基于Matlab的音频数据采集系统的分析与评价

翟继涛　雷洪

摘要：介绍了两种采集音频信号的方法，一种是基于声卡和Matlab的音频信号数据采集系统，该方法具有价格低廉，简单易行的优点；另一种是专业音频信号数据采集系统。实验结果表明，基于声卡和Matlab的音频信号采集系统精度低，可靠性差；小型风机噪声信号的主要频率段是100～200Hz，电视节目音频信号的主要频率段是300～700Hz。

关键词：音频信号；声卡；MATLAB；数据采集；傅里叶变换

中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）17-4134-03

Analysis and Evaluation for the Audio Data Acquisition System Based on Matlab

ZHAI Ji-tao， LEI Hong

（Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials， Ministry of Education， Northeastern University， Shenyang 110004， China）

Abstract： There are two system to get audio signal data in this paper. One is based on the soundcard and Matlab. This is an easy， cheap and simple system. Another is the professional audio signal data acquisition system. The experimental data shows that， The soundcard and Matlab system is a low-precision and poor-stability system. The main frequency band of noise signal of the small fan is 100 ～ 200Hz， the main frequency band of audio signal of the TV program is 300 ～ 700Hz.

Key words： audio signal； soundcard； Matlab； data acquisition； Fourier transform

1 概述

音频数据的采集与分析对于噪声信号的研究十分重要，而音频数据的采集是噪声信号分析的基础，它的准确性直接决定了噪声研究的可靠性。

基于Matlab的音频数据采集系统[1，2]（麦克风，计算机声卡和Matlab的结合）能够廉价、方便地实现对声音信号的采集和分析，但是此种方法的准确性却未曾得到评价。因此，该文利用高精度的传声器、专业数据采集器和商业软件与基于Matlab的音频数据采集系统对相同音频信号进行同时同地采集，然后将各自分析处理得到的声音数据进行对比，找出基于Matlab的音频信号采集系统与专业音频信号采集系统之间的差异，并分析了常见音频信号的频谱特征。

2 声音信号采集和分析

2.1 基于MATLAB软件的声音采集系统

MATLAB软件的数据采集工具箱能够完成音频信号的数据实时采集。首先，麦克风对外部环境的声音信号进行采集并转换为电压的模拟信号，然后，将模拟信号通过声卡的A/D转换功能将其转换为数字信号，最后，应用Matlab软件对采集得到的数字信号进行分析处理，得到时间-声压数据[2]，如图1所示。本实验中，用基于计算机声卡和外接麦克风的硬件环境，在WINDOWS 7操作系统下利用Matlab 7软件开展实验，设定采样频率为44100Hz，采样时间为10s，实现声音采集的Matlab程序见参考文献[1，3]。

2.2 专业声音采集系统

专业声音采集系统主要由北京声望声电技术有限公司生产的MP201型传声器，MA231型前置放大器，MC3022型二进二出数据采集器和VA-Lab测试系统软件组成。在本实验中，采用计算机Window7操作系统，设定采样频率为44100Hz，采样时间为10s，利用图2所示的单通道录音分析界面，得到时间-声压的数据。

2.3 数据后处理分析

基于以上两种方法得到的时间-声压数据，导入到FORTRAN程序对其进行傅里叶变换[4]，从而最终获得频率-幅值曲线。傅里叶变换的一般性数学描述如下表示 ：

[yt=A02+n=1∞Ancosnωt+Bnsinnωt=P0+n=1∞Pnsin（nωt+?n）] （1）

式中：[P0=A02]是周期函数的直流分量；

[Pn=A2n+B2n]是各次谐波分量的振幅；

[ω]是角频率；

[?n=-tan-1BnAn] 是各次谐波分量的初相位；

3 结果与讨论

图3是针对小型风机采集的噪声数据的时域图和相应的频域图。图3（a）表明采用Matlab和专业软件VA-Lab所采集的10秒时域图存在明显差异。当声压超过1Pa时，Matlab数据采集系统就失真，只能记录为1Pa，而VA-Lab数据采集系统无此限制；对于相同音频信号，Matlab系统采集的数据失真严重，表现形式为时域图较VA-Lab的时域图稀疏。

图3（b）表明Matlab频域图与VA-Lab频域图同样存在明显差异。相同之处是上下两图在接近0Hz处，幅值都先急剧增大，然后快速降低，在大于10kHz的高频段，其幅值都低于0.0015Pa。差异之处是采用Matlab得到的频域图，主要频率段为0～200Hz，4000～7000Hz，8000～10000Hz，第一峰值坐标为（4，0.02899），第二峰值坐标为（5614，0.00949），第三峰值坐标为（8831，0.00423）；而采用VA-Lab得到的频域图，主要频率段为0～100Hz，100～200Hz，600～1000Hz，第一峰值坐标为（154，0.03959），第二峰值坐标为（13，0.02288），第三峰值坐标为（805，0.01447）。经对比发现，两图的峰值都是随着横坐标的增大而减小；但是峰值所在的频率范围却存在巨大差异。说明基于MATLAB的音频信号采集系统可靠性低，精确度差。endprint

对于以上对比出现的情况，分析Matlab音频采集系统可靠性低可能的原因如下：

1）麦克风的信号噪声比低，而且麦克风和测声的专业传声器相比，频率响应范围小，瞬时响应特性慢，灵敏度不一样，麦克风也没有进行校准标定，不适用于计量，所以导致两者信号处理偏差很大。

2）声卡相比于数据采集器来说，毕竟不是专门用来分析数据的，而且声卡的背景噪音比数据采集器大，所以存在误差。

图4是对电视节目声音信号进行的频域分析，通过Matlab的频域图可以看出信号的主要频率段0～20Hz，3200～3400Hz，第一峰值坐标为（6，0.01375），第二峰值坐标为（3321，0.0005），通过VA-Lab的频域图可以看出信号的主要频率段0～20Hz，300～700Hz，第一峰值坐标为（6，0.02209），第二峰值坐标为（399，0.00771），因此上下两图对比得知，采用VA-Lab与采用Matlab的频域图的第一峰值的幅值相差1.6倍，第二峰值的幅值相差15.4倍，并且所在的频率范围不一样，这也说明了基于MATLAB的音频信号采集系统可靠性低，精确度差。

由于人耳能感知的声音频率范围为20～20kHz[5]，在频率小于20Hz 大于20kHz的数据可过滤掉，不予考虑，所以只需考虑20～20kHz范围，图3（b）和图4表明，电视节目的主要频率范围在300～700Hz，而小型风机的主要频率范围在100～200Hz。

4 结论

1）基于Matlab的音频数据采集系统，对任何音频信号采集得到的波形图的最大声压都不超过1Pa。

2）基于Matlab的音频数据采集系统，在进行对声音信号的处理时，存在着较大的背景噪声，获得的时域和频域曲线精确度低，可靠性差。

3）小型风机噪声信号的主要频率段在100～200Hz，声压的最大值为0.03959Pa；第二个主要频率段在600～1000Hz，声压的最大值为0.01447Pa。

4）电视节目音频信号的主要频率段在300～700Hz，声压的最大值为0.00771Pa。

参考文献：

[1] 周长敏，唐林海.基于声卡和MATLAB的噪声信号采集与分析[J].电脑知识与技术，2012（3）：684-686.

[2] 李亚微，郭敏.基于MATLAB的音频数据采集系统[J].语音技术，2007（3）：57-58.

[3] 张平.MATLAB基础与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[4] 徐士良.FORTRAN常用算法程序集[M].北京：清华大学出版社，1997.

[5] 张海澜.理论声学[M].北京：高等教育出版社，2012.endprint

对于以上对比出现的情况，分析Matlab音频采集系统可靠性低可能的原因如下：

1）麦克风的信号噪声比低，而且麦克风和测声的专业传声器相比，频率响应范围小，瞬时响应特性慢，灵敏度不一样，麦克风也没有进行校准标定，不适用于计量，所以导致两者信号处理偏差很大。

2）声卡相比于数据采集器来说，毕竟不是专门用来分析数据的，而且声卡的背景噪音比数据采集器大，所以存在误差。

图4是对电视节目声音信号进行的频域分析，通过Matlab的频域图可以看出信号的主要频率段0～20Hz，3200～3400Hz，第一峰值坐标为（6，0.01375），第二峰值坐标为（3321，0.0005），通过VA-Lab的频域图可以看出信号的主要频率段0～20Hz，300～700Hz，第一峰值坐标为（6，0.02209），第二峰值坐标为（399，0.00771），因此上下两图对比得知，采用VA-Lab与采用Matlab的频域图的第一峰值的幅值相差1.6倍，第二峰值的幅值相差15.4倍，并且所在的频率范围不一样，这也说明了基于MATLAB的音频信号采集系统可靠性低，精确度差。

由于人耳能感知的声音频率范围为20～20kHz[5]，在频率小于20Hz 大于20kHz的数据可过滤掉，不予考虑，所以只需考虑20～20kHz范围，图3（b）和图4表明，电视节目的主要频率范围在300～700Hz，而小型风机的主要频率范围在100～200Hz。

4 结论

1）基于Matlab的音频数据采集系统，对任何音频信号采集得到的波形图的最大声压都不超过1Pa。

2）基于Matlab的音频数据采集系统，在进行对声音信号的处理时，存在着较大的背景噪声，获得的时域和频域曲线精确度低，可靠性差。

3）小型风机噪声信号的主要频率段在100～200Hz，声压的最大值为0.03959Pa；第二个主要频率段在600～1000Hz，声压的最大值为0.01447Pa。

4）电视节目音频信号的主要频率段在300～700Hz，声压的最大值为0.00771Pa。

参考文献：

[1] 周长敏，唐林海.基于声卡和MATLAB的噪声信号采集与分析[J].电脑知识与技术，2012（3）：684-686.

[2] 李亚微，郭敏.基于MATLAB的音频数据采集系统[J].语音技术，2007（3）：57-58.

[3] 张平.MATLAB基础与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[4] 徐士良.FORTRAN常用算法程序集[M].北京：清华大学出版社，1997.

[5] 张海澜.理论声学[M].北京：高等教育出版社，2012.endprint

对于以上对比出现的情况，分析Matlab音频采集系统可靠性低可能的原因如下：

1）麦克风的信号噪声比低，而且麦克风和测声的专业传声器相比，频率响应范围小，瞬时响应特性慢，灵敏度不一样，麦克风也没有进行校准标定，不适用于计量，所以导致两者信号处理偏差很大。

2）声卡相比于数据采集器来说，毕竟不是专门用来分析数据的，而且声卡的背景噪音比数据采集器大，所以存在误差。

图4是对电视节目声音信号进行的频域分析，通过Matlab的频域图可以看出信号的主要频率段0～20Hz，3200～3400Hz，第一峰值坐标为（6，0.01375），第二峰值坐标为（3321，0.0005），通过VA-Lab的频域图可以看出信号的主要频率段0～20Hz，300～700Hz，第一峰值坐标为（6，0.02209），第二峰值坐标为（399，0.00771），因此上下两图对比得知，采用VA-Lab与采用Matlab的频域图的第一峰值的幅值相差1.6倍，第二峰值的幅值相差15.4倍，并且所在的频率范围不一样，这也说明了基于MATLAB的音频信号采集系统可靠性低，精确度差。

由于人耳能感知的声音频率范围为20～20kHz[5]，在频率小于20Hz 大于20kHz的数据可过滤掉，不予考虑，所以只需考虑20～20kHz范围，图3（b）和图4表明，电视节目的主要频率范围在300～700Hz，而小型风机的主要频率范围在100～200Hz。

4 结论

1）基于Matlab的音频数据采集系统，对任何音频信号采集得到的波形图的最大声压都不超过1Pa。

2）基于Matlab的音频数据采集系统，在进行对声音信号的处理时，存在着较大的背景噪声，获得的时域和频域曲线精确度低，可靠性差。

3）小型风机噪声信号的主要频率段在100～200Hz，声压的最大值为0.03959Pa；第二个主要频率段在600～1000Hz，声压的最大值为0.01447Pa。

4）电视节目音频信号的主要频率段在300～700Hz，声压的最大值为0.00771Pa。

参考文献：

[1] 周长敏，唐林海.基于声卡和MATLAB的噪声信号采集与分析[J].电脑知识与技术，2012（3）：684-686.

[2] 李亚微，郭敏.基于MATLAB的音频数据采集系统[J].语音技术，2007（3）：57-58.

[3] 张平.MATLAB基础与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[4] 徐士良.FORTRAN常用算法程序集[M].北京：清华大学出版社，1997.

[5] 张海澜.理论声学[M].北京：高等教育出版社，2012.endprint