使用LabVIEW和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)簡化音頻測量

關(guān)鍵詞： LabVIEW , 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) , 計算機(jī) , 音頻測量

音頻測量是要求最高的任務(wù)之一，它需要高質(zhì)量的信號采集、復(fù)雜的換算、深入的分析以及多種圖形化表示。虛擬儀器為定制音頻測量應(yīng)用提供了新的可能性。利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)的強(qiáng)大性能和LabVIEW的靈活性，您可以完成自定義的音頻測量。本文描述了如何使用LabVIEW以及聲音與振動工具包對音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析與顯示。我們將會演示最常見的測量以及在音頻測量過程中完成多個任務(wù)的LabVIEW代碼。

介紹

世界上第一次嘗試對音頻信號的測量發(fā)生在1627年，F(xiàn)rancis Bacon試圖測量開放空間中聲音的速度1。雖然他的想法很好，但是由于技術(shù)上的局限性，他沒有能夠得到有效的測量結(jié)果?，F(xiàn)在，我們使用軟件和硬件能夠分析包括速度在內(nèi)的聲音信號的許多特性。諸如 LabVIEW等編程軟件讓我們能夠在短時間內(nèi)，利用易用、強(qiáng)大的功能開發(fā)復(fù)雜的測量應(yīng)用。本文描述了開發(fā)提供更高性能和可擴(kuò)展性音頻系統(tǒng)的步驟。系統(tǒng)將基于LabVIEW工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測量軟件進(jìn)行開發(fā)。

現(xiàn)代音頻測量是數(shù)字測量系統(tǒng)要求最高的任務(wù)之一。要成功完成音頻測量，軟件必須能夠完成多個任務(wù)（例如數(shù)據(jù)換算、濾波、分析與可視化）。從采集數(shù)據(jù)到顯示數(shù)據(jù)，LabVIEW具有確保精確測量的靈活性與模塊性。NI提供了為簡化聲音與振動測量而設(shè)計的工具包來擴(kuò)展LabVIEW功能。NI硬件與軟件能夠無縫整合在一起，從而替換了大量箱式儀器，并且提供了更多功能自定義的空間。

下一小節(jié)對音頻測量中的常見任務(wù)進(jìn)行了一般性解釋。本文中的實例使用LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)專業(yè)版或開發(fā)系統(tǒng)完整版開發(fā)，其中部分使用 LabVIEW聲音與振動工具包。這些實例可以方便地整合到定制的音頻測量系統(tǒng)中。
數(shù)據(jù)采集、換算與加權(quán)
大多數(shù)測量系統(tǒng)都包含按照一定物理現(xiàn)象產(chǎn)生電子信號的傳感器。測量這些電子信號并將它們輸入到計算機(jī)進(jìn)行處理的過程成為數(shù)據(jù)采集。例如音頻等動態(tài)信號需要使用高分辨率和高動態(tài)范圍的數(shù)字化設(shè)備。NI 4461設(shè)備提供了24位模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADCs)以及24位數(shù)模轉(zhuǎn)換(DACs)，可以同步采集并產(chǎn)生帶寬從直流到92kHz的模擬信號以確保高分辨率的測量結(jié)果。圖1是一個LabVIEW VI的程序框圖和部分前面板，它在一臺PXI系統(tǒng)中使用17塊4461設(shè)備進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集。當(dāng)使用多PXI機(jī)箱系統(tǒng)的時候，同步通道數(shù)可達(dá)到1000以上。采集到的數(shù)據(jù)繪制在圖表中。

圖1：以每采樣24位的精度對112個通道進(jìn)行同步采樣和繪圖。

信號換算

LabVIEW聲音和振動工具包（SVT）提供了上層封裝VI，以合適的單位顯示數(shù)據(jù)，包括以工程單位表示的時域數(shù)據(jù)和以分貝為單位的頻域數(shù)據(jù)等等。然而，使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的數(shù)值往往與傳感器的輸出電壓呈線性關(guān)系，原始數(shù)據(jù)通常是以電壓為單位進(jìn)行表示。信號換算是將電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換為正確的工程單位的過程。SVS Scale Voltage to EU.vi提供了將電壓信號變換為例如帕斯卡、g、m/s2等單位的簡單方法。換算VI是來自數(shù)字化儀的原始數(shù)據(jù)與正在使用的麥克風(fēng)或傳感器相關(guān)的有用數(shù)值之間的橋梁。圖2給出了使用SVT表示數(shù)據(jù)的VI，它使用合適的單位范圍表示對應(yīng)于實際觀察到的物理現(xiàn)象的數(shù)值。

圖2：使用LabVIEW聲音與振動工具包將原始數(shù)據(jù)換算為合適的工程單位。

為了得到信號的精確換算，需要對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。在被測數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值之間存在已知關(guān)系時，可以進(jìn)行標(biāo)定。在音頻測量系統(tǒng)中，標(biāo)定過程需要一個已知數(shù)值的外部聲音源，它通常來自活塞發(fā)聲器或聲學(xué)標(biāo)定器。SVT提供了標(biāo)定VI，它能夠確保整個測量系統(tǒng)的精度。

   



加權(quán)濾波器

測量硬件通常被設(shè)計為在音頻帶寬中具有線性響應(yīng)。另一方面，人耳具有非線性性響應(yīng)。因為在許多情況下，最終的傳感器是人耳，我們需要對測量按照人耳模型進(jìn)行補(bǔ)償。使用加權(quán)濾波器是描述聲音主觀感知的最佳標(biāo)準(zhǔn)方法。加權(quán)濾波器通常使用模擬組件進(jìn)行構(gòu)建，不過，SVT提供了時域數(shù)據(jù)與頻域數(shù)據(jù)的數(shù)字加權(quán)濾波器。圖3是使用加權(quán)濾波器的VI，它和NI硬件結(jié)合在一起，符合美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會（ANSI）的標(biāo)準(zhǔn)。

圖3：將加權(quán)濾波器應(yīng)用于SVT的換算數(shù)據(jù)。

使用LabVIEW進(jìn)行音頻測量

在完成音頻信號的采集、換算與加權(quán)之后，我們現(xiàn)在可以利用計算機(jī)的處理能力完成復(fù)雜的信號分析。本小節(jié)描述了行業(yè)中所使用的常見音頻測量。在簡單的說明之后，我們將給出演示如何使用SVT進(jìn)行這些測量的實例代碼。第一部分涵蓋了僅僅使用LabVIEW就能夠完成的標(biāo)準(zhǔn)測量；第二部分演示了借助SVT 如何使用簡單的LabVIEW代碼進(jìn)行高級音頻測量。

單頻信息

音頻測量中的多種標(biāo)準(zhǔn)方法需要利用單音頻信號進(jìn)行激勵和分析。LabVIEW提供了從信號中提取關(guān)于一定音頻的重要信息的高級VI。Extract Single Tone Information.vi可以找出信號中幅值最大的頻率成分，并且計算其幅值、頻率和相位。這個VI還提供了導(dǎo)出所提取的音頻或去除此音頻后的原始信號的選項。此VI還可以在某個頻帶內(nèi)進(jìn)行更細(xì)分的搜索，以獲取更準(zhǔn)確的結(jié)果。如圖4所示，為Extract Single Tone Information.vi 對帶有噪聲的正弦波信號進(jìn)行分析的結(jié)果。這個范例僅限于對單通道信息進(jìn)行分析，但只要稍加修改，即可實現(xiàn)對多個通道信號的同步分析。

圖4：提取信號中單音頻的頻率、幅值和相位。

RMS

對于一些應(yīng)用而言，信號幅值并不能提供足夠信息。在例如需要計算增益與功率、信號均方根值等許多測量中，LabVIEW提供了可以通過對瞬間信號數(shù)據(jù)取平方、對給定時間進(jìn)行積分、計算開根號結(jié)果功能方便地計算均方根數(shù)值。Basic Averages DC-RMS.vi還能夠?qū)π盘栍嬎愕玫降木礁鶖?shù)值取平均值。這個VI還包含了時間窗選項，可以得到更好的測量結(jié)果。圖5展示了如何使用 LabVIEW使用漢寧窗計算線性平均直流與均方根數(shù)值。

圖5：獲得采集信號的平均均方根數(shù)值。

增益

增益是在音頻系統(tǒng)中進(jìn)行的一項基本測量。系統(tǒng)取得激勵信號并產(chǎn)生響應(yīng)信號。系統(tǒng)對信號進(jìn)行放大的因數(shù)稱為增益。在不同頻率下計算一系列增益測量時，能夠生成系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。圖6給出了根據(jù)采集激勵與響應(yīng)，計算系統(tǒng)增益的基本VI。這個例子通過計算響應(yīng)的均方根數(shù)值對輸入均方根數(shù)值的比例得到增益。這個實例用分貝表示增益，它是衡量響應(yīng)的常用方法。

圖6：根據(jù)采集信號計算系統(tǒng)增益。

   



通道間串?dāng)_

通常串?dāng)_定義為從一個通道向另一個通道的信號泄漏。要完成這個測量，將信號施加到一個輸入上，測量這個信號在其他非驅(qū)動通道中的大小。對于不同情況和特定的應(yīng)用，這個類型測量的定義有不同的標(biāo)準(zhǔn)。通常將這個測量表示為非驅(qū)動通道與驅(qū)動通道比例的分貝數(shù)。圖7是完成兩個采集信號串?dāng)_分析的 VI。

圖7：計算來自兩個采集信號的串?dāng)_。

總諧波失真
諧波失真是輸入信號整數(shù)倍頻率的多余信號。這種失真通常是模擬電路產(chǎn)生的，在確定音頻質(zhì)量中是一個重要的測量參數(shù)。諧波失真通過一定階次諧波電平對原始信號電平的比例進(jìn)行計算?？傊C波失真（THD）是輸入信號諧波引入的總失真的度量。

噪聲與失真信號

進(jìn)行THD測量的另一個選擇包含在LabVIEW SINAD analyzer.vi中。信號噪聲及失真比（SINAD）是輸入信號能量與噪聲以及諧波中能量之和的比例。音頻質(zhì)量可以用SINAD測量進(jìn)行評估，因為這個結(jié)果讓我們了解被測信號相對于不需要的噪聲和失真相比占多少比重。

總諧波失真加噪聲

得到信號的SINAD使其他測量變得更加簡單，例如，總諧波失真加噪聲（THD+D）可以通過SINAD方便地計算得到。THD+N通常用百分比表示。用分貝表示的THD+N與SINAD互補(bǔ)，所以要得到用百分比表示的THD+N需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。激勵信號的實際電平是十分重要的，因為SINAD和 THD+N與施加的激勵信號有關(guān)。

圖8中的例子展示了如何使用聲音與振動工具包中的Tone Measurements Express VI來方便的獲得輸入信號的THD, SINAD, 以及THD+N等信息。

圖8：使用LabVIEW測量總諧波失真（THD），噪聲與失真信號（SINAD）以及總諧波失真加噪聲（THD+N）

動態(tài)范圍

動態(tài)范圍是音頻系統(tǒng)的常見指標(biāo)，即整個信號范圍相對于系統(tǒng)中最小信號的比例。動態(tài)范圍可以視為信號噪聲比，因為系統(tǒng)中的最小信號通常是噪聲，主要區(qū)別在于動態(tài)范圍是在信號存在時，使用系統(tǒng)的背景噪聲進(jìn)行計算的。動態(tài)范圍通常用分貝表示，可以在加權(quán)背景信號中進(jìn)行計算，從而得到加權(quán)動態(tài)范圍。圖11計算包含單音頻信號的動態(tài)范圍?？梢允褂肧VT加權(quán)VI進(jìn)行加權(quán)得到A加權(quán)的動態(tài)范圍測量結(jié)果。

圖9：確定單音高信號的動態(tài)范圍。

   



聲音強(qiáng)度測量

最常見的音頻測量可能是聲音強(qiáng)度。聲音強(qiáng)度定義為聲壓的動態(tài)變化。通常測量參照人類可以產(chǎn)生聽覺的臨界值（通常為20μP）進(jìn)行度量，并且按照對數(shù)強(qiáng)度比例用分貝進(jìn)行表示。在進(jìn)行聲音強(qiáng)度測量時，您通常使用加權(quán)濾波和平均。SVT能夠方便地進(jìn)行多種聲音強(qiáng)度測量。在圖12中，我們給出了計算基于采集數(shù)據(jù)的不同聲音壓力。還可以進(jìn)行重復(fù)測量，計算反響次數(shù)或是一定時間內(nèi)的等效噪聲強(qiáng)度。

圖10：使用SVT從采集數(shù)據(jù)計算多個聲音強(qiáng)度測量。

音階分析

分?jǐn)?shù)音階分析是分析音頻與聲學(xué)信號中廣泛使用的技術(shù)，因為這種分析展示了類比于人耳響應(yīng)的特性。這個過程包括通過帶通濾波器發(fā)送時域信號，計算信號的均方值以及在方塊圖上顯示這些數(shù)值。ANSI與國際電工委員會（IEC）標(biāo)準(zhǔn)定義了音階分析儀的規(guī)范。帶通濾波器特性與圖表通過所需的頻率帶和所需的音階分?jǐn)?shù)定義。NI DSA板卡以及SVT能夠創(chuàng)建與國際標(biāo)準(zhǔn)完全兼容的分?jǐn)?shù)音階分析儀。SVT包含符合ANSI和IEC標(biāo)準(zhǔn)的VI，它們可以進(jìn)行全音階直至1/24音階分析。圖11展示了使用SVT進(jìn)行三分之一音階分析。

圖11：基于ANSI標(biāo)準(zhǔn)完成1/3音階分析。

頻帶功率
頻率測量常用于音頻應(yīng)用中。SVT包含用于頻率分析的強(qiáng)大工具。我們有用于基帶FFT、基帶子集分析與zoom FFT的工具，它們能夠獲取功率譜、功率譜密度等等。SVT Power in band.vi是頻率譜分析VI之一。它計算指定頻率范圍內(nèi)的總功率。如圖12所示，您可以從功率譜、功率譜密度、幅值譜或連續(xù)輸出功率譜中獲得頻帶功率。結(jié)果根據(jù)輸入單位，用適當(dāng)?shù)膯挝贿M(jìn)行表示。

圖12：找出指定頻帶中的功率。

頻率響應(yīng)
進(jìn)行頻率響應(yīng)分析的目的通常是得到被測系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)（FRF）的特征。FRF表示在頻域中輸出對輸入的比例。FRF曲線是音頻設(shè)備中的典型規(guī)范。有多種方法可以得到FRF，雙通道頻率分析可能是其中最快的方法。交叉頻譜方法根據(jù)兩個輸入生成頻率曲線，它們通常是被測單元（UUT）的激勵和響應(yīng)。

頻率響應(yīng)分析需要的常見配置要求使用UUT的寬帶激勵（通常是噪聲信號或多音高信號）。然后同時采集UUT的激勵和響應(yīng)。完成雙通道頻率分析可以獲得UUT的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)以及信號連續(xù)性。為了改進(jìn)FRF測量，您可以對響應(yīng)取平均值，通過對FRF取平均值，您可以獲得更為精確的響應(yīng)曲線。這個方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠克服噪聲、失真和非相關(guān)效應(yīng)。它唯一的局限性是頻率信噪比可能比掃頻測量低。圖13展示了基于SVT從采集到的激勵與響應(yīng)中獲得波特圖的 VI。

圖13：使用跨頻譜方法獲得頻率響應(yīng)函數(shù)。

結(jié)論

這里討論的測量只是LabVIEW用于音頻測量的簡介。將硬件與軟件整合在一起完成整個測量過程，包括采集數(shù)據(jù)、分析與顯示。LabVIEW的強(qiáng)大功能和靈活性可以擴(kuò)展系統(tǒng)，生成多個測量結(jié)果、自動化測試、生成報告，從而可以提高性能并且降低總成本。