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）04-0276-03

引言

語音信號處理技術(shù)是語音處理領(lǐng)域中新近發(fā)展起來的一個學(xué)科分支，頻譜分析技術(shù)是語音信號處理的基礎(chǔ)。聲音信號的采集與分析處理在工程應(yīng)用中是經(jīng)常需要解決的問題。如何實時采集聲音信號并對其分析處理，找出聲音信號的特征，在科學(xué)研究中是一項非常有意義的工作[1]。采用自行設(shè)計改進的PVDF壓電薄膜式聲音傳感裝置對音頻信號進行采集，通過放大、濾波、非線性轉(zhuǎn)換和信號轉(zhuǎn)換等信號處理模塊對采集的模擬音頻信號進行處理，再通過聲音頻譜軟件顯示出音頻信號的波形和各類頻譜數(shù)據(jù)信息。壓電傳感器采用PVDF壓電高聚物薄膜，具有良好的壓電和熱釋電效應(yīng)，可廣泛應(yīng)用于聲學(xué)設(shè)備，提高了音頻信號采集的精度。

一、設(shè)計流程

采用PVDF壓電高聚物薄膜自主設(shè)計改進音頻信號采集模塊，即壓電式聲音信號傳感器，產(chǎn)生的電信號通過基本放大電路、主放大電路、濾波模塊、非線性轉(zhuǎn)換模塊和信號轉(zhuǎn)換模塊進行信號處理轉(zhuǎn)換，處理后的信號以數(shù)字信號形式傳輸?shù)斤@示模塊。用MATLAB Guide制作人機交換界面，即音頻信號頻譜分析顯示虛擬儀器來分析顯示采集處理的聲音信號的波形和各類數(shù)據(jù)信息。

二、設(shè)計原理

1.信號采集。PVDF壓電膜具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性、高熱穩(wěn)定性、高抗紫外線輻射能力，以及高耐沖擊、耐疲勞能力，其化學(xué)穩(wěn)定性比陶瓷高10倍，匹配狀態(tài)好，應(yīng)用靈敏度高；PVDF壓電膜在厚度方向的伸縮振動的諧頻率很高，可以得到較寬的平坦響應(yīng)（0 500MHz），頻響寬度遠優(yōu)于普通壓電陶瓷換能器[2]。電容值高，相對介電常數(shù)較低，相應(yīng)較高的壓電常數(shù)值和熱信號靈敏度值；柔軟堅韌，PVDF的柔順系數(shù)約為PZT的30倍，能制成所需的各種較復(fù)雜的形狀。本儀器采用美國MEAS的SDT1-028K多功能的壓電薄膜技術(shù)產(chǎn)品自屏蔽壓電薄膜傳感器，縱向應(yīng)變系數(shù)高，內(nèi)含同軸電纜，頻帶響應(yīng)寬。

2.信號處理。采用功耗精密雙極OPA1611運算放大器，輸入電路提供非常高的輸入阻抗，極低輸入電流和高速性能，操作電源電壓從4V至36V（無論單或雙電源），它結(jié)合了壓電PMOS晶體管工藝和高電壓雙授晶體管的優(yōu)點（互補對稱金屬氧化物半導(dǎo)體），是一款性能卓越的運算放大器，可對信號進行有效的放大處理[3]。集成運放獲得了迅速發(fā)展，由它和R、C組成的有源濾波器，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點。此外，由于集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，而輸出阻抗又很低，由其構(gòu)成的有源濾波器還具有一定的電壓放大和緩沖作用[4]。

本裝置采用美國Burr-Brown公司推出的高集成度通用有源濾波器UAF42對信號濾波處理，使有用信號順利通過，同時對無用頻率信號進行抑制（或衰減）。UAF42通用性強、設(shè)計簡單，具有高精度頻率和高Q值的特點。

初步處理的聲音信號通過聲卡的模擬聲音信號的輸入和輸出功能實現(xiàn)聲波/數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換。經(jīng)過放大濾波后的信號經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換（A/D）電路和采樣保持（S/H）電路，得到8位或16位數(shù)字化聲音數(shù)據(jù)。其中數(shù)字信號處理器可以對聲音數(shù)據(jù)進行ADPCM壓縮，以DMA傳送接口方式，通過PC總線，把數(shù)據(jù)存儲到計算機磁盤上。采用12V 20AH蓄電池供電，LM2596多路開關(guān)電源控制輸出。LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性[5]。固定輸出有3.3V、5V、12V，具有高轉(zhuǎn)換效率、很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性、TTL關(guān)斷能力，還有一個可調(diào)輸出。在特定的輸入電壓和輸出負載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在±15%的范圍內(nèi)；可以用僅80μA的待機電流，實現(xiàn)外部斷電；具有自我保護電路[5]。

3.軟件實現(xiàn)。MATLAB（矩陣實驗室）是MATRIX LABORATORY的縮寫，是一款由美國The MATHWORKS公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。MATLAB是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境的數(shù)學(xué)軟件。它除了矩陣運算、繪制函數(shù)/數(shù)據(jù)圖像等常用功能外，還可以用來創(chuàng)建用戶界面及調(diào)用其他語言（包括C，C++和FORTRAN）編寫的程序[6]。它提供的GUIDE工具為可視化編程工具，可實現(xiàn)軟件的界面設(shè)計，故采用MATLAB作為編程語言實現(xiàn)聲音信號頻譜分析儀，對數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理。頻譜分析傅里葉變換將波形x（t）變換為頻譜x（f），從另一角度來了解信號特征。常見的傅里葉變換有DFT和FFT。在MATLAB中可利用函數(shù)FFT來計算序列的離散傅里葉變換DFT。FFT是時域和頻域轉(zhuǎn)換的基本運算。

三、結(jié)論

聲學(xué)在科技、醫(yī)療、航空等各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，例如超聲波探測、聲吶、聲學(xué)成像等。壓電式聲音信號檢測儀器可實現(xiàn)聲音信號的波形、頻譜、數(shù)據(jù)的綜合分析顯示，直觀顯示聲音信號，可用于聲學(xué)實驗的演示，操作便捷，演示效果科學(xué)明顯，可以彌補基礎(chǔ)聲學(xué)實驗教學(xué)儀器的空缺。

參考文獻：

[1]陳家焱，陳冬嬌，張達響.基于Matlab的聲音信號采集與分析處理[J].計算機與現(xiàn)代化，2005，（6）：91-92.

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[4]郭航宇，周鳳星，蘭建武.基于XBee-pro的布袋除塵檢漏無線控制系統(tǒng)[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報，2011，09（6）：795-798.

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[6]王巖，苗潤杰，蘇錫寰.利用MATLAB進行沖淤變化分析計算[J].港工技術(shù)，2014，（2）：69-71.endprint