1、一 使用 LabVIEW簡化音頻測量世界上第一次嘗試對(duì)音頻信號(hào)的測量發(fā)生在 1627 年， Francis Bacon 試圖測量開放空間中聲音的速度 1。雖然他 的想法很好，但是因?yàn)榧夹g(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(hào)的許多特性。諸如 LabVIEW 等編程軟件讓我們能夠在短時(shí)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(gè)任務(wù) 以及 2

2、4 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(hào)以確保高分辨率的測量結(jié)果。圖 1 是一個(gè) LabVIEW VI 的程序框圖和部分前面板，它在一臺(tái) 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(shí)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。/ 10圖 1 ：以每采樣 24 位的精度對(duì) 112 個(gè)通道進(jìn)行同步采樣和繪圖。信號(hào)換算LabVIEW 聲音和振動(dòng)工具包 SVT ）提供了上層封裝 VI，以合適的單位顯示數(shù)據(jù)，包括以項(xiàng)目單位表示的時(shí)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

3、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(hào)換算是將電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換為正確的項(xiàng)目單位的過程。 SVS Scale Voltage to EU.vi 提供了將電壓信號(hào)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(duì)應(yīng)于實(shí)際觀察到的物理現(xiàn)象的數(shù)值。圖 2 ：使用 LabVIEW 聲音與振動(dòng)工具包將原始數(shù)據(jù)換算為合適的項(xiàng)目單位。為了得到信號(hào)的精確換算，需要對(duì)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

4、知關(guān)系時(shí)，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(gè)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(gè)測量系統(tǒng)的精度。加權(quán)濾波器測量硬件通常被設(shè)計(jì)為在音頻帶寬中具有線性響應(yīng)。另一方面，人耳具有非線性性響應(yīng)。因?yàn)樵谠S多情況下， 最終的傳感器是人耳，我們需要對(duì)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(shí)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(huì)ANSI ）的標(biāo)準(zhǔn)。/ 10圖

5、 3 ：將加權(quán)濾波器應(yīng)用于 SVT 的換算數(shù)據(jù)在完成音頻信號(hào)的采集、換算與加權(quán)之后，我們現(xiàn)在可以利用計(jì)算機(jī)的處理能力完成復(fù)雜的信號(hào)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(shí)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(jí)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(hào)進(jìn)行激勵(lì)和分析。 LabVIEW 提供了從信號(hào)中提取關(guān)于一定音頻 的重要信息的高級(jí) VI 。 Extract Single Tone Informati

6、on.vi可以找出信號(hào)中幅值最大的頻率成分，并且計(jì)算其幅值、頻率和相位。這個(gè) 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(hào)的選項(xiàng)。此 VI 還可以在某個(gè)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(duì)帶有噪聲的正弦波信號(hào)進(jìn)行分析的結(jié)果。這個(gè)范例僅限于對(duì)單通道信息進(jìn)行分析，但只要稍加修改，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)通 道信號(hào)的同步分析。+ 放大圖片圖 4 ：提取信號(hào)中單音頻的頻率、幅值和相位/ 10RMS 對(duì)于一些應(yīng)用而言，信號(hào)幅值并不能提供足夠信息。在例如需要計(jì)算增益與功率、信號(hào)均方根值等許多測量 中， La

7、bVIEW 提供了可以通過對(duì)瞬間信號(hào)數(shù)據(jù)取平方、對(duì)給定時(shí)間進(jìn)行積分、計(jì)算開根號(hào)結(jié)果功能方便地計(jì)算 均方根數(shù)值。 Basic Averages DC-RMS.vi 還能夠?qū)?duì)信號(hào)計(jì)算得到的均方根數(shù)值取平均值。這個(gè) VI 還包含了 時(shí)間窗選項(xiàng)，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(jì)算線性平均直流與均方根 數(shù)值。+ 放大圖片圖 5 ：獲得采集信號(hào)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(xiàng)基本測量。系統(tǒng)取得激勵(lì)信號(hào)并產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)。系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的因數(shù)稱 為增益。在不同頻率下計(jì)算一系列增益測量時(shí)，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(lì)與

8、響 應(yīng)，計(jì)算系統(tǒng)增益的基本 VI 。這個(gè)例子通過計(jì)算響應(yīng)的均方根數(shù)值對(duì)輸入均方根數(shù)值的比例得到增益。這個(gè)實(shí) 例用分貝表示增益，它是衡量響應(yīng)的常用方法。/ 10圖 6 ：根據(jù)采集信號(hào)計(jì)算系統(tǒng)增益。通道間串?dāng)_通常串?dāng)_定義為從一個(gè)通道向另一個(gè)通道的信號(hào)泄漏。要完成這個(gè)測量，將信號(hào)施加到一個(gè)輸入上，測量這個(gè) 信號(hào)在其他非驅(qū)動(dòng)通道中的大小。對(duì)于不同情況和特定的應(yīng)用，這個(gè)類型測量的定義有不同的標(biāo)準(zhǔn)。通常將這 個(gè)測量表示為非驅(qū)動(dòng)通道與驅(qū)動(dòng)通道比例的分貝數(shù)。圖7 是完成兩個(gè)采集信號(hào)串?dāng)_分析的 VI 。圖 7 ：計(jì)算來自兩個(gè)采集信號(hào)的串?dāng)_。總諧波失真5 / 10諧波失真是輸入信號(hào)整數(shù)倍頻率的多余信號(hào)。這種失真通

9、常是模擬電路產(chǎn)生的，在確定音頻質(zhì)量中是一個(gè)重要 的測量參數(shù)。諧波失真通過一定階次諧波電平對(duì)原始信號(hào)電平的比例進(jìn)行計(jì)算。總諧波失真 THD ）是輸入信號(hào) 諧波引入的總失真的度量。噪聲與失真信號(hào)進(jìn)行 THD 測量的另一個(gè)選擇包含在 LabVIEW SINAD analyzer.vi 中。信號(hào)噪聲及失真比 SINAD ）是輸入信號(hào) 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(píng)估，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果讓我們了解被測 信號(hào)相對(duì)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(hào)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

10、 方便地計(jì) 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(lì)信號(hào)的實(shí)際電平是十分重要的，因?yàn)?SINAD 和 THD+N 與施加的激勵(lì)信號(hào)有關(guān)。圖 8 中的例子展示了如何使用聲音與振動(dòng)工具包中的Tone Measurements Express VI來方便的獲得輸入信號(hào)的THD, SINAD, 以及 THD+N 等信息。+ 放大圖片圖 8 ：使用 LabVIEW 測量總諧波失真 THD ），噪聲與失真信號(hào) SINAD ）以及總諧波失真加噪聲 THD+N ） 動(dòng)態(tài)范圍/ 10動(dòng)態(tài)范圍是音頻系統(tǒng)的常見指

11、標(biāo)，即整個(gè)信號(hào)范圍相對(duì)于系統(tǒng)中最小信號(hào)的比例。動(dòng)態(tài)范圍可以視為信號(hào)噪聲 比，因?yàn)橄到y(tǒng)中的最小信號(hào)通常是噪聲，主要區(qū)別在于動(dòng)態(tài)范圍是在信號(hào)存在時(shí)，使用系統(tǒng)的背景噪聲進(jìn)行計(jì) 算的。動(dòng)態(tài)范圍通常用分貝表示，可以在加權(quán)背景信號(hào)中進(jìn)行計(jì)算，從而得到加權(quán)動(dòng)態(tài)范圍。圖 11 計(jì)算包含單 音頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍?？梢允褂?SVT 加權(quán) VI進(jìn)行加權(quán)得到 A 加權(quán)的動(dòng)態(tài)范圍測量結(jié)果。+ 放大圖片圖 9 ：確定單音高信號(hào)的動(dòng)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(dòng)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 20P）進(jìn)行度量，并且按照對(duì)數(shù)強(qiáng)度比例用分貝進(jìn)行表示。在進(jìn)行聲音強(qiáng)

12、度測量時(shí)，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(jì)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(jì)算反響次數(shù)或是一定時(shí)間內(nèi)的等效噪聲強(qiáng)度。/ 10圖 10 ：使用 SVT 從采集數(shù)據(jù)計(jì)算多個(gè)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(hào)中廣泛使用的技術(shù)，因?yàn)檫@種分析展示了類比于人耳響應(yīng)的特性。這個(gè)過 程包括通過帶通濾波器發(fā)送時(shí)域信號(hào)，計(jì)算信號(hào)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(huì)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。NIDSA 板卡以及

13、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。+ 放大圖片圖 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(jì)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

14、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。/ 10+ 放大圖片圖 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) 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 ）的特征。 FRF 表示在頻域中輸出對(duì)輸入的比FRF ，雙通道頻率分析可能是其中最快的方法。UUT ）的激勵(lì)和響應(yīng)交叉頻譜方法根據(jù)兩個(gè)輸入生成頻率曲線，它們通常是被測單元頻率響應(yīng)分析需要的常見配置要求使用 UUT 的寬帶激勵(lì) 通常是噪聲信號(hào)或多音高信號(hào)）。然后同時(shí)采集UUT的激勵(lì)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(hào)連續(xù)性。為了改進(jìn) FRF 測 量，您可以對(duì)響應(yīng)取平均值，通過對(duì) FRF 取平均值，您可以獲得更為精確的響應(yīng)曲線。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠 克服噪聲、失真