基于計(jì)算機(jī)聲卡的噪聲采集與頻譜分析系統(tǒng)

呂華溢，王 波，黃 晗，謝 政，張金換

(1.清華大學(xué)汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.長(zhǎng)安汽車(chē)智能化研究院，重慶 401120)

0 引言

工業(yè)設(shè)備及自動(dòng)化裝置在工作過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲是一種主要環(huán)境污染源[1-2]。常規(guī)的聲級(jí)計(jì)主要以檢測(cè)聲壓幅值為主，缺乏噪聲頻域信息，數(shù)據(jù)保存及離線處理不便，不適宜長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)、設(shè)備價(jià)格昂貴。聲卡已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置設(shè)備，遵循統(tǒng)一的軟硬件接口規(guī)范、具有16位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度和不低于44.1 kHz的采樣頻率，因此可基于聲卡外接傳聲器采集噪聲信號(hào)，并通過(guò)編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理、顯示和保存。

基于計(jì)算機(jī)聲卡的數(shù)據(jù)采集、處理軟件開(kāi)發(fā)主要有3種實(shí)現(xiàn)方法：基于MATLAB實(shí)現(xiàn)[3-4]，利用其數(shù)據(jù)采集工具箱(Data Acquisition Toolbox)提供的數(shù)據(jù)采集函數(shù)控制聲卡獲取信號(hào)數(shù)據(jù)，該方法優(yōu)勢(shì)在于MATLAB提供了豐富的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，易于進(jìn)行數(shù)據(jù)后期處理分析，劣勢(shì)在于未安裝MATLAB的計(jì)算機(jī)需要安裝MCR(MATLAB Compiler Runtime)后才可運(yùn)行開(kāi)發(fā)的程序；基于LabVIEW[5-6]實(shí)現(xiàn)，利用圖形化編程語(yǔ)言配置聲卡參數(shù)并獲取、處理信號(hào)數(shù)據(jù)，該方法優(yōu)勢(shì)在于軟件開(kāi)發(fā)直觀、簡(jiǎn)潔，數(shù)據(jù)處理模塊較豐富，劣勢(shì)在于開(kāi)發(fā)的程序在發(fā)布時(shí)需將運(yùn)行支持環(huán)境Runtime Engine共同打包，造成軟件安裝包過(guò)大；基于Visual Studio實(shí)現(xiàn)[7-8]，利用DirectX提供的多媒體編程函數(shù)獲取聲卡信號(hào)數(shù)據(jù)，該方法優(yōu)勢(shì)在于開(kāi)發(fā)的程序可在其他運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，軟件兼容性好，劣勢(shì)在于軟件開(kāi)發(fā)難度較高，數(shù)據(jù)處理函數(shù)不夠豐富。

比較上述3種實(shí)現(xiàn)方法，針對(duì)工業(yè)設(shè)備噪聲采集與分析的需求特點(diǎn)，本文采用Visual Studio工具包中的C#作為軟件開(kāi)發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)DirectX接口函數(shù)獲取聲卡數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)進(jìn)行頻域分析、波形顯示與數(shù)據(jù)保存的功能。

1 工作原理與系統(tǒng)組成

噪聲在振動(dòng)形式上屬于縱波，作為一種機(jī)械波作用在傳聲器的敏感元件上，可實(shí)現(xiàn)由機(jī)械振動(dòng)到電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換；聲卡通過(guò)自身的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器件經(jīng)采樣、量化后將該模擬電信號(hào)變換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；經(jīng)由計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線發(fā)送到內(nèi)部存儲(chǔ)器，CPU根據(jù)所運(yùn)行軟件的指令對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析；經(jīng)過(guò)處理后的噪聲數(shù)據(jù)仍存放在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，根據(jù)軟件指令分別由顯示設(shè)備將噪聲數(shù)據(jù)和處理結(jié)果以波形圖等形式進(jìn)行顯示，以及將噪聲數(shù)據(jù)以文件的形式保存到計(jì)算機(jī)的外存儲(chǔ)器中。系統(tǒng)整體工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理示意圖

噪聲采集與分析系統(tǒng)的構(gòu)成可分為傳聲器、采集設(shè)備和計(jì)算機(jī)部分，如圖2所示。其中傳聲器由麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)3.5 mm同軸音頻線纜連接至計(jì)算機(jī)中由聲卡實(shí)現(xiàn)的采集設(shè)備接口上，計(jì)算機(jī)完成噪聲數(shù)據(jù)的分析處理后，通過(guò)自身的顯示器和硬盤(pán)實(shí)現(xiàn)結(jié)果顯示和數(shù)據(jù)保存。

圖2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2 噪聲采集與數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)的硬件構(gòu)成基于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)和聲卡，因此噪聲采集與分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要以軟件開(kāi)發(fā)為主，包括噪聲數(shù)據(jù)采集、頻譜分析、時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)顯示、噪聲數(shù)據(jù)保存功能模塊，如圖3所示。

圖3 噪聲采集與分析系統(tǒng)功能模塊

2.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

噪聲采集與分析系統(tǒng)基于.Net平臺(tái)采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，不需要直接調(diào)用Windows操作系統(tǒng)的API函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)用戶(hù)操作界面、數(shù)據(jù)顯示和文件保存等功能；聲卡數(shù)據(jù)獲取通過(guò)調(diào)用DirectX多媒體接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)。軟件整體架構(gòu)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法和模塊化實(shí)現(xiàn)方式，通過(guò)用戶(hù)或系統(tǒng)定時(shí)器觸發(fā)調(diào)用相關(guān)函數(shù)模塊完成功能需求，軟件架構(gòu)工作流程如圖4所示。

圖4 軟件工作流程圖

系統(tǒng)啟動(dòng)后首先進(jìn)行用戶(hù)界面初始化和聲卡設(shè)備的枚舉初始化，聲卡初始化成功則顯示系統(tǒng)用戶(hù)界面，等待用戶(hù)操作觸發(fā)相應(yīng)功能函數(shù)模塊；初始化失敗則直接退出系統(tǒng)。如果用戶(hù)選擇保存噪聲數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將建立wav格式的聲音文件頭，用以記錄保存噪聲音頻文件。用戶(hù)啟動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)的采集分析后，系統(tǒng)將實(shí)時(shí)獲取聲卡數(shù)據(jù)存入內(nèi)部存儲(chǔ)器中建立的緩沖區(qū)，系統(tǒng)定時(shí)器將周期性地觸發(fā)操作從緩沖區(qū)讀取噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析、時(shí)域和頻域波形顯示，以及噪聲音頻文件保存。用戶(hù)停止數(shù)據(jù)采集后，系統(tǒng)定時(shí)器將停止觸發(fā)不再進(jìn)行頻譜分析和波形顯示更新，所保存的音頻文件進(jìn)行關(guān)閉。噪聲采集與分析系統(tǒng)軟件界面如圖5所示，其中1為頻域波形顯示，2為時(shí)域波形顯示，3為噪聲量值顯示，4為文件保存設(shè)置按鈕，5為系統(tǒng)啟動(dòng)/停止按鈕，6為系統(tǒng)退出按鈕。

圖5 噪聲采集與分析系統(tǒng)軟件界面

2.2 數(shù)據(jù)采集與保存

聲卡采集參數(shù)需在Windows操作系統(tǒng)的控制面板項(xiàng)“聲音”中進(jìn)行設(shè)置，本文中設(shè)置模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度為16位，采樣頻率為44.1 kHz，根據(jù)Nyquist采樣定理可以滿(mǎn)足對(duì)人耳聽(tīng)力范圍20 kHz內(nèi)的噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的要求。噪聲信號(hào)在保存為wav格式的聲音文件時(shí)，需要在文件頭中寫(xiě)明聲音數(shù)據(jù)的采樣頻率、轉(zhuǎn)換精度，以及由這2個(gè)參數(shù)決定的存儲(chǔ)塊對(duì)齊標(biāo)識(shí)和每s數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，保證聲音文件數(shù)據(jù)在回放時(shí)可以被正確解析處理。

2.3 信號(hào)頻譜分析

噪聲信號(hào)的頻域信息采用快速傅里葉變換方法(FFT)計(jì)算得到，本文中所使用FFT處理方法為基于FFTW[9]所開(kāi)發(fā)的C語(yǔ)言開(kāi)源代碼修改適配，遵循開(kāi)源軟件的GPL許可證(GNU General Public License)版權(quán)規(guī)定[10]。

噪聲采集與分析系統(tǒng)中設(shè)置的系統(tǒng)定時(shí)器觸發(fā)間隔為250 ms，如圖4所示，在定時(shí)器到期后將從緩沖區(qū)讀取此段時(shí)間內(nèi)的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT計(jì)算得到頻域信息，并在軟件界面中顯示噪聲的時(shí)域和頻域波形，因此系統(tǒng)軟件界面的波形顯示刷新頻率為4 Hz。由聲卡采樣頻率44.1 kHz和FFT計(jì)算周期250 ms，可知FFT的計(jì)算點(diǎn)數(shù)為11 025個(gè)，因此系統(tǒng)的噪聲頻譜分辨率為4 Hz。

3 噪聲采集系統(tǒng)標(biāo)定

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中傳聲器采用YC-LM20型麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)音頻線纜連接至聲卡，并由計(jì)算機(jī)對(duì)聲卡模/數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的量化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。因此，需要建立噪聲幅值與聲卡量化步長(zhǎng)二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。參考GB/T 12060.4—2012《聲系統(tǒng)設(shè)備：第4部分 傳聲器測(cè)量方法》、JJG 482—2005《實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器(自由場(chǎng)互易法)檢定規(guī)程》和JJG 1019—2007《工作標(biāo)準(zhǔn)傳聲器(耦合腔比較法)檢定規(guī)程》等[11-13]中所給出的傳聲器靈敏度標(biāo)定方法，對(duì)本文中所設(shè)計(jì)的噪聲采集與分析系統(tǒng)采用與聲級(jí)計(jì)測(cè)量值比較的方法，進(jìn)行噪聲幅值標(biāo)定，其原理如圖6所示，聲源發(fā)射頻率1 kHz的正弦波噪聲信號(hào)，被與聲源距離相等的聲級(jí)計(jì)和待標(biāo)定系統(tǒng)傳聲器所接收，分別輸出單位為dB的噪聲幅值以及被聲卡模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的量化值，將二者相除即得到待標(biāo)定系統(tǒng)的噪聲幅值靈敏度，單位為dB/量化步長(zhǎng)。

圖6 噪聲幅值標(biāo)定方法示意圖

按照上述方法對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試，聲源發(fā)出頻率為1 kHz正弦波的94 dB噪聲激勵(lì)信號(hào)，標(biāo)定過(guò)程中系統(tǒng)軟件界面所顯示的測(cè)試數(shù)據(jù)波形如圖7所示，通過(guò)計(jì)算得到噪聲采集與分析系統(tǒng)的噪聲幅值靈敏度為0.14 dB/量化步長(zhǎng)。

圖7 系統(tǒng)靈敏度標(biāo)定數(shù)據(jù)波形

4 系統(tǒng)測(cè)試分析實(shí)例

使用本文中所設(shè)計(jì)的噪聲采集與分析系統(tǒng)經(jīng)過(guò)標(biāo)定后，對(duì)試驗(yàn)室內(nèi)加速牽引裝置電機(jī)及配電柜制冷系統(tǒng)在工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)試。將傳聲器設(shè)置在距噪聲源5 m處，系統(tǒng)所記錄到的噪聲時(shí)域波形和實(shí)時(shí)分析得到的噪聲頻域波形如圖8所示，可知被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)噪聲等級(jí)已接近90 dB，噪聲頻率主要分布在12 kHz以?xún)?nèi)，在1 kHz、1.8 kHz、3.9 kHz、7 kHz和10 kHz頻率點(diǎn)附近存在較顯著的噪聲頻譜波峰。

圖8 噪聲現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試記錄

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于計(jì)算機(jī)聲卡的噪聲采集與頻譜分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Visual Studio工具包中的C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)DirectX接口函數(shù)操作聲卡并獲取噪聲數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)完成對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域波形顯示、頻域分析與顯示、wav格式聲音文件保存的功能。參考傳聲器靈敏度標(biāo)定的國(guó)標(biāo)與檢定規(guī)程，使用聲級(jí)計(jì)對(duì)本文中所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了噪聲幅值標(biāo)定，其靈敏度為0.14 dB/量化步長(zhǎng)；所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的噪聲頻譜分辨率為4 Hz。使用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)室內(nèi)實(shí)際噪聲源進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)試，得到了噪聲等級(jí)和頻譜成分信息，可滿(mǎn)足工業(yè)設(shè)備及自動(dòng)化裝置噪聲環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的需求，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。