一、聲音的差異

聲音是由物體振動(dòng)從而引起空氣分子（介質(zhì)）有節(jié)奏的振動(dòng)，使周圍的空氣產(chǎn)生疏密變化，形成聲波。

聲音的傳播方式

由于不同物體的振動(dòng)方式不同，所以產(chǎn)生的聲音也各不相同。

鋼琴和管風(fēng)琴時(shí)域波形對(duì)比

這張圖是使用采集卡在相同條件下采集的聲音信號(hào)，雖然鋼琴與管風(fēng)琴的聲音有明顯的區(qū)別，但僅從時(shí)域波形觀察，是很難區(qū)分這兩者的。所以我們要換一種角度，由時(shí)域進(jìn)入頻域，完成這種轉(zhuǎn)換的工具則是傅里葉變換。它的內(nèi)容在這里就不與介紹了，直接來看這兩個(gè)樂器的頻譜差異。

鋼琴和管風(fēng)琴頻譜對(duì)比

很明顯，管風(fēng)琴的頻譜分量更加豐富，所以它的音色聽起來也比較尖銳。

二、麥克風(fēng)聲音傳感器

上述實(shí)驗(yàn)的聲音都是由一個(gè)麥克風(fēng)聲音傳感器采集的。

麥克風(fēng)傳感器

這里我們有必要說明一下這種傳感器的主要傳感元件——咪頭。它可分為：動(dòng)圈式咪頭、電容式咪頭、駐極體咪頭、硅咪麥克風(fēng)。此傳感器使用的是駐極體咪頭，學(xué)名為駐極體電容傳聲器，它和喇叭剛好相反，是將聲能轉(zhuǎn)換成電能輸出。而喇叭是將電能轉(zhuǎn)化為聲能。

駐極體咪頭

其主要結(jié)構(gòu)有：防塵網(wǎng)、外殼、金屬墊圈、駐極體、塑料墊圈、背極板、PCB元件等。

咪頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

其中最重要的就是由駐極體、墊圈、背極板組成的電容結(jié)構(gòu)。

電容結(jié)構(gòu)

最關(guān)鍵的則是駐極體材料，它是一片極薄的塑料膜片，其中一面上有一層金屬薄膜。

駐極體材料

經(jīng)過高壓電場(chǎng)駐極后，駐極體內(nèi)就產(chǎn)生了一定的永久電荷（Q），這個(gè)電荷量是不變的。由于絕緣墊圈（塑料墊圈）的作用，駐極體和背電極構(gòu)成了一個(gè)電容器件。當(dāng)聲音的振動(dòng)傳來時(shí)，引起駐極體的振動(dòng)，改變了電容中兩個(gè)極板間的距離。根據(jù)電容公式C=Q/U，其中電荷量Q不變，電容C隨著極板間的距離變化而變化，所以電壓U就會(huì)根據(jù)聲音的振動(dòng)不斷改變大小。

聲音信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)

但它輸出的電壓是非常小的，所以使用場(chǎng)效應(yīng)管（或者運(yùn)放）進(jìn)行放大，因?yàn)閳?chǎng)效應(yīng)管是一種有源器件，要使它工作在放大狀態(tài)，就需要接入一個(gè)直流電壓。

工作狀態(tài)

以上就是駐極體電容麥克風(fēng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。接下來，我們完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)：測(cè)試音準(zhǔn)。

三、實(shí)驗(yàn)：音準(zhǔn)測(cè)試

首先連接設(shè)備，這次實(shí)驗(yàn)我們使用一個(gè)麥克風(fēng)傳感器，一個(gè)USB-3113數(shù)據(jù)采集卡以及一個(gè)直流電源。將傳感器的輸出端口（S）與采集卡的Ai 0相連，將傳感器的GND端與采集卡的Ai Sense連接并將直流電源的負(fù)極與采集卡的Ai Sense連接，將電源的正極與傳感器的VCC端連接，然后將采集卡的Ai Sence端與AGND端連接，最后將采集卡與電腦連接。

試驗(yàn)設(shè)備及其連接

本次實(shí)驗(yàn)使用的是3000范例中的ai_continuous_full.vi，當(dāng)然我們?cè)诜独性黾恿艘恍┯?jì)算頻率的模塊。

接下來開始實(shí)驗(yàn)，啟動(dòng)程序，頻率譜波形的振幅基本位于0坐標(biāo)上，可見所處環(huán)境較為安靜。

環(huán)境噪音

實(shí)驗(yàn)使用手機(jī)軟件模擬鋼琴發(fā)出各音名（1234567）的聲音，這里給出各音名的基本頻率。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。其具體的計(jì)算方法如下：以A4為基準(zhǔn)，若頻率比為2，則稱為一個(gè)八度。又以十二平均律，將C4到B4分為12份。

音階頻率計(jì)算

回到實(shí)驗(yàn)中，在波形圖中可以看到，手機(jī)發(fā)出聲音還是比較準(zhǔn)確的。do、la的頻率都符合標(biāo)準(zhǔn)。

測(cè)試do、la頻率

然后就是我自己唱的“do”，準(zhǔn)確度不高。

測(cè)試自己唱的do

還試了試高音和低音，總的來說是音準(zhǔn)較差，聲音偏低。

測(cè)試do的高音和低音

以上就是Smacq關(guān)于聲音采集及頻率分析的內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)中使用的范例大家可在網(wǎng)站中下載，另外文中的頻率分析使用的是Labview自帶的頻率模塊。有關(guān)采集卡與傳感器連接的更多內(nèi)容，大家可在官網(wǎng)的知識(shí)庫或本號(hào)的往期文章中查看。

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審核編輯 黃宇