基于LabVIEW的噪聲功率級測定系統

謝育金，黃淳，趙靜儀

(汕頭市質量計量監督檢測所，廣東汕頭515041)

0 引言

機械設備在運轉時，部件間的摩擦力、撞擊力或非平衡力會使機械部件和殼體產生振動而輻射噪聲。機械噪聲過高不僅會損害操作者，而且會影響周邊的環境質量。因此，一般機械產品標準中都嚴格限定產品噪聲功率級。然而，機械產品通常體積大、組裝復雜，在對其進行噪聲檢測時，受檢驗設備、檢驗條件等因素的影響，無法完全按照標準方法檢驗，難以得到穩定、準確的數值，給產品質量評價帶來不便。

本文基于LabVIEW 對噪聲功率級測定系統軟件部分進行設計。LabVIEW 的全稱是實驗室虛擬儀器工程平臺(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)［1-2］，是一種基于圖形化編程語言的測試系統軟件開發平臺。基于LabVIEW 的機械產品噪聲功率級測定方法，可以有效地運用LabVIEW 強大的虛擬儀器開發功能，在實現同步多點測量的同時，實時顯示各測量點的聲壓級，并根據數學模型實時計算出平均聲壓級和聲功率級，實現對聲源現場的及時評判［3］。

本文研究實現了基于LabVIEW 的噪聲功率級測定系統。在下面的討論中，我們首先介紹該系統的硬件部分，包括所設計的信號調理電路和數據采集卡接口擴展模塊等;然后敘述基于LabVIEW 對噪聲功率級進行計算的步驟;第三節通過實驗給出該系統對一臺立式充填封口機噪聲功率級的測定，并利用二維圖實時顯示出測量結果。

1 硬件設計

基于LabVIEW 的噪聲功率級測定系統的硬件由4路駐極體電容傳聲器作為拾取噪聲傳感器，經過低通濾波器濾波之后，采用單端接入法接到USB2810A 數據采集卡上，經USB 數據傳輸線傳輸到計算機上。下面就硬件各模塊進行分析。

1.1 傳聲器與信號調理

要實現噪聲聲功率的測量，首先要解決的是用何種器件將聲信號轉換成電信號，在測量過程中，我們先通過傳聲器將外界作用于傳聲器上的聲信號轉換成相應的電信號。聲電換能傳聲器性能的優劣在很大程度上決定了噪聲聲功率級測量的準確性［4］。傳聲器按其換能原理的不同，大體可分為電動式、壓電式和電容式三種類型，而一個好的傳聲器，應具有頻率范圍寬、頻率響應平直、動態范圍大、失真度小、靈敏度高、噪聲小、電磁干擾小等特性。駐極體電容傳聲器是一種不需要外加極化電壓的電容傳聲器，其具有頻率范圍寬、頻率響應平直、靈敏度變化小、長期使用穩定性好等優點，利用其設計聲級測量儀器能使測量儀器結構更緊湊、體積更小、重量更輕，便于攜帶。本文中使用的駐極體電容傳聲器靈敏度為-35dB ≈

17.8mV/Pa。

從傳感器得到的信號大多要經過調理才能進入數據采集設備，信號調理功能包括放大、隔離、濾波等。本文所采用的數據采集卡本身具有硬件放大功能，在信號調理部分主要實現了濾波處理。

由于人耳能聽到的聲音頻率在20 Hz ～20 kHz 之間，因此需要加一個帶通濾波器，實現在這個頻率范圍內的濾波?；趥髀暺鞯男盘柌杉c調理電路如下圖1所示。

圖1 傳聲器與信號調理電路PCB 圖

1.2 數據采集

數據采集卡一般由多路開關、放大器、采樣/保持器、A/D 轉換器等組成，能實現模擬輸入、模擬輸出、數字I/O、計數器/計時器等功能。挑選數據采集卡時，用戶需要考慮的是根據需要選取適當的總線形式，適當的采樣速率，適當的模擬輸入、模擬輸出通道數量，適當的數字輸入、數字輸出通道數量等，基于以上各因素的分析，本設計采用北京阿爾泰科技發展有限公司的USB2810A 數據采集卡。

數據采集卡USB2810A 的AD 模擬量信號輸入連接器是37 芯D 型插頭，如圖2(a)所示。圖中，AI0-AI31是AD 模擬量輸入管腳，分別對應于32 個模擬單端通道，當為雙端時，其AI0-AI15 分別與AI16-AI31 構成信號輸入的正負兩端;AGND 為模擬信號地;NC 則無定義。

為了實現USB2810A 模擬接口的擴展，我們設計了USB2810A 模擬信號輸入連接器37 芯D 型接口的擴展模塊，如圖2(b)和(c)所示。

圖2 USB2810A37 芯D 型接口及其擴展

1.3 測點分布

噪聲源測量面的選擇原則:在滿足測量環境的要求下，盡可能提高測量準確度。測點分布方式主要有半球測量面和矩形測量面兩種。在半消聲室或具有良好條件的露天地域，以半球測量面為好;在聲學條件較差的測量環境下，最好選用矩形測量面，且距基準體的距離盡量小。對小型機械或機器雖大但近似于立方體的機械設備進行測量時，可采用半球測量面;而對長方形機器或高大的機器進行測量時，則可采用矩形測量面［5］。

半球測量面的測點分布在面積為2πr2的測量面上，分4 個點，其中r 為測距，測距應大于或等于聲源最大線性尺寸的2 倍，4 個測點距地面的高度為0.6r，距離基準體中心水平距離為0.8r，分別分布在x，y 軸上;矩形測量面測點分別分布在組成矩形測量面的5個平面上(不包括地面)，測量面與基準體的5 個平面平行，頂面上的測點在頂面的中心線上且距頂面距離為d(d 一般取1 m)，4 個側面的測點在4 個側面的垂直中心線上，且距基準體表面距離也為d，而距地面高度為，其中H 為基準體高度［6］。

2 軟件設計

本文基于LabVIEW 對噪聲功率級測定系統軟件部分進行設計。用LabVIEW 開發出的應用程序被稱作VI(Virtual Instrument，即虛擬儀器)，一個VI 由前面板、框圖程序和圖標/連接器三個基本要素組成，采用數據流驅動，具有順序、循環、條件等多種程序結構。

經由USB 傳進來的數據，因為數據采集卡的放大、濾波等操作而轉換為采集設備能夠識別的標準信號，在計算聲功率級前需要進行信號還原。USB2810A 是LabVIEW 軟件直接支持的板卡，在LabVIEW 環境中調用非常方便［2］，通過還原得到的原始瞬時聲壓P(t)，再由公式(1)計算出測試點的有效聲壓級PRMS。

式中:PRMSi為第i 測點的有效聲壓級，dB;K1i為第i 測點背景噪聲修正值，dB;N 為測點總數。

聲功率級Lw由公式(3)得到:

式中:S 為測量面面積，S0=1m2。

程序首先調用一個順序結構，共5 幀，目的是使程序能夠按照既定的順序去執行，否則，將可能使得加載驅動跟設置數據采集卡的參數的步驟或其他步驟同時發生，引起錯誤。數據結構第一幀，利用USB2810_ CreateDevice 創建裝置;順序結構第二幀，通過函數USB2810_ InitDeviceAD，初始化數據采集卡的參數，包括采集通道數(由首通道、末通道決定)、量程選擇、接地方式，并初始化ADBuffer 數據為0;順序結構第三幀，利用兩個while 循環的內嵌，通過函數USB2810_ ReadDeviceAD 實現讀取數據采集卡上的數據，因為有4 個通道，利用USB2810A 數據采集卡ADBuffer 采集數據的排放方式，通過抽取一維數組，實現把4 路通道的數據分別拆分出來，然后通過層級計算公式(1)，(2)，(3)求出聲壓，再由聲壓求出相應的聲壓級，最后轉換為聲功率級，通過前面板顯示出來，具體程序框圖可由LabVIEW 生成;順序結構第四幀，利用USB2810_ ReleaseDeviceAD 釋放AD 設備，停止采樣;順序結構第五幀，利用USB2810_ ReleaseDevice 釋放整個裝置，框圖程序結束。

3 實驗

實驗對象為一臺立式充填封口機(長1.2 m×寬1.0 m×高1.8 m)，利用系統對聲音進行采集、分析處理并顯示結果。其中測點的分布模擬半球形分布方法，對數據采集卡的連接方式采用單端輸入，選取± 5V 的輸入量程供選擇，實際每次讀取的數據長度為4096，通過組件抽取一維數組，實現把每個通道的1024 個數據獨立抽取出來，最后通過公式(1)，(2)，(3)轉換為聲功率級并以二維圖的形式顯示出來，如圖3所示，其中橫軸表示采樣的時間點數，縱軸給出測定得到的聲功率級。

圖3 立式充填封口機噪聲功率級測定結果

從實驗結果可以看出，由于聲源聲功率各向散布比較均勻，此時各點瞬時聲壓基本相似，計算得到的聲功率級基本維持在85 ～90 dB 之間，如圖3 中通道合成聲功率級所示。同時，從界面可以簡單明了的看出此時系統使用的是哪幾個通道、輸入量程及接地方式是什么，選取的測量半徑為多少等，系統界面友好。

4 結語

噪聲功率級測定是一個要求高、影響因素復雜的測試工程，本文研究了基于虛擬儀器LabVIEW 的噪聲功率級測定方法，實現了系統的軟硬件部分。利用駐極體電容傳聲器采集信號，通過設計調理電路對信號進行濾波，濾波后的數據經由USB2810A 數據采集卡進入PC 機;實現了系統的軟件部分，基于采集、濾波后的聲壓數據，經由有效聲壓、聲壓級、聲功率級層級計算公式對數據進行分析，計算出噪聲功率級，并利用二維圖表實時顯示計算結果，系統經過進一步開發可用于對機械產品噪聲功率級的檢驗。

［1］Ghiani E，Locci N，Muscas C.Auto-evaluation of the uncertainty in virtual instruments［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2004，53(3):672-677.

［2］Bok J，Schauer P.LabVIEW-based control and data acquisition system for cathodoluminescence experiments［J］.Review of Scientific Instruments，2011，82(11)，113109-113109-6.

［3］Elmerabete J.Application of Real-Time Control System Using LabVIEW in Distance-Learning［J］.Proceedings of the 2010 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation，2010，663-666.

［4］牛鋒，何龍標，許歡，等.聲功率標準裝置介紹及其應用［J］.南京大學學報(自然科學版)，2012，48(5):661-665.

［5］于渤.噪聲源聲功率級測量的進展［J］.計量學報，1985，6(3):234-240.

［6］合肥通用機械研究所.GB/T7232-1994 包裝機械噪聲聲功率級的測定簡易法［S］.