使用LabVIEW和工業(yè)標準計算機簡(jiǎn)化音頻測量

　　概覽

　　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用提供了新的可能性。利用工業(yè)標準計算機的強大性能和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(dòng)工具包對音頻數據進(jìn)行采集、分析與顯示。我們將會(huì )演示最常見(jiàn)的測量以及在音頻測量過(guò)程中完成多個(gè)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，Francis Bacon試圖測量開(kāi)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(méi)有能夠得到有效的測量結果?，F在，我們使用軟件和硬件能夠分析包括速度在內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(shí)間內，利用易用、強大的功能開(kāi)發(fā)復雜的測量應用。本文描述了開(kāi)發(fā)提供更高性能和可擴展性音頻系統的步驟。系統將基于LabVIEW工業(yè)標準測量軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

　　現代音頻測量是數字測量系統要求最高的任務(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)（例如數據換算、濾波、分析與可視化）。從采集數據到顯示數據，LabVIEW具有確保精確測量的靈活性與模塊性。NI提供了為簡(jiǎn)化聲音與振動(dòng)測量而設計的工具包來(lái)擴展LabVIEW功能。NI硬件與軟件能夠無(wú)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。

　　下一小節對音頻測量中的常見(jiàn)任務(wù)進(jìn)行了一般性解釋。本文中的實(shí)例使用LabVIEW開(kāi)發(fā)系統專(zhuān)業(yè)版或開(kāi)發(fā)系統完整版開(kāi)發(fā)，其中部分使用 LabVIEW聲音與振動(dòng)工具包。這些實(shí)例可以方便地整合到定制的音頻測量系統中。
數據采集、換算與加權

　　大多數測量系統都包含按照一定物理現象產(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進(jìn)行處理的過(guò)程成為數據采集。例如音頻等動(dòng)態(tài)信號需要使用高分辨率和高動(dòng)態(tài)范圍的數字化設備。NI 4461設備提供了24位模數轉換(ADCs)以及24位數模轉換(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果。圖1是一個(gè)LabVIEW VI的程序框圖和部分前面板，它在一臺PXI系統中使用17塊4461設備進(jìn)行同步數據采集。當使用多PXI機箱系統的時(shí)候，同步通道數可達到1000以上。采集到的數據繪制在圖表中。

圖1：以每采樣24位的精度對112個(gè)通道進(jìn)行同步采樣和繪圖。

　　信號換算

　　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據，包括以工程單位表示的時(shí)域數據和以分貝為單位的頻域數據等等。然而，使用數據采集設備采集到的數值往往與傳感器的輸出電壓呈線(xiàn)性關(guān)系，原始數據通常是以電壓為單位進(jìn)行表示。信號換算是將電壓數值轉換為正確的工程單位的過(guò)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(jiǎn)單方法。換算VI是來(lái)自數字化儀的原始數據與正在使用的麥克風(fēng)或傳感器相關(guān)的有用數值之間的橋梁。圖2給出了使用SVT表示數據的VI，它使用合適的單位范圍表示對應于實(shí)際觀(guān)察到的物理現象的數值。

圖2：使用LabVIEW聲音與振動(dòng)工具包將原始數據換算為合適的工程單位。

　　為了得到信號的精確換算，需要對系統進(jìn)行標定。在被測數值與標準數值之間存在已知關(guān)系時(shí)，可以進(jìn)行標定。在音頻測量系統中，標定過(guò)程需要一個(gè)已知數值的外部聲音源，它通常來(lái)自活塞發(fā)聲器或聲學(xué)標定器。SVT提供了標定VI，它能夠確保整個(gè)測量系統的精度。