利用立體聲聲卡測量聲速利用立體聲聲卡測量聲速摘要在本文中，將討論一種基于計算機聲卡的數據采集方法。它操作簡單，具有良好的界面和易于使用的特點。文章利用聲卡作為數據采集設備，因為立體聲聲卡可以復制CD音質立體聲，它擁有至少44千赫茲的采樣率和在兩個立體聲通道間準確的計時效應。利用它的特點，加上對麥克風的簡單改造，我們能夠實現一種對聲速的精確測量。這種方法可以快速的測出聲音在空氣中的速度，并應用到固體和液體中。用數據分析和處理功能非常強大的工程實用軟件Cooleditpro作為軟件開發(fā)平臺，設計了一個低成本、高性能的數據采集與分析系統(tǒng)。實現了數據采集、信號分析等多種功能[1]。關鍵詞：聲卡；Cooleditpro；數據采集；信號分析MEASURETHESPEEDOFSOUNDUSINGASTEREOSOUNDCARDABSTRACTArticledesignsalow-costbuthigh-performancedataacquisitionandanalysissystemusingthesoundcardasadataacquisitiondevice,becauseofhavingasamplingrateofatleast44kHzandveryaccuratetimingbetweenthetwostereochannels.WithaverysimpleadaptationofapairregularPC-microphones,acomputerwithastereosoundboard,andsoundanalysissoftware,wewereabletoimplementamethodofaccuratemeasurementofthespeeditcanprovideaquickmeasurementofthespeedofsoundinair,insolidandinliquid.AndusingCooleditprowithpowerfuldataanalysisandprocessingfunctions.Itachievesdataacquisition,signalanalysisandavarietyoffunctionssuchassignaloccurring.Keywords:soundcard;Cooleditpro;dataacquisition;Signalanalysis目錄TOC\o"1-3"\h\u317591前言 1158641.1聲速測量方法的可行性探究 1208021.2利用聲卡進行數據采集測量的實驗目的 2113271.3利用聲卡進行數據采集測量能解決的主要問題 2155952實驗原理及實驗方案 3177792.1實驗原理及設備框圖 3240352.2實驗方案 365012.2.1實驗儀器 3183302.2.2聲源—接收器—聲卡 433912.2.3介紹電子箱 4133682.2.4聲音分析軟件Cooleditpro 6239373實驗過程 10136213.1測量空氣中的聲速 10268463.2測量固體中的聲速 10156864實驗數據處理及結論 12212044.1空氣中的數據處理及結論 12304744.2固體中的數據處理及結論 13174645誤差分析 14138005.1空氣中的誤差分析 142825.2固體中的誤差分析 14314726結論 151692參考文獻 165572致謝 17第1頁共17頁1前言在當今物理實驗中，幾乎每個實驗都離不開數據采集測量。但是在實驗數據采集時常見的困難是要么采集不準確、要么準確但是設備成本過高。本論文就將討論一種折中的方案。1.1聲速測量方法的可行性探究聲速的測量在聲波定位、探傷、測距等應用中具有重要的意義[2]。聲速的測量方法有很多種。實驗室常用的方法有共振干涉法、相位比較法等。傳統(tǒng)的方法在實驗過程中，在觀察駐波的形成和特點方面，具有直觀性和趣味性。其測量方法簡單,測量設備簡單，但準確性差；相位比較法是通過對比接收波相對于發(fā)射波的相位變化，測出周期，再乘以頻率就可以得到聲速。相對于駐波法測聲速，準確度還是比較高的，一般可達1-2%。但是很多實際的聲波不是正弦波，這樣就無法用相位法測量了，雖然準確卻不直觀。而立體聲聲卡測聲速兼具了這兩種方法的優(yōu)點，既直觀又準確。計算機聲卡,雖然平時只是用來錄音、放音,但它其實是一塊性能不錯的、轉換卡.即使是最普通的聲卡,一般都能實現16位、雙通道、最高44.1kHz的采樣頻率,足以應付大多數信號采集任務,而其價格卻只有專用數據采集卡的幾分之一,甚至幾十分之一.隨著多媒體技術的發(fā)展，聲卡已成為多媒體計算機的標準配置，且大多數聲卡具有與數據采集卡相當的信號濾波、放大及采樣保持、模-數相互轉換等功能，具有較高的采樣頻率與精度[3]。采用聲卡制作的數據采集系統(tǒng)適合于任何一臺裝有聲卡的計算機，具有廉價、方便、穩(wěn)定、性能可靠、精度高等優(yōu)點，它可用于機械振動、噪聲、語音識別、醫(yī)學、地震等領域中動態(tài)信號的實時采集進而進行各種分析研究。理論上：聲卡的采集精度是每秒采集44100個數據。也就是精度可以達到：可以充分滿足常見的數據測量。如測平均速度等。運用聲卡構成一個較高采樣精度的數據采集系統(tǒng)，在物理實驗中的應用前景十分廣闊【4】。1.2利用聲卡進行數據采集測量的實驗目的由測量空氣中及水中聲速的實驗檢驗聲卡測量的精度（準確性）和實際應用的價值（實驗的方便性、可應用性，是否可以在課堂演示）。同時研究聲卡測量的范圍，即有效長度。1.3利用聲卡進行數據采集測量能解決的主要問題在測聲速實驗中，我們可以把測量值和理論上的真實值進行比較從而比較出聲卡進行數據采集的精度；重復多次、以及改變實驗條件就可以知道聲卡測量的可靠性，實驗的整個過程就可以得出聲卡測量的方便性。通過聲卡測量聲波，在利用軟件讀數，可以方便的測量，減小誤差。2實驗原理及實驗方案2.1實驗原理及設備框圖利用立體聲聲卡以測量時間差的方法測量聲速[5]。原理圖如下:圖2-1聲卡測量原理圖實驗的基本原理是：我們用兩個計算機用立體聲麥克風L、R，分別表示左、右聲道，并且讓兩個麥克風相隔已知距離，用d來表示。兩個線路的輸入信號用一根（內涵三根線的）電腦用的立體聲音頻輸入線和電腦相連（見圖2-1中Linein）。計算機收集從兩個立體聲麥克風（左右兩個麥克風用L、R表示）通過兩個線路的聲音信號。經過計算機軟件的處理到達兩個立體聲麥克風的聲音脈沖從而計算出聲音到達兩個麥克的延遲時間。2.2實驗方案2.2.1實驗儀器鬧鐘，駐極體麥克風2個,1.5V電池2個，2.2千歐的電阻兩個，1μF的電容兩個，電路板，導線、焊錫等材料。2.2.2聲源—接收器—聲卡（1）對于聲源我們需要聲音大點而且清脆一點的發(fā)聲體。頻率越高，測量起來的效果就會越準確。（譬如敲個飯盒、碰個音叉、音響、鑼鼓、口哨之類的）。（2）接收器主要包括兩個駐極體麥克風及電子箱。駐極體麥克風是由一個電容拾音器和一個場效應管構成。拾音器顧名思義是接受聲音信號的作用。場效應管起到放大拾音器傳來的微弱電信號的作用，但是為了讓場效應管工作，必須給場效應管加上電壓并且給場效應管提供一個基本的工作電流，這就是電子箱中那個電池的作用。電阻的作用主要是限流的，因為直接給拾音器場效應管接電池的話就燒了。電容的作用主要是隔直流，只讓音頻交流信號通過，因為聲卡輸入端禁止直接輸入直流。電容和電阻的數值基本上就是要求工作電流是毫安量級的，并且滿足電容需要的能通過的音頻信號范圍。接收器的安裝基本上是簡單的照圖焊接，注意立體聲插頭那三段的連接，一個是公用的地線，另外兩個是左右聲道信號。另外，接收器到聲卡的連接采用的是線性輸入而不是麥克風輸入，因為麥克風輸入口是單聲道的，而線性輸入口是雙聲道的。（3）電腦聲卡(ComputerSoundCard)是電腦中最基本的組成部分，是實現聲波／數字信號相互轉換的一種硬件。聲卡控制芯片是把從輸入設備中獲取聲音模擬信號，通過模數轉換器，也就是對模擬信號每隔一段時間采集一個樣本，從而實現將聲波信號轉換成一串數字信號，并且存儲到電腦中。重放時，這些數字信號送到一個數模轉換器還原為模擬波形，放大后送到揚聲器發(fā)聲。聲卡具有MIC和LINEIN兩個信號輸入端,其中MIC輸入端有高增益放大器,會使信號產生較大失真,因此在數據采集時應選用LINEIN作為信號輸入端[6]。在進行數據采集時,將測量信號輸入至聲卡的LINEIN端口。聲卡采樣的樣本深度：有8位和16位兩種。16位聲卡比8位聲卡聲音保真度更高。聲卡的最高采樣頻率：一般聲卡提供了11kHz、22kHz的采樣率。目前有種更高檔的聲卡采樣頻率可達48kHz。今后也許還會出現更高采樣頻率的聲卡，本實驗中使用44100Hz的采樣率。2.2.3介紹電子箱[7]設備框圖:圖2-2電子箱結構圖將之前準備好的實驗儀器1.5v的電池2個，2.2千歐的電阻2個，1μF的電容2個，短導線若干，長導線需要4根，電路板、焊錫等照圖焊接。駐極體麥克風正負極的判斷很重要。一般情況下麥克風插頭處最里面的是地線，但是為了排除偶然情況，我選擇用數字萬用表測量麥克風插頭前后的電阻，再調換紅黑表筆，比較兩次電阻示數的大小，示數小的黑表筆接的為正極。在電路板上將所有器材焊上，電池之間的連接比較困難，本實驗中使用透明膠帶將兩個電池綁在一起，接觸不是很穩(wěn)定，后來用焊錫將導線直接焊在電池正負極，由于電池表面有一層膜，焊接之前用電烙鐵燙一燙，否則直接焊上會不牢固。建議最好將電池用電池夾固定在電路板上比較美觀。我用的線性輸入插頭是3根導線（將麥克風的電路部分剪掉），另一端導線的顏色分別為紅、藍、黃，由于插頭處最里邊的一段為負極，因此在尋找地線時，將紅、黃、藍三根導線分別纏在萬用表的一個表筆上，萬用表的另一表筆接觸線性輸入插頭最里邊，再將萬用表打到電阻檔，連通的那根導線即為地線。測量時要注意三色導線比較細小而且導線外部有絕緣漆，建議用打火機將外部的絕緣漆燒掉后在測量。找到了地線便把這根地線和電源的負極引出的線連接在一起即最后的地線，其余的兩根線分別與左右聲道相連，在電容和電阻之間的兩根線分別連在麥克風插頭的前端，接口處的連接要特別注意，建議找兩個適合的插座，這樣既美觀又實用，不用擔心總是掉線的麻煩。電容的正負極判斷也尤為重要，建議將充完電的電容用數字萬用表的電阻檔測量電容兩腳時，可以利用電容的正反向電阻的差異來判斷它的正負極，我們都知道電容的正向阻值遠大于反向阻值，而數字萬用表的紅表筆又是與表內電池的正極相連的，因此在測量出較大電阻時，紅表筆所接觸的就是電容的正極，用指針式萬用表測量時，結果與此相反。之所以選擇駐極體麥克風是因為我們最終要經過多次測量取平均值來減小誤差，而根據公式C=D/T在測量過程中只有D是可變量，只能通過改變D來進行多次測量。而D是兩個麥克風之間的距離，所以選擇它時我們要盡可能選擇小和細的原則，這是為了方便確定它的中心，在測量D中要盡量減小誤差。在整個電路焊接完之后，不要急于測量，先用萬用表測量整個回路的輸出電壓情況是否滿足要求，如果滿足要求便將整個電路用塑料盒裝在一起，電子箱便初步制作成功。2.2.4聲音分析軟件Cooleditpro[8]本實驗是一種在Cooleditpro平臺下完成的聲卡的數據采集與分析系統(tǒng)。實現數據采集、信號分析等功能。CoolEditPro專業(yè)音頻編輯軟件是一個基于PC和Windows操作平臺的實用工具,具有完整的音頻編輯、加工能力,能高質量地完成各種復雜和精細的專業(yè)音頻編輯。就純粹的音頻編輯而言,它無論對哪一級用戶來說,都是一個再簡捷不過的優(yōu)選。CoolEditPro對PC的系統(tǒng)配置要求并不太高,只是由于音頻文件的“大塊頭”特性,為了使編輯更為快捷方便,以盡可能采用高配置的PC為好,其中最要緊的要求是內存要足夠大。當然,大硬盤也是必要的,否則就存不下幾個音頻文件。CoolEditPro不僅能完成所有基本的音頻編輯任務,還設置了不少其它周邊音頻設備的功能,如多頻均衡、參量均衡,多種混響、延時、相位處理,以及噪聲門、頻譜分析降噪、壓擴、信號源及很特別的變調、變速等。圖1（最初記錄的發(fā)聲）圖2（選擇效果比較好的一組）圖3（進行時間的放大）圖4（最后放大到看清的結果）CoolEditPro之所以值得推薦,一是它僅就PC就可完成與昂貴的工作站同等質量的任務;二是同樣的效率和質量支撐,不僅使工作更為簡單和便捷,而且比以往做得更好。大的、有波形標志的快捷按鈕用以選擇工作模式與相應界面,只要點擊它就可隨時在單軌編輯與多軌編輯兩種方式之間轉換。所謂單軌并非指單一信道,而是指以一個獨立的工作軌道,它可以是“全軌單聲道”或“全軌雙聲道”式的(多軌編輯器中的任一軌道也如此)。通常情況下,音頻文件的建立與加工都可在單軌編輯界面中完成,多軌編輯器則更適于復雜的混合編輯和分期同步錄音等工序。建立文件:按動工具欄中的新建按鈕,就開始建立一個新文件。CoolEditPro可建立和處理多種格式的音頻文件,其默認的文件存取格式為X.Wav,也可作其它格式的選擇。CoolEditPro可調入Windows下以任何方式建立的波形文件進行加工處理,也可自行錄入新文件。技術編輯選定:需要對音頻文件作局部改動或加工前都需要進行段落選定,否則程序將默認為顯示區(qū)域內的所有內容。按住鼠標左鍵往兩邊任意拖動都可作選定,然后點按空格鍵就可聽到選定區(qū)域內的內容(空格鍵為默認放音/停止鍵),需要精確選定時可先選定大致區(qū)域,然后點擊波形縮放鈕將選定區(qū)域充滿整個波形界面,再反復地精細調整選定和聽證,還可分別放大選區(qū)起始點和終止點以精確定位。當反復放大至波形顯示為由一串小方塊連接的曲線時,其定位精度誤差僅為千分之一秒,其波形放大圖如圖4所示。CoolEditPro亦可作時值或節(jié)拍分析后供段落定位選擇,甚至可以直接在右下方的時值框內自由鍵入同樣精確到千分之一秒的選區(qū)起止時間。剪切:若需要去掉音頻文件中的某一段,先選擇好需要去掉的內容段落,然后剪切。有兩種剪切方式:一是直接按鍵盤上的Delete鍵,二是用鼠標按下工具欄中的剪刀標志快捷鍵。所不同的是,后者去掉的內容會先被復制保留,可用于再粘貼,即可用這種方式將段落換位;而前者去掉的內容雖可還原,但因為沒有被復制而不能用于粘貼。當去掉所選內容后,前后的剩余部分則會自動連接而不會產生空白,但若僅需要將欲去掉部分變?yōu)榭瞻讜r,則不用剪切,直接按工具欄中用一條直線標志的靜音鍵即可。復制:選定復制內容后,可直接按工具欄中的復制鍵,若采用Windows的默認方式:Ctrl+C。若沒有作選擇而進行復制,則復制內容會被默認為顯示框內的全部內容。粘貼:其方法有兩種,一是插入方式,二是混合方式。插入方式會根據游標位置將粘貼內容“擠”進去,原游標兩端的內容便一分為二分別連接在粘貼內容的前后兩邊?；旌戏绞绞且杂螛藶槠瘘c,將粘貼內容與原有內容重疊混合在一起,其混入比例可調,此時會先出現一個對話框,在對話框中將粘貼方式選取為插入,然后調節(jié)比例(小于100%即為縮小)。調整波形幅度:若只需要整體提升或降低幅度(音量),可直接按工具欄中的擴大鍵,根據需要調節(jié)處理或對選區(qū)內容幅度自由修整,需按工具欄中的線性擴大鍵,可在對話框中選取適合的預置模式或自定義調節(jié),則幅度曲線一目了然。CoolEditPro以全數字技術為人們提供了十分優(yōu)越的音頻編輯手段,具有良好的實用性。3實驗過程3.1測量空氣中的聲速（1）首先將2個駐極體麥克風插入已經焊接好的電路中，打開聲音分析軟件Cooleditpro,再將線性輸入插頭插入電腦的MIC插孔，注意最好用臺式電腦。為了插入線性輸入插頭方便，將桌面上的麥克風輸入選項設置為前輸入。（2）選擇一個比較安靜、空曠的地方，用兩個凳子分別用膠帶固定兩個麥克風或者將兩個麥克風固定在一個長木板上，最好保證兩個麥克風的話筒豎直向上。（3）把兩個麥克風固定在一條直線上，使兩個麥克風之間有一定的距離。（4）把鬧鐘和兩個麥克風放在一條直線上，距離第一個麥克風20cm左右。注意：在這里選用鬧鐘或者是其他能發(fā)出清脆響聲的物體均可，我選擇的方法是敲鐵盒，擊掌的方法誤差較大，因為不能保證聲源位置的穩(wěn)定。因為聲音音調高，頻率高，便于找到相同峰值，使實驗準確。（5）打開聲音分析軟件Cooleditpro的單軌編輯界面調試下麥克風音量，建議最大。（6）保持室內的安靜，在打開鬧鐘開關或者敲鐵盒的同時，打開聲音分析軟件開始錄音，你會很明顯的看到兩個波形出現在兩個獨立的聲道欄里，敲擊多次，選擇一組相對較好的波形，停止發(fā)聲并關閉錄音，連續(xù)放大觀察波形直到可以清晰的讀出時間，見圖1、圖2、圖3、圖4。開始時分辨率會很低，選中首次的波峰位置開始放大時間軸線直到可以很明顯的讀出時間，記錄實驗數據。（7）改變兩個麥克風之間的距離，重復（3）（6）過程。3.2測量固體中的聲速（1）同3.1中的（1）步。（2）選擇一個比較安靜、空曠的地方，用兩個凳子分別用膠帶固定兩個麥克風或者將兩個麥克風固定在一個長木板上，最好保證兩個麥克風的話筒緊貼在木板上，將聲源固定在木板一端。（3）把兩個麥克風及聲源固定在一條直線上，使兩個麥克風之間有一定的距離。（4）打開聲音分析軟件Cooleditpro的單軌編輯界面調試下麥克風音量，建議最大。（5）開始錄音并觀察波形，記錄實驗數據。4實驗數據處理及結論4.1空氣中的數據處理及結論計算機軟件就能把記錄的信號反映在計算機顯示器上，從而測算出延遲時間，再由公式測出聲速：，其中△t是延遲時間:：在本次實驗中，采樣率為44100Hz。時間可由軟件Cooleditpro直接讀出。時間間隔為=2.94888-2.94861=0.00027再由公式==0.092/0.00027,近似等于340.7。以此類推可得測量聲速實驗數據如表4-1、4-2：次數始/()末/()△t/（）d/()V()12.948612.948880.000279.2340.722.842622.843110.0004916.6338.831.759941.760690.0007525.5340.044.550154.551190.0010435.5341.3510.5767210.578060.0013445.5339.6618.2660118.267680.0016756.5338.375.602325.604250.0019365.5339.4812.1613112.163620.0023178.8341.14-1空氣中聲速的測量4-2空氣中聲速的折線圖速度的平均值為339.9m/s。這套設備還可以做有關于測時間延遲的很多實驗。也可以用它來做一些放大聲音的設備，用來對一些低頻信號進行放大。更可以改變成單聲道輸入直接進行錄音功能。許多力學實驗能夠被他們產生的聲音來記時，例如踢足球的實驗【9】。在這種情況下直接錄音可提供精確的時間間隔的測量，而且方便簡單。4.2固體中的數據處理及結論固體中（木板）實驗數據的處理所用的公式與空氣中的數據處理是一樣的，只不過采樣率變?yōu)?2050Hz,處理后的數據如表4-3:次數始/（）末/（）△t（）d/()V()14.550154.550590.00044451022.7321.759941.760370.00043451046.5135.602325.603180.00086951104.6542.842622.843530.00091951043.96表4-3固體中聲速的測量速度的平均值為1054.46m/s。5誤差分析5.1空氣中的誤差分析根據,，，因為的測量誤差是0.1—1，的測量距離是78.5，所以最大誤差是0.012738853。的絕對測量精度是1/44100,的測量時間約是1/340米每秒，所以測量誤差大約0.008。相對誤差大約是0.020,所以聲音的測量誤差是340*（1±2.8%）.聲速測的精確程度其實就是公式描述的兩個量決定的。即測量精度決定于一個是的測量，一個是的測量。聲音在空氣中的速度大約是340。如果在1米的量級，測量時間大概就在0.001的量級。聲卡的精度可以達到1/44100秒采集一個數據，所以很準確，那么，造成誤差的就是距離，這是一個很不好控制的量，因為麥克風本身有一定的體積，不知什么地點最好，在本實驗中，我們取頭部。第二點，直尺本身的精度不是很高，最小分度值為1，最大誤差為0.001，這看似很小但實際誤差很大，因為測得的時間太短。比如9.2第一組，時間是0.00027，那么，0.001轉化速度為：0.001/0.00027=3.704m/s，把誤差放大了100多倍。于是這是造成本次實驗誤差的重要原因。第三點，在截取采樣點時，對應點選取不準確也是造成誤差的主要原因。第四點，很難把兩個麥克風和聲源放在同一條直線上。而，本實驗在計算時是按照在一條直線上進行計算的，所以必不可免，要產生誤差。當然，原理上只要對距離和間隔時間的多次測量便可以很精確地對聲速進行測量了。5.2固體中的誤差分析固體中精度的計算方法與空氣中的精度計算方法相同，這里不再贅述。根據上述方法計算的結果誤差會比較大，因為在選取峰值時，噪聲干擾比較大，麥克風接收到的信號既有木板的又有空氣的，即使降低采樣率，峰值也不會像空氣中的那么明顯，但經過對聲音的降噪處理還是可以粗略的測出聲音在木板中的速度的。6結論我們已經實現了一種用價廉的器材測量聲音的速度的方法，使用計算機立體聲聲卡這套器材，再加上對原有實驗及理論的改進，可以快速測量空氣中及固體中的速度。本實驗的不足之處就是在水中進行實驗時，由于聲源選用的是鬧鈴，聲源聲音過大，再加上水的傳聲性能好、水波干擾較大，以及測量空間有限，還有就是將麥克風放入水中之前，包上一層塑料薄膜后，不能保證里面空氣全部排出，導致噪聲過大，將波形放大后無法準確的找到波峰進而計算時間差，今后我會針對這些問題繼續(xù)探索利用聲卡測量水中聲速的問題。參考文獻[1]馬明建，周長城.數據采集與處理技術[M].西安交通