家庭影院音響性能測試分析系統(tǒng)開發(fā)

王高平,皮云晗,周 攀,陳漢新

(1.武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學(xué)院，廣東 佛山 528216)

0 引 言

常用的音響測試系統(tǒng)采用對聲音信號進行測量和分析，這需要昂貴、精密的測量設(shè)備和特殊的測量環(huán)境，這樣才能降低噪聲并提高測量精度.這在家庭音響系統(tǒng)的測試中難以實現(xiàn).隨著電腦的性能越來越強大，虛擬儀器的出現(xiàn)使得組建測試系統(tǒng)的成本大大降低.LabVIEW作為虛擬儀器中的領(lǐng)導(dǎo)者[1]，其直觀的圖形化編程語言深受工程師的喜愛.由于聲音與振動[2]之間有著密不可分的關(guān)系，因此用振動的特性對聲音進行評價，可以實現(xiàn)聲音的立體分析.本文以LabVIEW為基礎(chǔ)，設(shè)計了一個家庭影院音響性能測試分析系統(tǒng)[3].該系統(tǒng)能快速、準確地對音響發(fā)出的振動信號進行采集、處理和分析[4].

1 音響測試平臺的構(gòu)成

音響振動測試系統(tǒng)的硬件配置框圖如圖1所示.

圖1 音響測試系統(tǒng)的硬件配置框圖Fig.1 Hardware configuration of the audio test system

音響振動測試平臺硬件采用QUEST VI-100振動計——它包括壓電式加速度傳感器和測量儀兩個部分，VI-100為一臺寬帶振動計，它可測量位移、速度或加速度中任意一個項目的大小，并提供快速、簡單的指示.它的AC輸出端口主要提供振動的頻率組成信號，可為示波器、數(shù)據(jù)采集卡等裝置提供信號.它的各測量模式的頻率響應(yīng)如圖2所示.

圖2 VI-100各測量模式的頻率響應(yīng)Fig.2 Frequency response in different measurement mode of VI-100

NI公司的PXI-5105型高速數(shù)字化儀[5].它的部分性能參數(shù)如下：60 MS/s實時采樣率，8通道同步采樣通道，12位垂直分辨率.它的最大模擬輸入電壓為-15～15 V,最大電壓范圍的敏感度為7.3 mV；最小模擬輸入電壓為-25～25 mV, 最小電壓范圍的敏感度為12.2 μV.還有一個設(shè)備是Agilent33250A任意函數(shù)發(fā)生器.實驗平臺以音響為振動元件，通過軟件Adobe Audition可以讓它發(fā)出固定頻率的聲音，并可以選擇正弦波、方波、三角波和反正弦波四種輸出波形.測試系統(tǒng)的實物圖如圖3所示.

圖3 測試系統(tǒng)實物圖Fig.3 Chart in kind of the test system注： 1.振動計；2.音響；3.壓電式加速度傳感器；4.函數(shù)發(fā)生器；5.PXI-5105高速數(shù)字化儀;6.計算機

系統(tǒng)運行時，音響的振動由加速度傳感器采集，輸入到振動計中；然后，振動計的AC輸出端向PXI-5105輸出振動信號，與此同時，函數(shù)發(fā)生器向PXI-5105發(fā)出標準信號與觸發(fā)信號.最后，多路信號經(jīng)PXI-5105輸入到計算機中并由LabVIEW編輯的軟件繼續(xù)處理.

2 平臺的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺，來實現(xiàn)音響振動信號的采集、存儲以及分析等功能.整個軟件可以分為幾個部分：在線監(jiān)測、時域分析、頻域分析以及頻率校準等[6].圖4為該系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖.

2.1 軟件運行順序

本系統(tǒng)主要采集音響振動時產(chǎn)生的信號和函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的標準信號，因此程序的設(shè)計可以放在一個While循環(huán)中分兩幀完成.程序開始運行時，首先在循環(huán)外初始化33250A和PXI-5105，然后進入循環(huán)運行第一幀程序，如圖5所示，即設(shè)置函數(shù)發(fā)生器的輸出波形參數(shù)并讓它輸出波形.

圖4 測試平臺軟件結(jié)構(gòu)Fig.4 Software structure of the test platform

接著運行第二幀程序.首先進行數(shù)據(jù)采集如圖6所示，用NI-SCOPE subVI編寫程序，設(shè)置數(shù)據(jù)采集與采樣通道等參數(shù)，包括豎直方向參數(shù)：幅值范圍、輸入方式、輸入阻抗；水平方向參數(shù)：采樣率、采樣長度以及記錄文件數(shù)量等；由于本系統(tǒng)用函數(shù)發(fā)生器的同步信號作為采樣觸發(fā)，所以選擇數(shù)字邊緣相對觸發(fā)模式，觸發(fā)源為PFI1.在這部分程序中，可以添加一些數(shù)據(jù)處理的程序，如波形顯示、數(shù)據(jù)存儲、信號分析等，如圖7所示.

2.2 頻域分析模塊

在對采集到的音響振動信號和標準信號進行分析時，首先通過加窗處理來抑制頻譜的泄漏.由于窗函數(shù)一般取為x(n)中間大兩頭小的光滑函數(shù)，這樣的沖擊響應(yīng)所對應(yīng)的濾波器具有低通特性，其帶寬和頻率響應(yīng)取決于窗函數(shù)的選擇.用得最多的三種窗函數(shù)是矩形窗、海明(Hamming)窗和漢寧(Hanning)窗.

圖5 第一幀程序圖Fig.5 The first frame of program graph

圖6 第二幀程序圖Fig.6 The second frame of program graph

圖7 數(shù)據(jù)處理部分Fig.7 Data processing part

2.2.1 自功率譜分析 功率譜分析主要研究信號在頻域中的各種特征，目的是提取有限數(shù)據(jù)在頻域內(nèi)被淹沒在噪聲中的有用信號，包括自功率譜和互功率譜.實際信號分析中常常利用FFT(快速傅里葉變換)把信號從時域變換到頻域.信號x(t)經(jīng)過離散采樣后得到長度為T的信號序列{x(n)}，(n=0,1,2…,N-1)，首先進行FFT運算，得到

(1)

在此基礎(chǔ)上，由共軛運算計算信號的自功率譜

SXX(f)=X*(f)X(f)

(2)

式(2)中X*(f)為X(f)的共軛復(fù)數(shù).

2.2.2 頻響函數(shù)分析 利用FFT把時域數(shù)據(jù)序列x(t)、y(t)變換成為相應(yīng)的頻域數(shù)據(jù)序列X(k)、Y(k)；求出信號的自功率譜密度和互功率譜密度Sxx(k)、Sxy(k)；根據(jù)式(3)可求出系統(tǒng)的頻響函數(shù).

(3)

圖8為實現(xiàn)頻響函數(shù)和相干函數(shù)分析的程序圖.x(t)接線端連接振動信號；y(t)接線端連接函數(shù)發(fā)生器信號.

圖8 頻響函數(shù)分析程序圖Fig.8 Frequency response function analysis program graph

2.3 信號的時域分析

信號的時域分析包括自相關(guān)分析與互相關(guān)分析[7]，指的是變量之間的線性關(guān)系.自相關(guān)函數(shù)Rx(τ)是描述一個時刻的取值與另一個時刻的取值之間的依賴關(guān)系，可表示為

(4)

互相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)是表示兩組數(shù)據(jù)之間依賴關(guān)系的相關(guān)統(tǒng)計量 ，可表示為

(5)

2.4 頻率校準

振動源的頻率校準需要借助函數(shù)發(fā)生器的標準信號，并利用軟件Adobe Audition控制音響發(fā)出特定頻率的聲音.運行程序時，以上兩路信號同時被采樣，經(jīng)FFT變換后即可觀察到兩路信號在頻域上的吻合程度，實現(xiàn)頻率的校準.圖9為FFT變換程序圖.

圖9 FFT變換程序圖Fig.9 FFT transform program graph

3 實驗結(jié)果與系統(tǒng)分析

3.1 實驗結(jié)果

為了檢驗測試系統(tǒng)的功能及其有效性，利用圖3構(gòu)成的硬件系統(tǒng)進行了測試實驗.該實驗分兩步進行.第一步進行頻率校準實驗[8]，分別設(shè)定音響發(fā)出80 Hz、90 Hz、100 Hz、110 Hz、120 Hz的聲調(diào)，同時函數(shù)發(fā)生器的輸出波形設(shè)置與之對應(yīng)，幅值設(shè)為0.1 V.為檢測音響在每個方向上的振動是否一致，在每個頻率上分別測試X、Y、Z軸三個方向的振動頻率以及幅值[9].實驗結(jié)果表明：音響僅在設(shè)定頻率處有較大幅值，其他頻率上沒有明顯幅值，例如80 Hz的校準結(jié)果,如圖10所示.表1為特定頻率上的幅值統(tǒng)計結(jié)果.

圖10 80 Hz校準結(jié)果Fig.10 80 Hz calibration results注：

頻率/Hz幅值/VX方向Y方向Z方向800．0870．0380．047900．0480．0360．0401000．0190．0290．0311100．0070．0220．0201200．0110．0160．013

實驗第二步進行信號分析.圖10～13分別顯示的是在80 Hz特定頻率Z軸方向的原始波形圖、振動信號的自功率譜、頻響函數(shù)分析以及相關(guān)分析[10].

圖11顯示的是數(shù)據(jù)采集卡采集到的原始振動信號與函數(shù)發(fā)生器發(fā)出的標準信號在時域上的顯示；圖12為振動信號的自功率譜；圖13是振動信號對于標準信號的頻響函數(shù)分析；圖13是振動信號的相關(guān)分析.

圖11 原始波形圖Fig.11 Original waveform diagram注：

圖12 振動信號的自功率譜Fig.12 Self-power-spectrum of the vibration signal

圖13 振動信號的頻響函數(shù)分析Fig.13 Frequency response function analysis of the vibration signal

圖14 振動信號的相關(guān)分析Fig.14 Correlation analysis of the vibration signal

3.2 系統(tǒng)精度與效率分析

由振動計VI-100各測量模式的頻率響應(yīng)(見圖2)可知，振動計在測100 Hz左右這種低頻率的振動時應(yīng)該用位移模式.實驗結(jié)果表明：測得的振動幅值范圍在0.01～0.1 V之間，符合振動計的頻率響應(yīng)范圍[11].根據(jù)PXI-5105的性能參數(shù)可知當輸入電壓范圍設(shè)定為-0.1～0.1 V并且采樣率設(shè)為2 000 Hz時,PXI-5105就能準確地采集到振動計和函數(shù)發(fā)生器的信號.所以該測試系統(tǒng)具有較高的采樣精度并且實時性較好.

該系統(tǒng)與現(xiàn)有音響測試系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)點：

1)使用壓電式加速度傳感器采集信號，這種方式與用聲音測量設(shè)備采集信號相比，對發(fā)聲源的測量更為準確.

2)采用虛擬儀器進行系統(tǒng)設(shè)計，可以實現(xiàn)對信號的分析多樣化，并且程序的調(diào)試更加方便.

3)采用函數(shù)發(fā)生器發(fā)出校準信號，使得實驗結(jié)果對比直觀.

4 結(jié) 語

綜上所述，利用振動計和數(shù)據(jù)采集卡作為硬件部分，以LabVIEW為基礎(chǔ)開發(fā)軟件部分來設(shè)計的音響性能測試系統(tǒng)測量精度高，實時性好，測量所得信號噪聲小，測量分析結(jié)果能反應(yīng)音響的基本性能.且系統(tǒng)對測量環(huán)境的要求低，不需要隔音降噪設(shè)施也能獲得較好的測試結(jié)果，為家庭影院的音響性能分析提供了一種新的方法.

致謝

在系統(tǒng)的開發(fā)過程中得到了湖北省教育廳留學(xué)回國人員科研啟動基金的資助，在此表示衷心感謝！

參考文獻：

[1] 趙華.虛擬儀器在機械振動測試平臺設(shè)計中的應(yīng)用[J].煤礦機械,2012,33(1)：17-20.

ZHAO Hua. Application of Virtual Instrument in Design of Mechanical Vibration Test Platform[J]. Coal Mine Machinery,2012,33(1):17-20. (in Chinese)

[2] 師漢民. 機械振動系統(tǒng)[M]. 武漢：華中理工大學(xué)出版社，1992.

SHI Han-min. Mechanical Vibration System-Analysis o Measurement o Modeling o Control[M]. Wuhan: Hua zhong University of Science and Technology press, 1992. (in Chinese)

[3] 李德葆，陸秋海. 工程振動試驗分析[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2004.

LI De-bao,LU Qiu-hai. Engineering Vibration Experimental Analysis[M]. Beijing：Tsinghua University Press, 2004. (in Chinese)

[4] 陳漢新,張琰,劉岑. 線性自適應(yīng)小波理論的齒輪箱故障診斷方法[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報,2012,34(12):44-49.

CHEN Han-xin, ZHANG Yan, LIU Cen. Fault detection of gearbox by linear combination of adaptive wavelets[J], Journal of Wuhan Institute of Technology, 2012,34(12): 44-49. (in Chinese)

[5] 張彥鐸,陳馳,于寶成,等. 高速圖像采集系統(tǒng)的研制[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報,2013,35(5)：67-72.

ZHANG Yan-duo, CHEN chi, YU Bao-cheng,et al. Development of high-speed image acquisition system[J]. Journal of Wuhan Institute of Technology, 2013,35(5): 67-72. (in Chinese)

[6] 佟德純，姚寶恒. 工程信號處理與設(shè)備診斷[M]. 北京：科學(xué)出版社，2008.

TONG De-chun,Yao bao-heng. Engineering Signal Processing and Equipment Diagnosis[M]. Beijing： Science Press, 2008. (in Chinese)

[7] 臧觀建,劉正平. 基于LABVIEW 的聯(lián)合時頻分析[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報，2007，24(4)：121-124.

ZANG Guan-Jian, LIU Zheng-ping. The Joint Time Frequency Analysis Based on LabVIEW[J]. Journal of East China Jiaotong University, 2007,24(4): 121-124. (in Chinese)

[8] Eddy B?gh Brixen. Audio Metering: Measurements, Standards and Practice[M]. Amsterdam: Focal Press, 2010.

[9] 許鋼,林園勝,胡天水,等. 虛擬儀器技術(shù)在溫度采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報,2013,35(7)：81-86.

XU Gang，LIN Yuan-sheng，HU Tian-shui，et al. Application of virtual instrument technologyin temperature acquisition system[J].Journal of Wuhan Institute of Technology, 2013,35(7)：81-86. (in Chinese)

[10] 張彥鐸,鄧超,于寶成, 等.圖像跟蹤器性能檢測設(shè)備的設(shè)計與應(yīng)用[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報,2013,35(6)：44-49.

ZHANG Yan-duo, DEN Chao, YU Bao-cheng, et al. Design and application of testing equipment ofimage tracker performance[J].Journal of Wuhan Institute of Technology, 2013, 35(6): 44-49. (in Chinese)

[11] 舒安慶,張鵬,丁克勤, 等. 事故樹分析法在港機故障檢測中的應(yīng)用[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報,2013,35(6)：62-66.

SHU An-qing, ZHANG Peng, DING Ke-qin, et al. Application of accident tree analysis in portmachinery fault detection[J], Journal of Wuhan Institute of Technology, 2013, 35(6): 62-66. (in Chinese)