基于生產(chǎn)線的音頻測(cè)試

介紹現(xiàn)代軟硬件技術(shù)使工程師能夠分析聲音信號(hào)許多方面的特性。LabVIEW等編程軟件提供了短時(shí)間內(nèi)開發(fā)復(fù)雜測(cè)量應(yīng)用所需的易用性、性能及強(qiáng)大功能。本文描述了基于LabVIEW工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量軟件進(jìn)行音頻測(cè)量系統(tǒng)開發(fā)的步驟，以提高生產(chǎn)力并保持可升級(jí)性。

現(xiàn)代音頻測(cè)量是數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)中要求最高的操作之一。若要成功進(jìn)行音頻測(cè)量，軟件必須要能執(zhí)行如數(shù)據(jù)比例縮放、濾波、分析、可視化等多項(xiàng)任務(wù)。從數(shù)據(jù)采集到結(jié)果顯示，LabVIEW都具有確保精密測(cè)量的靈活性和模塊化特點(diǎn)。美國(guó)國(guó)家儀器公司提供多種工具包來(lái)拓展LabVIEW的功能，使聲音和振動(dòng)測(cè)量更簡(jiǎn)單。NI軟硬件可以無(wú)縫集成，方便替代多款箱式儀器并提供更高的自定制性和性能。下列章節(jié)將對(duì)一些常見的音頻測(cè)量任務(wù)進(jìn)行講解。本文中的相關(guān)范例將使用LabVIEW專業(yè)版或完整版開發(fā)系統(tǒng)，某些范例將配合使用 NI聲音和振動(dòng)工具包。這些范例均可輕松集成到用戶自定義的音頻測(cè)量系統(tǒng)中。
數(shù)據(jù)采集、換算和加權(quán)大多數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)架均從某些類型的傳感器或變換器開始構(gòu)建，它們可以根據(jù)不同的物理現(xiàn)象產(chǎn)生電子信號(hào)。測(cè)量這些電子信號(hào)并將它們輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的過程稱為數(shù)據(jù)采集。音頻等動(dòng)態(tài)信號(hào)需要高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字化設(shè)備。 美國(guó)國(guó)家儀器公司的NI 4461設(shè)備提供24位模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）和24位數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC），能同步采集和生成從DC到92 kHz帶寬的模擬信號(hào)，確保高分辨率測(cè)量應(yīng)用。圖 1顯示了LabVIEW VI的框圖和部分前面板，它能在一個(gè)PXI系統(tǒng)中同步驅(qū)動(dòng)17塊NI 4461設(shè)備并可在多機(jī)箱系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多達(dá)1,000個(gè)的同步通道。采集的數(shù)據(jù)最終被繪制到圖表中。

圖1. 以24位的分辨率進(jìn)行1,000個(gè)通道的同步采集和波形顯示信號(hào)換算
NI聲音和振動(dòng)工具包提供上層封裝VI，以合適的單位顯示數(shù)據(jù)，即以工程單位表示的時(shí)域數(shù)據(jù)、以分貝為單位的頻率數(shù)據(jù)等。然而，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取的數(shù)值通常與傳感器輸出電壓呈線形關(guān)系；而原始數(shù)據(jù)則是正常的電壓?jiǎn)挝弧Ｐ盘?hào)換算是將電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換為正確的工程單位的必要步驟。SVS Scale Voltage to EU.vi提供了將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為帕斯卡（Pa），g，m/s2等單位的簡(jiǎn)單方法。該轉(zhuǎn)換VI是數(shù)字化儀的原始數(shù)據(jù)與麥克風(fēng)和傳感器采集的實(shí)際有用數(shù)據(jù)之間的橋梁。圖2顯示了使用聲音和振動(dòng)工具包的VI，將采集的數(shù)據(jù)以和真實(shí)物理現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的單位范圍進(jìn)行表示。

圖2. 使用NI聲音和振動(dòng)工具包將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到合適的工程單位
為了獲得信號(hào)的精確比例轉(zhuǎn)換關(guān)系，必須先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。只要了解了測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的關(guān)系即可進(jìn)行校準(zhǔn)。在音頻測(cè)量系統(tǒng)中，校準(zhǔn)需要使用一個(gè)已知值的外部聲音源，該聲音源一般由活塞式發(fā)聲器或聲學(xué)校準(zhǔn)器產(chǎn)生。聲音和振動(dòng)工具包提供了校準(zhǔn)VI，用于確保整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度。
加權(quán)濾波器測(cè)量硬件通常被設(shè)計(jì)為在音頻帶寬中具有線性響應(yīng)。另一方面，人耳的響應(yīng)是非線性的。因?yàn)樵诙鄶?shù)情況下最終的傳感器是人耳，我們需要對(duì)測(cè)量進(jìn)行補(bǔ)償以適應(yīng)人耳模型。使用加權(quán)濾波器是描繪對(duì)聲音主觀感知的標(biāo)準(zhǔn)最佳方法。一般來(lái)說(shuō)，加權(quán)濾波器使用模擬器件搭建；不過，聲音和振動(dòng)工具包針對(duì)時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)提供了數(shù)字加權(quán)濾波器。在圖3是使用A類加權(quán)濾波器的VI，它可以和NI硬件結(jié)合在一起，符合美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI）標(biāo)準(zhǔn)。

圖3. 使用聲音和振動(dòng)工具包中A類加權(quán)濾波器對(duì)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)加權(quán)濾波
使用LabVIEW進(jìn)行音頻測(cè)量音頻信號(hào)在采集、換算和加權(quán)之后，即可利用計(jì)算機(jī)的處理能力來(lái)執(zhí)行復(fù)雜的信號(hào)分析。本部分將描述工業(yè)界常見的音頻測(cè)量應(yīng)用。每一個(gè)應(yīng)用都將提供簡(jiǎn)單描述和范例代碼，演示如何通過聲音和振動(dòng)工具包來(lái)實(shí)現(xiàn)這些測(cè)量。
單頻信息音頻測(cè)量的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法中都需要激勵(lì)和分析單音頻信號(hào)。NI聲音和振動(dòng)工具包提供了Express VI來(lái)提取信號(hào)中某個(gè)音頻信號(hào)的重要信息。Tone Measurement Express VI能夠找到信號(hào)中幅值最大的音頻信號(hào)部分并計(jì)算其幅值及頻率。該VI還可導(dǎo)出頻譜并進(jìn)行附加音頻分析。為了獲得更好的性能，VI還能將搜索范圍縮小到某一個(gè)特定頻帶。圖4顯示了如何使用Tone Measurement Express VI分析噪聲正弦波并顯示分析結(jié)果。該范例是單通道的分析，但該VI也能夠同步分析多個(gè)通道。

圖4. 提取信號(hào)中單音頻信號(hào)的頻率和振幅
RMS對(duì)于某些特定應(yīng)用，僅知道信號(hào)的幅值是不夠的。在許多諸如增益和功率的測(cè)量應(yīng)用中，均方根值（rms）的計(jì)算是必須的。NI聲音和振動(dòng)工具包提供了可以計(jì)算rms的VI，該VI通過對(duì)瞬時(shí)信號(hào)數(shù)據(jù)的平方在所需時(shí)間上積分，再開根號(hào)計(jì)算得到rms值。Amplitude and Level Express VI也可用于對(duì)信號(hào)的rms值求平均。該VI還提供時(shí)間窗口功能以幫助用戶獲得更好的測(cè)量效果。圖5顯示了如何在LabVIEW環(huán)境下使用Hanning窗計(jì)算經(jīng)過線形平均的DC和rms值。

圖5. 獲取采集信號(hào)的平均rms值
增益是音頻系統(tǒng)中進(jìn)行的基本測(cè)量之一。系統(tǒng)將獲得一個(gè)激勵(lì)信號(hào)并產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)。系統(tǒng)中放大信號(hào)所用的系數(shù)即為增益。當(dāng)對(duì)于不同頻率計(jì)算一系列增益值時(shí)，我們可以產(chǎn)生系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。如圖6所示，聲音和振動(dòng)工具包中的Gain and Phase VI根據(jù)采集到的激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)計(jì)算出系統(tǒng)的增益。增益可表達(dá)為激勵(lì)和響應(yīng)的線形比值或以分貝形式表示，這是評(píng)估響應(yīng)的一種常用方法。

圖6. 根據(jù)采集信號(hào)計(jì)算系統(tǒng)增益
通道間串?dāng)_一般來(lái)說(shuō)，串?dāng)_是指通道間信號(hào)的泄漏現(xiàn)象。為了進(jìn)行該測(cè)量，我們需要將信號(hào)連接到一個(gè)輸入端口，在另一個(gè)未驅(qū)動(dòng)通道上測(cè)量該信號(hào)。針對(duì)不同環(huán)境和特定應(yīng)用，有多種不同標(biāo)準(zhǔn)可以來(lái)定義這類測(cè)量。該測(cè)量結(jié)果一般以未驅(qū)動(dòng)通道與驅(qū)動(dòng)通道的信號(hào)幅值的比值來(lái)表示，單位為分貝。圖7顯示了聲音和振動(dòng)工具包中的Crosstalk VI。

圖7. 計(jì)算兩路采集信號(hào)的串?dāng)_
總諧波失真是信號(hào)中不希望存在的部分，其頻率是輸入信號(hào)頻率的整數(shù)倍。這種類型的波形失真通常由模擬電路產(chǎn)生，它是決定音頻質(zhì)量的重要測(cè)量參數(shù)。諧波失真以信號(hào)諧波強(qiáng)度與原始信號(hào)強(qiáng)度的比值來(lái)描述。總諧波失真（THD）表示由輸入信號(hào)的諧波引起的總體失真。
信號(hào)與噪聲+失真比THD測(cè)量的另一個(gè)選擇為L(zhǎng)abVIEW SINAD analyzer.vi。信號(hào)與噪聲及失真比（SINAD） 是輸入信號(hào)能量與總的噪聲和諧波失真能量的比值。音頻質(zhì)量也可以用SINAD測(cè)量來(lái)評(píng)估，因?yàn)樗慕Y(jié)果表明了所需信號(hào)與噪聲和失真相比處于怎樣的主導(dǎo)地位。
總諧波失真+噪聲獲取了信號(hào)的SINAD后，其它的測(cè)量就變得更簡(jiǎn)單了，比如說(shuō)，總諧波失真+噪聲（THD+N）可以輕松地從SINAD中計(jì)算獲得。THD+N通常以百分比的形式表示。以分貝為單位的THD+N是SINAD的負(fù)值，因此需要一種轉(zhuǎn)換方法以獲取THD+N的百分比表示形式。我們需要獲得測(cè)量中激勵(lì)信號(hào)的真實(shí)強(qiáng)度，SINAD和THD+N都取決于所應(yīng)用的激勵(lì)信號(hào)。

圖8. 使用LabVIEW測(cè)量總諧波失真（THD）、信號(hào)與噪聲+失真比（SINAD）、以及總諧波失真+噪聲（THD+N）
動(dòng)態(tài)范圍音頻系統(tǒng)的常見參數(shù)規(guī)范之一就是動(dòng)態(tài)范圍——系統(tǒng)滿量程信號(hào)與最小信號(hào)的比值。動(dòng)態(tài)范圍也可視為信噪比，因?yàn)橄到y(tǒng)中的最小信號(hào)往往是噪聲，主要差別在于當(dāng)有信號(hào)存在時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍根據(jù)系統(tǒng)的噪底計(jì)算得到。動(dòng)態(tài)范圍的單位通常是分貝，也可通過加權(quán)噪底以獲得加權(quán)動(dòng)態(tài)范圍。如圖9所示，計(jì)算了一個(gè)單音頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，而我們也可以通過聲音和振動(dòng)工具包中的加權(quán)VI來(lái)創(chuàng)建A類加權(quán)動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量。

圖9. 確定單音頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍
聲音強(qiáng)度可能是最常見的音頻測(cè)量應(yīng)用。聲音強(qiáng)度定義為聲壓的動(dòng)態(tài)變化。此測(cè)量一般參考人耳聽力的閾值（一般為20 μP） ，并根據(jù)振幅的對(duì)數(shù)表示，以dB為單位。進(jìn)行聲音強(qiáng)度測(cè)量時(shí)，往往需要配合使用加權(quán)濾波器和平均。聲音和振動(dòng)工具包能夠輕松執(zhí)行各類聲音強(qiáng)度測(cè)量。在圖10的范例中，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行多種聲壓測(cè)量。我們也可以在一長(zhǎng)段時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行多次測(cè)量來(lái)計(jì)算回響次數(shù)或等效噪聲強(qiáng)度。

圖10. 使用聲音和振動(dòng)工具包中的Sound Level  Express VI根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行多種聲音強(qiáng)度測(cè)量
倍頻程分析分?jǐn)?shù)倍頻分析是一種廣泛使用的、用于分析音頻和聲音信號(hào)的技術(shù)，因?yàn)樵摲治龅奶匦耘c人耳類似。分析過程包括：在帶通濾波器的頻段發(fā)送時(shí)域信號(hào)，計(jì)算信號(hào)平方的平均值，將結(jié)果值顯示在條狀圖中。倍頻分析的規(guī)范由ANSI和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）定義。濾波器和圖表的屬性由所需頻率帶寬和倍頻分?jǐn)?shù)定義。使用聲音和振動(dòng)工具包搭配NI DSA板卡可用于創(chuàng)建完全符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的分?jǐn)?shù)倍頻分析器。聲音和振動(dòng)工具包中包含符合ANSI和IEC標(biāo)準(zhǔn)的VI，它們能以全倍頻到1/24倍頻進(jìn)行分析。圖11顯示了使用聲音和振動(dòng)工具包進(jìn)行的1/3倍頻分析的例子。
 圖11. 進(jìn)行基于ANSI標(biāo)準(zhǔn)的1/3倍頻分析
帶內(nèi)功率音頻應(yīng)用中經(jīng)常進(jìn)行頻率測(cè)量。針對(duì)此情況，聲音和振動(dòng)工具包包含了進(jìn)行頻率分析的強(qiáng)大工具。這些工具包括基帶FFT、基帶子集分析和Zoom-FFT；它們可用于獲得功率譜和功率密度譜等。聲音和振動(dòng)工具包的Power in band.vi是一個(gè)頻率譜分析VI。它能計(jì)算特定頻率范圍之內(nèi)的總功率。如圖12所示，您可以從功率譜、功率密度譜、強(qiáng)度頻譜或相關(guān)輸出功率頻譜中獲得頻帶功率。相關(guān)結(jié)果將根據(jù)輸入單位以合適的形式顯示。

圖12. 尋找特定頻率帶中的功率
頻率響應(yīng)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析的目的一般是為了描述測(cè)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)（FRF）的特性。FRF為頻域下輸出與輸入的比值。FRF曲線是音頻設(shè)備的常用參數(shù)規(guī)范，目前有多種獲得FRF的方式；雙通道頻率分析可能是最快的方法。互譜法根據(jù)兩個(gè)輸入生成頻率曲線，一般為被測(cè)元件（UUT）的激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)。頻率響應(yīng)分析的常見設(shè)定需要將寬帶激勵(lì)信號(hào)作用到 UUT（通常為噪聲或多頻信號(hào)）。UUT的激勵(lì)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)被同步采集。雙通道頻率分析可獲取UUT 的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)以及信號(hào)的相關(guān)性。為提高FRF測(cè)量性能，可對(duì)響應(yīng)信號(hào)求平均，F(xiàn)RF的平均長(zhǎng)度越長(zhǎng)，響應(yīng)曲線的精度就越高。該方法能夠有效克服噪聲、失真及非相關(guān)效應(yīng)。此外，該技術(shù)的計(jì)算速度極快，因?yàn)樗軌蛲瑫r(shí)測(cè)量所有感興趣的頻率。該方法的唯一缺點(diǎn)是，其信噪比低于相對(duì)應(yīng)的掃頻測(cè)量。圖13顯示了通過聲音和振動(dòng)工具包的VI根據(jù)采集的激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)中繪制波特圖的例子。

圖13. 通過互譜法獲取頻率響應(yīng)函數(shù)
結(jié)論本文中提及的測(cè)量應(yīng)用僅僅是LabVIEW可以進(jìn)行的音頻測(cè)量的一個(gè)大致介紹。需要集成軟硬件以完成整個(gè)測(cè)量過程，包括數(shù)據(jù)采集、分析和顯示。LabVIEW與 NI聲音和振動(dòng)工具包的強(qiáng)大功能和靈活性可用于擴(kuò)展系統(tǒng)以進(jìn)行多種類型的測(cè)量、自動(dòng)測(cè)試、報(bào)告生成等功能，從而實(shí)現(xiàn)更佳的性能和更低的總成本。