基于LabVIEW及聲卡的工程裝備噪聲測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐肖攀，周建釗

（中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇南京 210007）

0 引言

現(xiàn)代工程裝備往往工作在高溫、潮濕、振動(dòng)、噪聲和灰塵等極為惡劣的環(huán)境中，駕駛操作人員健康受到極大的影響。因此用戶(hù)對(duì)現(xiàn)代工程機(jī)械設(shè)備的舒適性等方面提出越來(lái)越高的要求。對(duì)于軍用工程裝備而言，噪聲對(duì)操作人員的影響是工程裝備舒適性的一個(gè)重要指標(biāo)。如何能夠準(zhǔn)確方便地測(cè)量和分析工程裝備的噪聲特性，是工程機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制研究的內(nèi)容之一。本文提出了一種經(jīng)濟(jì)方便的工程機(jī)械噪聲測(cè)量方案，采用高精度、高兼容性、高可靠性和低成本的聲音數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行噪聲測(cè)量，噪聲的處理與分析則應(yīng)用了虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW圖形化軟件。該方案在實(shí)際應(yīng)用中效果很好，充分滿足了工程機(jī)械噪聲測(cè)量的需求。

1 虛擬儀器及LabVIEW

虛擬儀器（virtual instrument，VI）這一概念是由美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instrument Corp）于1986年提出，認(rèn)為“軟件即儀器”［1］。它的提出徹底打破了傳統(tǒng)儀器的概念，引發(fā)儀器設(shè)計(jì)及控制檢測(cè)領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革［2］。虛擬儀器是指用戶(hù)借助通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，根據(jù)實(shí)際需求定義并設(shè)計(jì)儀器功能，通過(guò)I/O接口設(shè)備進(jìn)行信號(hào)采集、測(cè)試和調(diào)理，并通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、分析、處理，將結(jié)果顯示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)各種測(cè)試功能的智能化儀器系統(tǒng)。從構(gòu)成來(lái)看，它一般包括三個(gè)組成部分:計(jì)算機(jī)、軟件以及硬件設(shè)備。硬件設(shè)備主要包括各種I/O接口設(shè)備，用于待測(cè)信號(hào)的采集、放大、濾波、A/D或D/A轉(zhuǎn)換等。軟件系統(tǒng)主要由VI應(yīng)用程序和接口設(shè)備的相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序組成，用于數(shù)據(jù)分析、處理［1］。

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）設(shè)計(jì)研發(fā)的虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件，圖形化的編程環(huán)境使它更為直觀，操作性更強(qiáng)［4］。它融合信號(hào)采集、測(cè)量分析、數(shù)據(jù)顯示等功能于一體，使儀器控制、數(shù)據(jù)采集、測(cè)量分析、仿真模擬等操作過(guò)程更加簡(jiǎn)便。由于LabVIEW采用圖形化編程方法，因此它又被稱(chēng)為G編程語(yǔ)言（graphical programming language），應(yīng)用它開(kāi)發(fā)的程序被稱(chēng)為虛擬儀器。

中糧寧夏年產(chǎn)2萬(wàn)t葡萄酒及配套種植基地項(xiàng)目區(qū)生活用水為從事葡萄酒生產(chǎn)101名工作人員生活用水?？紤]到企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模現(xiàn)階段無(wú)增加的計(jì)劃，因此不考慮項(xiàng)目區(qū)人口增加。

2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

2.1 數(shù)據(jù)采集

隨著虛擬儀器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)試技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集越來(lái)越重要。為此，美國(guó)NI公司推出Lab-VIEW的同時(shí)，也推出了一系列數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）及相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序，配合LabVIEW編寫(xiě)的虛擬儀器應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、測(cè)量和處理。當(dāng)采用DAQ卡測(cè)量模擬信號(hào)時(shí)，必須考慮到以下因素:信號(hào)數(shù)據(jù)的輸入模式、分辨率、輸入范圍、采樣頻率、采樣精度、噪聲等。如果不滿足DAQ卡的測(cè)量要求，一般要設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

聲卡采集系統(tǒng)主要由信號(hào)源、音頻輸入設(shè)備、信號(hào)調(diào)理、計(jì)算機(jī)聲卡以及通過(guò)LabVIEW設(shè)計(jì)的VI應(yīng)用程序組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。信號(hào)源產(chǎn)生的待測(cè)信號(hào)通過(guò)音頻輸入設(shè)備進(jìn)行傳遞，經(jīng)由濾波、放大等信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，通過(guò)Line In端口輸入聲卡。在聲卡芯片中，Line In端采集的音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之后，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，然后輸入計(jì)算機(jī)或工作站。通過(guò)VI應(yīng)用程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、波形顯示和頻譜分析等處理。

圖1 LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 聲卡

聲卡只適合采集頻域信號(hào)，對(duì)于非頻域信號(hào)如熱、壓力、位移等必須先經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理，使其轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，繼而輸入到聲卡中。

果然周副書(shū)記很老到，他說(shuō)，我?guī)愕綆讉€(gè)部門(mén)走走。幾天來(lái)，周書(shū)記馬不停蹄地帶到我找電力、稅務(wù)、銀行、火車(chē)站等部門(mén)單位化緣，又找到鎮(zhèn)上很有些實(shí)力企業(yè)老板拉了些贊助，五萬(wàn)元的經(jīng)費(fèi)基本上沒(méi)問(wèn)題。

LabVIEW內(nèi)置了許多與聲卡數(shù)據(jù)采集有關(guān)的函數(shù)節(jié)點(diǎn)，能夠滿足編程人員的各種需要［5］。由于音頻信號(hào)通過(guò)Line In接口輸入聲卡，信號(hào)中可能存在一定的弱噪聲干擾。除了在音頻輸入設(shè)備和Line In接口之間設(shè)置信號(hào)調(diào)理如濾波器以外，還可以在LabVIEW編程中使用“濾波器”函數(shù)節(jié)點(diǎn)，對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)一步濾除，使所采集的信號(hào)更加精確、準(zhǔn)確?！皩?xiě)入”多態(tài)函數(shù)節(jié)點(diǎn)的作用是將采集到的音頻信號(hào)保存在“文件路徑”節(jié)點(diǎn)所指定的存儲(chǔ)位置，以備后續(xù)分析。程序框圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

“我們不是一個(gè)人在戰(zhàn)斗！”省林科院副研究員陳景震幽默地說(shuō)。他定點(diǎn)服務(wù)的是宜章縣白石渡鎮(zhèn)。那里，已經(jīng)建起近兩千畝板栗林，陳景震此行的目的是針對(duì)板栗林產(chǎn)量下降和落果的問(wèn)題進(jìn)行診斷，通過(guò)改良和科學(xué)種植，屆時(shí)，板栗林的畝產(chǎn)有望從目前的60公斤提高到200公斤。

3.2 噪聲信號(hào)及輸入設(shè)備

圖2 噪聲采集系統(tǒng)框圖

由于美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的一系列數(shù)據(jù)采集卡價(jià)格高昂，一些第三方公司如阿爾泰科技有限公司開(kāi)發(fā)的基于USB接口的數(shù)據(jù)采集卡價(jià)格昂貴且兼容性和穩(wěn)定性不高。因此，本課題使用計(jì)算機(jī)內(nèi)置的聲卡作為音頻信號(hào)采集卡。利用聲卡作為DAQ卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具有16位量化精度、良好的兼容性、性能穩(wěn)定、靈活通用、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

連接好電路、音筒控制器，將音頻輸入線接入Line In端口，設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)名稱(chēng)、格式以及存儲(chǔ)路徑。開(kāi)啟電源，啟動(dòng)程序。通過(guò)信號(hào)源不斷發(fā)出聲音信號(hào)，系統(tǒng)開(kāi)始不斷進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)采集、分析，前面板上的“波形圖”控件實(shí)時(shí)顯示出聲音信號(hào)的波形，“功率譜密度”控件實(shí)時(shí)顯示對(duì)于采集的分析結(jié)果，如圖4所示。

3.3 LabVIEW程序編輯

普通聲卡具有“Line In”，“Mic In”等輸入端口和“Line Out”，“Spk Out”等輸出端口?！癓ine In”和“Mic In”的區(qū)別在于:前者的輸入信號(hào)強(qiáng)度高，可接入的幅值不超過(guò)1 V，而后者的輸入信號(hào)強(qiáng)度低，幅值大約在0.02～0.2 V之間。聲卡使用直接內(nèi)存讀取方式傳送數(shù)據(jù)，極大減少了CPU占用率［3］。此外，它還可以實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)雙通道16位、高保真采集，最高采樣頻率達(dá)到44.1 kHz，具有較高的精度和較大的被測(cè)信號(hào)可采樣頻率范圍。

圖3 噪聲測(cè)量系統(tǒng)程序框圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)用性分析

4.1 系統(tǒng)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室為模擬信號(hào)源，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備東風(fēng)康明斯（DEEC）發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)啟，不斷產(chǎn)生聲音信號(hào)。通過(guò)音筒以及信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，然后通過(guò)與Line In端口相連的數(shù)據(jù)線，音頻信號(hào)被不斷輸入到聲卡之中。由于Line In信道存在弱噪聲信號(hào)干擾。因此，濾波器非常必要。

圖4 程序運(yùn)行以及數(shù)據(jù)采集、分析圖

在波形圖和功率譜密度圖中，①波形曲線為原始采樣信號(hào)，②波形曲線表示使用LabVIEW“濾波器”節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以后所得到的信號(hào)。相比之下，濾除噪聲信號(hào)之后的波形更加平滑流暢。所采集的聲音信號(hào)會(huì)被實(shí)時(shí)地寫(xiě)入“D:DocumentsDesktopmytest est.wav”文件中加以存儲(chǔ)，以備以后重復(fù)調(diào)用、分析。

4.2 實(shí)用性分析

聲卡的采樣頻率可分為:44.1 kHz，22.05 kHz，11.02 kHz，8 kHz［6］。根據(jù) Nyquist采樣定理 fs.max≥2fmax，當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)最高頻率的2倍以上時(shí)，采集的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息。在實(shí)際應(yīng)用中，為保證采樣信號(hào)不失真，采樣頻率fs.max一般為信號(hào)最高頻率fmax的5～10倍。因此，聲卡的采樣頻率決定了被測(cè)信號(hào)的最高頻率范圍。對(duì)于最高頻率＜15 kHz的音頻信號(hào)，此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)表現(xiàn)良好。因此，在故障檢測(cè)中對(duì)于一般的振動(dòng)及噪聲信號(hào)，此系統(tǒng)表現(xiàn)出色。但是，對(duì)于最高頻率超過(guò)20 kHz的高頻振動(dòng)或噪聲信號(hào)，此系統(tǒng)有待進(jìn)一步改進(jìn)以滿足準(zhǔn)確性要求。

健全的組織結(jié)構(gòu)和具備競(jìng)爭(zhēng)力的人力資源隊(duì)伍相輔相成，互相支撐，是地方國(guó)有平臺(tái)公司健康發(fā)展的重要保障，本文依據(jù)當(dāng)前現(xiàn)狀，提出當(dāng)前地方國(guó)有公司平臺(tái)在發(fā)展中存在的政府行政主導(dǎo)，決策速度慢；力資源管理粗放，缺少競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制問(wèn)題，并針對(duì)問(wèn)題提出實(shí)現(xiàn)政企分離，完善人力資源管理機(jī)制；加強(qiáng)部門(mén)設(shè)置、增加黨和組織崗位比例；施行完善的人才管理策略，進(jìn)而有效提升地方國(guó)有平臺(tái)公司組織人力資源配置的公平性、專(zhuān)業(yè)性。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合LabVIEW圖形化編程軟件，構(gòu)造了一個(gè)簡(jiǎn)潔的噪聲測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)反復(fù)模擬實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)能夠快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)軍用工程裝備噪聲進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，充分滿足了工程機(jī)械噪聲測(cè)量的需求。此外，聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，不僅具有高采樣精度、高兼容性和高可靠性，還可有效降低測(cè)試裝置的復(fù)雜性和成本，具有良好的綜合性能。這種化繁為簡(jiǎn)、充分利用計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，使工程裝備故障檢測(cè)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔、測(cè)試過(guò)程更加自動(dòng)化和智能化，測(cè)試效率更高，具有良好的探討及應(yīng)用價(jià)值，為今后構(gòu)建低成本高效率的信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)提供了一個(gè)良好的范式和參考。

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