聲發(fā)射及其聲卡檢測(cè)方法的研究

文長(zhǎng)城　汪德佳　于琪琳

摘要：聲卡是多媒體技術(shù)中最基本的組成部分，是實(shí)現(xiàn)聲波與數(shù)字信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的一種硬件，因而聲卡的質(zhì)量對(duì)接收信號(hào)以及信息的完整性和準(zhǔn)確性有極大的影響。文章對(duì)于聲卡的質(zhì)量檢測(cè)給予一種無損量化的評(píng)價(jià)和檢測(cè)方法。這種方法同時(shí)也可以應(yīng)用于其它具有聲發(fā)射現(xiàn)象元件的量化檢測(cè)。檢測(cè)過程基于聲發(fā)射器和示波器等硬件，利用MATLAB軟件將不同波形進(jìn)行對(duì)比，最終計(jì)算得出聲卡的完好系數(shù)。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射；聲卡；無損檢測(cè)；量化檢測(cè)；完好系數(shù)

中圖分類號(hào)：TB52+9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）02-0064-02

1 引言

聲卡主要由數(shù)字信號(hào)處理芯片、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、總線接口芯片、音樂合成器、混音器五部分組成。其基本功能是把來自話筒、磁帶、光盤的原始聲音信號(hào)加以轉(zhuǎn)換，輸出到耳機(jī)、揚(yáng)聲器、擴(kuò)音機(jī)、錄音機(jī)等聲響設(shè)備，或通過音樂設(shè)備數(shù)字接口（MIDI）使樂器發(fā)出美妙的聲音。其基本原理為：聲卡從話筒中獲取聲音模擬信號(hào)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），將聲波振幅信號(hào)采樣轉(zhuǎn)換成一串?dāng)?shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。重放時(shí)，這些數(shù)字信號(hào)送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），以同樣的采樣速度還原為模擬波形，放大后送到揚(yáng)聲器發(fā)聲，這一技術(shù)稱為脈沖編碼調(diào)制技術(shù)（PCM）。

2 研究方法與實(shí)驗(yàn)步驟

利用聲發(fā)射器配套軟件，可編寫出在二維直角坐標(biāo)系中用簡(jiǎn)單函數(shù)表示的波形表達(dá)式，由此就可以表示其波形的圖像，如正余弦函數(shù)、方波、鋸齒波，暫且將此函數(shù)表示為y=，將其圖像稱為圖像。首先將此波的一段時(shí)間內(nèi)即0—時(shí)段內(nèi)的波形轉(zhuǎn)換為Excel文件存儲(chǔ)下來，方便MATLAB讀取，然后將電腦通過聲發(fā)射軟件與聲發(fā)射器、示波器相連，將已編輯好的波形傳輸給聲發(fā)射器，聲發(fā)射器再將之傳給示波器，示波器接收信號(hào)并顯示在界面上供實(shí)驗(yàn)人員觀察，觀察大致無誤，再將示波器顯示波形以Excel文件格式存儲(chǔ)下來，取不同的波形多次相同操作，并將數(shù)據(jù)如實(shí)記錄。本文的研究將聲卡的有無作為實(shí)驗(yàn)的主要變量，實(shí)驗(yàn)所用的聲波是人為用聲發(fā)射模擬軟件編寫的簡(jiǎn)單波形。我們會(huì)將設(shè)計(jì)的聲波記錄下來，之后將編輯的波形利用聲發(fā)射器轉(zhuǎn)換成聲波，再將之顯現(xiàn)在示波器上，利用示波器得到聲波的二維波形。所得到的波形實(shí)際上是設(shè)計(jì)波形經(jīng)過聲發(fā)射其中的聲卡轉(zhuǎn)換的結(jié)果，這就與設(shè)計(jì)波形有了很大的區(qū)別，兩者之間的不同就體現(xiàn)了聲卡轉(zhuǎn)化能力的體現(xiàn)，也是聲卡好壞的體現(xiàn)。依照理想狀況的，聲卡的轉(zhuǎn)換能力是完美的，那么聲波在被轉(zhuǎn)換的過程中，無論是設(shè)計(jì)聲波的振幅、頻率和相位，還是時(shí)長(zhǎng)等其他因素都應(yīng)該被完全的保留。換句話說，就是所得波形與設(shè)計(jì)波形完全重合。然而，理想狀況是不存在的，設(shè)計(jì)波形與所得波形必有一定的差距，因此，一定的誤差是在允許的范圍內(nèi)。

其次，設(shè)計(jì)波形是具有很強(qiáng)特征的波形，將這樣的波形放在一起對(duì)比，特別是在一定誤差范圍內(nèi)，直接對(duì)比起來是有一定難度的。因此，一種簡(jiǎn)單合理、數(shù)字化又可行的對(duì)比方法是必要的。圖像對(duì)比是最直觀的對(duì)比，在圖像中一次函數(shù)的對(duì)比無疑是最直觀的，兩個(gè)不重合的一次函數(shù)在同一坐標(biāo)系中的差別就只有兩項(xiàng)，那就是截距和夾角。設(shè)想在理想狀況下，我們將設(shè)計(jì)波形的橫坐標(biāo)與實(shí)驗(yàn)所得波形的橫坐標(biāo)組成點(diǎn)，并繪制成散點(diǎn)圖，那么理論上所有的點(diǎn)必定都在正比例函數(shù)的直線上。而實(shí)際上并非如此，依照上述方法所得的圖像即使用線性回歸的方法得到一條直線，也必然與理想的直線有截距和夾角的差距，而這種差距就是我們?cè)u(píng)價(jià)聲卡質(zhì)量的依據(jù)。

3 分析過程

本實(shí)驗(yàn)所用的儀器聲發(fā)射器中自帶聲卡編輯的波形是標(biāo)準(zhǔn)波形，作為原始波形記錄，以此波形的縱坐標(biāo)為自變量x，以示波器顯示波形的縱坐標(biāo)為因變量y，利用MATLAB編程，將（x，y）的散點(diǎn)圖繪制出來，用最小二乘法求出線性表達(dá)式y(tǒng)=ax+b中的系數(shù)a和b，以及線性相關(guān)系數(shù)R，并將y=x的圖形與之顯示在同一圖形上（如圖1）理論上分析可知，如果聲發(fā)射器是理想狀態(tài)的，在信號(hào)轉(zhuǎn)換中對(duì)于原波形沒有影響，那么實(shí)驗(yàn)波形與原始波形相比沒有變動(dòng)，那么得到的直線表達(dá)式應(yīng)該接近于，即a=1，b=0，與x軸的夾角為，從圖形上來看來兩條直線應(yīng)該是重合的（如圖2）但實(shí)際情況是實(shí)際得到的直線必定與有一定的夾角α，如圖1和圖2，我們?cè)O(shè)，當(dāng)Q越接近于1時(shí)，表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)越接近，聲卡質(zhì)量越好，相關(guān)系數(shù)R表征實(shí)驗(yàn)的可信程度，R越接近于1，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)越集中，結(jié)果越可靠?？梢詫稱為完好系數(shù)與R為可信系數(shù)，Q越接近于1，聲卡越完好，R越接近于1，評(píng)價(jià)結(jié)果越可信。

4 計(jì)算部分

將原始數(shù)據(jù)表示為兩個(gè)數(shù)組t[1000]和x[1000]，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為t[1000]和y[1000]，t是時(shí)間變量可是設(shè)為相同，方便同一時(shí)刻的原始波形與實(shí)驗(yàn)波形想對(duì)比，首先將原始波形與實(shí)驗(yàn)波形做對(duì)比如圖3和圖4，然后用MATLAB畫出（x，y）的散點(diǎn)圖，用最小二乘法做線性回歸計(jì)算，得到回歸直線y=ax+b中的系數(shù)a和b，以及線性相關(guān)系數(shù)R如圖5，也就是本文的可信系數(shù)，緊接著按公式計(jì)算完好系數(shù)，其中，在此處令b，因?yàn)閎屬于系統(tǒng)誤差，而且表示實(shí)驗(yàn)波形在時(shí)間上相對(duì)原波形的延遲，不屬于本文研究?jī)?nèi)容，在MATLAB中的計(jì)算程序如下：

5 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)中預(yù)先設(shè)計(jì)波形圖，利用聲卡將之轉(zhuǎn)換為聲波，得到經(jīng)過聲卡轉(zhuǎn)換后的聲波圖形，用數(shù)學(xué)方法將設(shè)計(jì)波形圖與原波形對(duì)比，證實(shí)這種檢測(cè)評(píng)價(jià)聲卡的方式可行，但實(shí)驗(yàn)也有缺陷，外界干擾對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，而且對(duì)于所得系數(shù)在何等范圍內(nèi)表示聲卡對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換影響可以忽略不計(jì)也沒有定論，期待后期改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法并進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)確認(rèn)和求證。

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