虚拟音频频谱分析

０１　ｌｌ　ｌ虚　￡　音频频谱分析　ｈｎａｌｙｚｅ　ｏｆ　Ｉｍｉ　ｔａｔｅ　Ａｕｄｉ０　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ　齐海东’姜文龙’王立忠’刘艳虹　Ｑｉ　Ｈａｉｄｏｎｇ　Ｊｉａｎｇ　Ｗｅｎｌｏｎｇ　Ｗａｎｇ　Ｌｉｚｈｏｎｇ　Ｌｉｌｌ　Ｙａｎｈｏｎｇ　顿烦潜　分　析　１３６０００）　（１．吉林师范大学信息技术学院，四平１３６０００；２．四平世英中学，四平（１．Ｃｏｌ　ｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｌｉｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｉ　ｐｉｎｇ　１　３６０００；　２．Ｓｉｐｉｎｇ　Ｓｈｉｙｉｎｇ　Ｍｉｄｄｌｅ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｓｉ　ｐｉ　ｎｇ　１　３６０００）　摘要：本文讨论的内容是如何使用ＭＡＴＬＡＢ对模拟信号进行测量的问题。文中使用ＭＡＴＬＡＢ数据采集工具箱来采集音频　信号，并且对所采集的音频信号进行频谱分析，最后将分析的结果显示在电脑窗口上　文章主要介绍了音频信号分析的步骤，　对音频信号进行分析的程序等。　关键词：ＭＡＴＬＡＢ，数据采集：音频信号：频谱分析　中图分类号：ＴＰ３９１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—４７９２一（２００６）８—００８７一Ｏ２　ＴＬ、Ｂ　ｓｊｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｉｇｎａｌｓ．ｕｓｉｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｏｆ　￣Ｌ，ＸＴＬ　Ｂ　ｔｏｏｌｂｏｘ　ｔｏ　ｃｏｌｌｅｃｔ　ａｕｄｉｏ　ｓｉｇｎａｌｓ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ　ｓｐｅｃｔｉ’ａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａｕｄｉｏ　ｓｉｇｎａｌｓ．ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｗｉｌ１　ｄｉｓｐｌａｙ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄｏｗ．Ａｕｄｉｏ　Ｓｉｇｎａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｄｏｒ　ｓｔｅｐｓ．ｓｕｃｈ　ａｓ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　ｆｍ’ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａｕｄｉｏ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｍｅｔｉｏｎｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ．　Ｋｅｖｗｏｒｄｓ：．￣ｔＡＴＬ　Ｂ；Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；Ａｕｄｉｏ　Ｓｉｇｎａｌ：Ｓｐｅｃｔｒｕｍ　Ａｎａ１ｙｚｅ　０引言　频谱分析仪是一种用来对被测信号进行频率及频谱分析　的重要测量仪器，被广泛应用于电声测量、音频制作、信号　分析乃至振动测量等领域。它可把采集到的音频信号保存下　（２）为ａｉ建立两个通道。　Ａｄｄｃｈａｎｎａｌ（ａｉ，１：２）；　（３）设置采样频率为４４．１Ｍｌｚ。　Ｓｅｔ（ａｉ．’ＳａｍｐｌｅＲａｔｅ’．４４１Ｏ０）　来，从而，对已有的音频波形文件进行分析，但是这样的仪　器购买价格比较高，对一些教学单位造成了较大的经济负　担。本文所介绍的音频频谱分析方法在很大程度上克服了上　述矛盾。这种方法主要是利用Ｍ，￣ＴＬＡＢ６．５的数据采集工具箱　和电脑中的声卡借助麦克风把模拟音频信号输入到电脑中，然后将输入信号在￣ＴＬＡＢ的工作平台上进行分析，把分析的结果——声音波形及其频谱显示在电脑的屏幕上。该系统所　用设备简单，使用方便，分析精度较高，具有较大的优越性。１　数据采集工具箱功能及频谱分析过程　数据采集工具箱是基于ＭＡＴＬＡＢ科学计算工作平台的Ⅵ一　ｆｉｌｅ函数和．￣ｔＥＸ—ｆｉｌｅ动态链接库的集合。工具箱提供了以　‘］　｛峰能：　Ｓｅｔ（ａｉ，’ＳａｍｐｌｅＰｅｒＴｒｉｇｇｅｒ’．４４１Ｏ０）　（４）启动模拟输入对象（这里指声卡），开始采集，当　所有数据已经被采集，对采集到的数据绘图。　Ｓｔａｒｔ（ａｉ）；　Ｄａｔａ＝ｇｅｔｄａｔａ（ａｉ）；　Ｐｌｏｔ（ｄａｔａ）　（５）撤销声音输入对象ａｉ。　Ｄｅｌｅｔｅ（ａｉ）　Ｃｌｅａｒ（ａｉ）　２频谱分析流程　频谱分析流程如图一所示。　一一　具有灵活的方案，通过使用ｐ　一　。　ｐ　ｔ　１。、ｐ１　ｇ—ｉ　数据库硬件使数据符合￣ＴＬＡＢ的要求；　②支持模拟输入（ＡＩ）、模拟输出（．＾ｏ）和数字１／ｏ（ＤＩＯ）　子系统，也包括同时的模拟Ｉ／Ｏ转化；　④ＭＡＴＬ　Ｂ数据采集工具箱支持声卡。　信号波形的生成使用绘图函数就可以完成，而信号的频　谱可通过快速傅立叶变换得到。通过麦克风把模拟音频信号　输入电脑声卡来获取声音数据，大致步骤如下：　（１）设声卡为模拟输入对象ａｉ。　ａｉ＝ａｎａｌｏｇｉｎｐｕｔ（‘ｗｉｎｓｏｕｎｄ’）；　ｌ　壹　董　±卜Ｉ！薹墨墨篁卜　壁璺卜　董　一　堑塾量Ｉ　图一频谱分析流程　３程序清单及分析结果　将麦克风插入电脑声卡麦克的输入插口，在　＼ＴＬ、Ｂ的命　令窗口键入函数的使用方法，对着麦克风发声，按一下回车　键（发声与确定同时进行），信号的波形即出现在电啮的窗　口ｌ：，用鼠标点击波形图上的点，直到满足你要求的个数；　随后，再按一下任意键，信号的频谱即出现在电脑窗口上，　如图二所示。用鼠标点击频谱图上的点，直到所要求的个数，　此时，相应的时间值、电压值、频率值和幅度值即出现在　７７　维普资讯 http://www.cqvip.com

￣，ＩＡＴＬ、Ｂ的命令窗口上，如表一所示。　音频频谱分析的程序清单如下：　ｆｕｎｃｔｉｏｎ［ｓｅｃ，ｖｏｌ，ｆｒｅ，ｍａｇ］＝　、ｄｉｏＳｔｒｅｍ（ｄｕｒａｔｉｏｎ　ｐｌｏｔ（ｆ，ｎ丑ｇ）：　ｇｒｉｄ　ｏｎ；　，ｒａｔｅ）；　％ＡＵＤ１０　ＳＰＥＣＴＲＵＭ　ＡＸＡＬＹＳＥＲ　２００４，４，１；　％Ｕｓａｇｅ：［ｓｅｃ，ｖｏｌ，ｆｒｅ，ｍａｇ］＝ＡｄｉｏＳｔｒｅｍ（ｄｕｒａｔｉｏｎ，　ｒａｔｅ）；　％ｕｓｉ　ｎｇ　ｓｏｕｎｄｃａｒｄ；　％［ｆ，ｍａｇ］＝ｄａｑｄｏｃｆｆｔ（ｄａｔａ，ｆｓ，ｂｌｏｃｋｓｉ　ｚｅ）；　ｉ　ｆ　ｎａｂｇ　ｉ　ｎ＜２％输入一个参数或不输入参数，程序认为　ｒａｔｅ＝８０００，而输入的是ｄｕｒａｔｉｏｎ；　ｒａｔｅ＝８０００；　ｅｎｄ；　ｉｆ　ｎａｒｇｉｎ＜１％无输人参数时，程序默认为ｄｕｒａｔｉｏｎ＝ｌ／　３０；　ｄｕｒａｔｉｏｎ＝１／３０；　ｅｎｄ；　．　ａｉ＝ａｎａｌｏｇｉｎｐｕｔ（’ｗｉｎｓｏｕｎｄ’）；　ｃｈａｎ＝ａｄｄｃｈａｎｎｅｌ（ａｉ，【１　２】）；　ｓｅｔ（ａｉ，’１ｏｇｔｏｄｉｓｋｍｏｄｅ’，。ｏｖｅｒｗｒｉｔｅ’）　ｓｅｔ（ａｉ，’ｌｏｇｇｉｎｇｍｏｄｅ’，’ｄｉｓｋ￣ｎｅｍｏｒｙ’）　ｓｅｔ（ａｉ，’ｔｒｉｇｇｅｒｔｙｐｅ’，’ｉ彻ｅｄｌａｔｅ’）　ｓｅｔ（ａｉ，’ｓａｍｐｌｅｒａｔｅ’，ｒａｔｅ）　ａｃｔｕａｌ　ｒａｔｅ＝ｇｅｔ（ａｉ，’ｓａｍｐｌｅｒａｔｅ’）；　ｓｅｔ（ａｉ，’ｓａｍｐ１ｅｓｐｅｒｔｒｉｇｇｅｒ　，ｄｕｒａｌｉｏｎ‘ｒａｔｅ）％Ｆｏｒ　ｚｏｏｍ　ｉｎ×ａｘｅｓ．ｔｈａｔ　ｐｌｏｔ　ｌａｔｅｒ；　ｆｓ＝ａｃｔｕａｌｒａｔｅ；　ｄｔ＝ｌ／ｆｓ；　ｓｔａｒｔ（ａｉ）；　［ｄａｔａ，ｔｉｍｅ］＝ｇｅｔｄａｔａ（ａｉ）；　ｂｌｏｃｋｓｉｚｅ＝ｄｕｒａｔｉｏｎ‘ｒａｔｅ；　２２０５０；　［ｆ，ｍａｇ］＝ｄａｑｄｏｃｆｆｔ（ｄａｔａ，ｆｓ，ｂｌｏｃｋｓｉｚｅ）；　ｆｉｇｕｒｅ；　ｓｕｂｐｌｏｔ（２，１，１）；　ｐ１ｏｔ（ｔｉｍｅ，ｄａｔａ）；　ｇｒｉｄ　ｏｎ；　ｔｉｔｌｅ（。ｉｎ￣ｎｅｄｉａｔｅ　ｔｒｉｇｇｅｒ。）；　ｘｌａｂｅｌ（’ｔｉｍｅ（ｓ）。）；　ｙｌａｂｅｌ（。ｖｏｌｔｓ（ｖ）。）；　【ｓｅｃ，ｖｏｌ】＝ｇｉｎｐｕｔ（１Ｏ）；　ｐａｕｓｅ；　ｓｕｂｐｌｏｔ（２，１，２）；　ｈｏ】ｄ　ｏｎ：　图二某人的发声的声音波形图和它的频谱图　［ｆｒｅ，ｍａｇ］＝ｇｉｎｐｕｔ（１０）；　ｔｉｔｌｅ（。ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｏｕｎｄ’）；　ｘｌａｂｅｌ（。ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（Ｈｚ）。）；　ｙｌａｂｅｌ（。ｍａｇｎｉｒｕｄｅ（ｄｂ）。）；　ｄｅｌｅｔｅ（ａｉ）；　Ｃ】ｅａｒ　ａ｛：　根据香侬定理，４４．１　ＫＨ　ｚ的采样频率能够完整地复现　２０ＫＨｚ的音频。对于不同的音频频段，采样频率可由用户自　定义，但不能低于８Ｋｌｔｚ。　在￣，ＩＡＴＬＡＢ窗口下，键入［ｓｅｃ，ｖｏ１，ｆｒｅ，ｍａｇ】＝　ＡｄｉｏＳｔｒｅｍ，即可分析４ＫＨｚ以下的音频频率。如果分析４ＫＨｚ　以上的音频频率，则要给出函数的输入参数ｄｕｒａｔｉｏｎ的值。　如果ｄｕｒａｌ　ｉ　ｏｎ的数值很小，比如ｌ／ｌＯ０，８ＫＨｚ以下的波形能　够看得清楚。对于ｒａｔｅ的值，即采样频率，可设为４４１００Ｈｚ。　当按下回车键后，触发的波形即出现在桌面上，随着光标带　的移动来选择你喜欢的符合程序要求的数目的几个点，点击　鼠标左键直到光标不存在，然后再按一下任意键，频谱图随　即出现在波形图的下面，以同样的方法来移动光标确定你想　要的几个点，点击鼠标左键直到光标不存在为止，此时返回　到ＭＡＴＬＡＢ命令窗口，即可看到波形图和频谱图所对应的测量　值，如表一所示。　表一电脑对声音波形分析后显示的数据　Ｓｅｃ　Ｓ　ｖｏｌ（Ｖ）　ｆｒｅ（ＫＨｚ１　ｍａｇ（ｄＢ１　０＿００Ｉ７　０．１４７２　０．０８６４　７．７２４ｌ　０．００２６　０．２４７２　０．３ｌ６８　５．５ｌ７２　０．００４６　０．Ｉ　５８３　０．６０４８　２３．７２４１　０　００５７　０　２４７２　０．９５０５　２５．９３ｌ０　０．００７７　０．Ｉ６９４　Ｉ．３５３７　２４．８２７６　０．００８６　０．２６３９　１．９８７３　ｌ２．６８９７　０．０Ｉｌ０　０．１４７２　２．２７５３　ｌ２．６８９７　０　０Ｉｌ８　０．２３６ｌ　２．５０５８　６．６２０７　０．０Ｉ　３８　Ｏ．１４７２　３．０２４２　０　５５ｌ７　０．０ｌ４８　０．２４７２　３．８８８２　Ｉ　ｌ０３４　现输入命令【ｓｅｃ，ｖｏｌ，ｆｒｅ，ｍａｇ】＝ＡｄｉｏＳｔｒｅｍ（１／３ｏ，　４４１００），分析结果如一Ｆ：　＞＞［ｓｅｃ，ｖｏｌ，ｆｒｅ，ｍａｇ］＝ＡｄｉｏＳｔｒｅｍ（１／３０，４４１００）　４结束语　由波形图、频谱图和给出的数据得知，此人发出的声音　能量最高频率的周期约为Ｔ：（ｏ．０１４８－０．００１７）／９　０．Ｏ０１５ｓ，　其对应的频率约为Ｆ＝Ｉ／Ｔ　６６６Ｈｚ。在频谱图上，点出３１６．　８Ｈｚ处所对应的幅度为近５．５１７２ｄｂ。由此可见，￣ＴＬＡＢ是一　种能够对线性系统进行分析和仿真的方便而快捷的工具。　参考文献　［１］周金萍，王冉，吴斌．ＭＡＴＬＡＢ６实践与提高【＼．Ｉ］．北京：　中国电力出版社，２００２．　［２Ｊ车晴．电子系统仿真与￣，ＩＡＴＬＡＢ【＼１］．北京：北京广播学　院出版社，２０００．　［３］伍湘涛．音乐知识与名曲赏析　．北京：航空工业出　版社．１９９３．　作者简介　齐海东（１９７８一），男，吉林通榆人，讲师，主要从事　无线电物理方面的教学与研究工作。