基于虛擬儀器技術(shù)的聲壓測(cè)量與信號(hào)處理

施水娟 李文文

摘 要：汽車風(fēng)門執(zhí)行器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的聲音將直接影響乘車舒適性，文章作為判別風(fēng)門執(zhí)行器是否合格的先行研究，實(shí)現(xiàn)了基于虛擬儀器的聲壓級(jí)測(cè)量。選用預(yù)極化電容式自由場(chǎng)聲傳感器，以NI 9234聲音與振動(dòng)輸入模塊實(shí)現(xiàn)聲壓信號(hào)的動(dòng)態(tài)采集。直接將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)化成聲壓會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，經(jīng)研究后采用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)了等效連續(xù)聲壓級(jí)和時(shí)間計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的轉(zhuǎn)化，并進(jìn)行了自然環(huán)境和連續(xù)敲擊時(shí)的聲壓測(cè)量試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：自由場(chǎng)聲傳感器;NI 9234;等效連續(xù)聲壓級(jí);時(shí)間計(jì)權(quán)聲壓級(jí)

中圖分類號(hào)：TB52+2 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）16-124-03

Abstract： The running sound of the air damper actuator affects the ride comfort directly. This paper is the first step to judge the air damper actuator whether pass or not automatically. Pre-polarization capacitance free field microphone was chosen， and the Sound and vibration input module NI 9234 was selected to acquire the sound dynamically. It was found that there was negative value of the sound pressure if the microphone signal was converted without any dispose. Then LabVIEW programming realized the convert of equivalent continuous SPL and time weighting SPL. Finally， the equivalent continuous SPL and time weighting SPL of the natural environment and knock on the desk were measured.

Keywords： Free field microphone; NI 9234; Equivalent continuous SPL; Time weighting SPL

CLC NO.： TB52+2 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-124-03

引言

當(dāng)聲波在空氣中傳播時(shí)，會(huì)形成彈性媒質(zhì)（即空氣）疏密相間的狀態(tài)。當(dāng)媒質(zhì)密集時(shí)這部分的空氣壓強(qiáng)會(huì)比平衡狀態(tài)下的靜態(tài)壓強(qiáng)大，當(dāng)媒質(zhì)稀疏時(shí)這部分的空氣壓強(qiáng)會(huì)比平衡狀態(tài)下的靜態(tài)壓強(qiáng)小。即在聲波的傳播過程中，空氣壓強(qiáng)隨著聲波作周期性變化。因此可以用聲擾動(dòng)在空氣中所產(chǎn)生的逾量壓強(qiáng)戶來表述聲波的狀態(tài)：P=Ps - P0，這個(gè)逾量壓強(qiáng)多稱為該點(diǎn)的瞬時(shí)聲壓，單位是帕斯卡（Pa）。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 聲傳感器

聲傳感器（也稱麥克風(fēng)或傳聲器）主要是用來測(cè)量聲壓的，最常見的有電容式麥克風(fēng)、壓電式麥克風(fēng)、炭粒麥克風(fēng)、磁麥克風(fēng)、MEMS麥克風(fēng)等。電容式麥克風(fēng)又分為外部極化式和預(yù)極化式，外部極化式需要200V的極化電壓，預(yù)極化式內(nèi)置了CCP前置放大器只需要恒流源供電，并且預(yù)極化式允許使用同軸電纜和BNC接頭。另外，按照響應(yīng)類型可將聲傳感器分為自由場(chǎng)麥克風(fēng)、壓力場(chǎng)麥克風(fēng)和擴(kuò)散場(chǎng)麥克風(fēng)。自由場(chǎng)麥克風(fēng)在設(shè)計(jì)和標(biāo)定時(shí)對(duì)其自身造成的聲壓變化作了了補(bǔ)償，從而確保獲得準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。如圖1所示，消音室或開闊區(qū)域是自由場(chǎng)麥克風(fēng)的理想使用場(chǎng)合[1][2]。

選用丹麥G.R.A.S.公司的46AE型1/2"自由場(chǎng)麥克風(fēng)，該傳感器集成了40AE型預(yù)極化式電容傳感器頭和26CA型前置放大器，采用CCP恒流源供電，其主要參數(shù)見表1。

1.2 測(cè)量系統(tǒng)

如圖2所示，聲壓測(cè)量系統(tǒng)由聲傳感器、前置放大器、抗混疊濾波、AD采樣和信號(hào)處理五個(gè)部分組成?；谔摂M儀器“軟件即儀器”的開發(fā)理念，本文選用NI虛擬儀器平臺(tái)作為聲壓信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)[4]。

采用NI 9234聲音與振動(dòng)輸入模塊，搭載NI cDAQ9171單模塊 USB 外盒構(gòu)成如圖3所示的測(cè)量系統(tǒng)。NI 9234 是一種 4 通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊，可對(duì) IEPE 傳感器進(jìn)行高精度測(cè)量，其動(dòng)態(tài)范圍為 102 dB。4 路輸入通道可同時(shí)以最高51.2 kS/s 的速率進(jìn)行采樣，該模塊還包含了內(nèi)置抗混疊濾波器，可自動(dòng)調(diào)節(jié)至設(shè)定的采樣率[5]。

2 信號(hào)采集與處理

2.1 動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量

利用LabVIEW進(jìn)行聲壓傳感器信號(hào)采集程序編寫。首先，將DAQmx Create Virtual Channel多態(tài)vi設(shè)成Analog Input→Sound Pressure→Microphone，并設(shè)置采樣物理通道、IEPE內(nèi)部激勵(lì)方式、IEPE電流為4mA、最大聲壓級(jí)為120dB、麥克風(fēng)靈敏度為50mV/Pa、終端接入方式為偽差分;其次，利用DAQmx Timing vi設(shè)置采樣時(shí)鐘源為板載時(shí)鐘、采樣方式為連續(xù)采樣、采樣率為50kS/s（S表示采樣點(diǎn)數(shù)量）、每循環(huán)采樣數(shù)為5000;然后，利用DAQmx Start Task vi開始連續(xù)采樣，并在while循環(huán)中利用DAQmx Read vi讀取采集的數(shù)據(jù);最后，利用DAQmx Stop Task vi停止連續(xù)采樣并利用DAQmx Clear Task vi清除當(dāng)前采集任務(wù)。圖4給出了程序框圖，可使用Sample Clock：Rate屬性節(jié)點(diǎn)獲取實(shí)際采樣率。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)置采樣率為50kS/s時(shí)，實(shí)際采樣率為51.2kS/s。