声音传感器与采集卡

一、声音的差异

声音是由物体振动从而引起空气分子（介质）有节奏的振动，使周围的空气产生疏密变化，形成声波。

声音的传播方式

由于不同物体的振动方式不同，所以产生的声音也各不相同。

钢琴和管风琴时域波形对比

这张图是使用采集卡在相同条件下采集的声音信号，虽然钢琴与管风琴的声音有明显的区别，但仅从时域波形观察，是很难区分这两者的。所以我们要换一种角度，由时域进入频域，完成这种转换的工具则是傅里叶变换。它的内容在这里就不与介绍了，直接来看这两个乐器的频谱差异。

钢琴和管风琴频谱对比

很明显，管风琴的频谱分量更加丰富，所以它的音色听起来也比较尖锐。

二、麦克风声音传感器

上述实验的声音都是由一个麦克风声音传感器采集的。

麦克风传感器

这里我们有必要说明一下这种传感器的主要传感元件——咪头。它可分为：动圈式咪头、电容式咪头、驻极体咪头、硅咪麦克风。此传感器使用的是驻极体咪头，学名为驻极体电容传声器，它和喇叭刚好相反，是将声能转换成电能输出。而喇叭是将电能转化为声能。

驻极体咪头

其主要结构有：防尘网、外壳、金属垫圈、驻极体、塑料垫圈、背极板、PCB元件等。

咪头内部结构

其中最重要的就是由驻极体、垫圈、背极板组成的电容结构。

电容结构

最关键的则是驻极体材料，它是一片极薄的塑料膜片，其中一面上有一层金属薄膜。

驻极体材料

经过高压电场驻极后，驻极体内就产生了一定的永久电荷（Q），这个电荷量是不变的。由于绝缘垫圈（塑料垫圈）的作用，驻极体和背电极构成了一个电容器件。当声音的振动传来时，引起驻极体的振动，改变了电容中两个极板间的距离。根据电容公式C=Q/U，其中电荷量Q不变，电容C随着极板间的距离变化而变化，所以电压U就会根据声音的振动不断改变大小。

声音信号变为电压信号

但它输出的电压是非常小的，所以使用场效应管（或者运放）进行放大，因为场效应管是一种有源器件，要使它工作在放大状态，就需要接入一个直流电压。

工作状态

以上就是驻极体电容麦克风的基本结构和工作原理。接下来，我们完成一个实验：测试音准。

三、实验：音准测试

首先连接设备，这次实验我们使用一个麦克风传感器，一个USB-3113数据采集卡以及一个直流电源。将传感器的输出端口（S）与采集卡的Ai 0相连，将传感器的GND端与采集卡的Ai Sense连接并将直流电源的负极与采集卡的Ai Sense连接，将电源的正极与传感器的VCC端连接，然后将采集卡的Ai Sence端与AGND端连接，最后将采集卡与电脑连接。

试验设备及其连接

本次实验使用的是3000范例中的ai_continuous_full.vi，当然我们在范例中增加了一些计算频率的模块。

接下来开始实验，启动程序，频率谱波形的振幅基本位于0坐标上，可见所处环境较为安静。

环境噪音

实验使用手机软件模拟钢琴发出各音名（1234567）的声音，这里给出各音名的基本频率。C 1 do 261.6Hz、D 2 re 293.6Hz、E 3 mi 329.6Hz、F 4 fa 349.2Hz、G 5 sol 392Hz、A 6 la 440Hz、B 7 si 493.8Hz。其具体的计算方法如下：以A4为基准，若频率比为2，则称为一个八度。又以十二平均律，将C4到B4分为12份。

音阶频率计算

回到实验中，在波形图中可以看到，手机发出声音还是比较准确的。do、la的频率都符合标准。

测试do、la频率

然后就是我自己唱的“do”，准确度不高。

测试自己唱的do

还试了试高音和低音，总的来说是音准较差，声音偏低。

测试do的高音和低音

以上就是Smacq关于声音采集及频率分析的内容。实验中使用的范例大家可在网站中下载，另外文中的频率分析使用的是Labview自带的频率模块。有关采集卡与传感器连接的更多内容，大家可在官网的知识库或本号的往期文章中查看。

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审核编辑 黄宇