python声音波形图转化为频谱图

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mob64ca12ecb6c5 2024-09-29 05:37:24 ©著作权

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Python声音波形图转化为频谱图的实现指导

在数字信号处理和音频分析中，将声音波形图转换为频谱图是一个常见的任务。本文将引导你完成这个过程，帮助你用Python实现这一功能。以下是整个流程的概述：

流程概述

步骤	描述
1	安装必要的库
2	读取音频文件并生成波形图
3	计算频谱数据
4	绘制频谱图

甘特图

gantt
    title 音频波形图转频谱图的流程
    dateFormat  YYYY-MM-DD
    section 准备工作
    安装库          :done, 2023-10-01, 1d
    section 主要过程
    读取音频文件    :done, 2023-10-02, 1d
    计算频谱数据    :done, 2023-10-03, 1d
    绘制频谱图      :done, 2023-10-04, 1d

详细步骤

1. 安装必要的库

在开始编码之前，你需要确保安装了所需的Python库。这包括 numpy、matplotlib 和 scipy。你可以使用以下命令来安装：

pip install numpy matplotlib scipy

2. 读取音频文件并生成波形图

使用 scipy 库读取音频文件，然后使用 matplotlib 绘制波形图。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.io import wavfile

# 读取音频文件
sample_rate, data = wavfile.read('path/to/your/audio.wav')
# 输出采样率和数据
print("Sample Rate:", sample_rate)
print("Data Shape:", data.shape)

# 绘制波形图
plt.figure(figsize=(10, 4))
plt.plot(data)
plt.title('Waveform')
plt.xlabel('Samples')
plt.ylabel('Amplitude')
plt.grid()
plt.show()

wavfile.read：读取wav格式音频文件，返回采样率和样本数据。
plt.plot(data)：绘制波形图。

3. 计算频谱数据

使用快速傅里叶变换（FFT）来转换波形数据到频域。

# 计算FFT
fft_data = np.fft.fft(data)
# 计算频率范围
frequencies = np.fft.fftfreq(len(fft_data), 1/sample_rate)

# 只取前半部分数据（频谱是对称的）
half_n = len(fft_data) // 2
fft_magnitude = np.abs(fft_data[:half_n])
frequencies = frequencies[:half_n]

# 输出频谱和频率数据
print("Frequencies:", frequencies)
print("FFT Magnitude:", fft_magnitude)

np.fft.fft(data)：计算频域信号。
np.abs(fft_data)：获取FFT的幅度（强度）。

4. 绘制频谱图

最后，使用 matplotlib 绘制频谱图。

# 绘制频谱图
plt.figure(figsize=(10, 4))
plt.plot(frequencies, fft_magnitude)
plt.title('Frequency Spectrum')
plt.xlabel('Frequency (Hz)')
plt.ylabel('Magnitude')
plt.xlim(0, 20000)  # 设定X轴范围（以赫兹为单位）
plt.grid()
plt.show()

plt.xlim(0, 20000)：设定X轴的范围，通常只能在20kHz内可听。

关系图

erDiagram
    AUDIO_FILE {
        string file_path
        int sample_rate
    }
    WAVEFORM {
        array amplitudes
        int duration
    }
    SPECTRUM {
        array frequencies
        array magnitudes
    }
    AUDIO_FILE ||--o{ WAVEFORM : generates
    WAVEFORM ||--o{ SPECTRUM : transforms