農業機械噪聲監測虛擬儀器系統的研究與開發

摘要：在分析噪聲的度量方法和評價原理基礎上，采用虛擬儀器技術，以Labview軟件作為開發平臺，提出一種用于監測農業機械噪聲的虛擬儀器系統，分析了系統的總體結構，并用圖形化編程的方法設計了系統的程序框圖。結果表明，該系統能對環境噪聲的波形數據進行實時采集、計算聲級及分貝值等參數，對噪聲波形數據的功率譜和頻率特性等進行分析，并在人機交互的前面板上直觀顯示其噪聲波形及頻域特性等。實際監測的噪聲波形和相關數據分析結果表明，該系統具有較高的采樣精度，靈活性較好，并具有較強的抗干擾能力，在噪聲的實際測量中具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：噪聲；聲卡；LabVIEW；監測；農業機械；系統研究開發

中圖分類號： TP391.9 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0402-03

收稿日期：2013-09-20

基金項目：國家星火科技計劃（編號：2102GA690304）；江蘇省淮安市科技支撐計劃（編號：HAS2012046）。

作者簡介：尹曉琦（1975—），女，江蘇淮安人，碩士，副教授，主要從事通信與信號處理研究。E-mail：hy_xuebao2009@126.com。噪聲是目前主要的環境污染之一，農用機械工作環境惡劣，產生的較大噪聲對駕駛員的危害較大。拖拉機、農用運輸車等在作業時產生的噪聲可分為兩大類：一類是機內噪聲，如發動機、底盤等發出的噪聲；另一類是作業時的外部噪聲。對于農田植物來說，噪聲能促進植物的衰老進程，增加呼吸強度和內源乙烯釋放量，并能激活各種氧化酶和水解酶的活性，使得果膠水解，細胞被破壞，從而導致細胞膜透性增加，以85～95 dB的噪音對植物的生理活動影響較為顯著。噪聲監測的主要內容包括以下幾個方面：（1）測量噪聲的聲壓級以檢驗其是否符合國家制定的規范標準；（2）對噪聲波形進行頻譜分析，以了解噪聲的頻譜分布情況；（3）測量噪聲源的聲功率或聲功率級，以了解噪聲源的有關特性[1]。

LabVIEW是一種較好的圖形化的虛擬儀器平臺，它內置信號采集、測量分析與數據顯示功能，將數據采集、分析與顯示功能集中在同一個開放式的開發環境中[2]。計算機采集卡是信號記錄儀器中的重要組成部分，主要起A/D轉換功能。目前的主流數據采集卡都包含完整的數據采集功能，但這些卡的價格均比較昂貴；相對而言，同樣具備A/D功能的聲卡技術較為成熟，已經成為計算機的標準配置[3]。本研究采用聲卡采集農業機械噪聲監測與分析虛擬儀器系統，以期實現噪聲聲級數據的快捷及低成本傳輸。

2系統結構

農業機械噪聲監測虛擬儀器系統的結構如圖1所示，可以看出，該系統主要由噪聲提取電路、A計權電路、有效值檢測電路、聲卡采集及虛擬儀器平臺等部分組成。

首先，電容傳聲器將噪聲轉變成電信號，經過放大后送入進行頻率濾波的計權網絡，通過它進行聲級（又稱計權聲壓級）測量，具體按照GB/T 3222—1994《聲學環境噪聲測量方法》[5]和GB/T 14623—1993《城市區域環境噪聲測量方法》[6]的要求，這里采用A計權網絡；其次，由于在聲學測量中，有效值反映聲音的功率，因此通過有效值檢波器將交流信

號轉變為直流信號，并轉換為直流信號有效值（MRS）；最后通過計算機聲卡對噪聲數據進行采集，利用Labview軟件對噪聲進行實時的波形顯示，并進行數據存儲、聲級的顯示和特性分析。

3噪聲監測與分析系統

3.1聲卡數據的采集流程

在LabVIEW環境中，LabVIEW提供了一系列使用Windows底層函數編寫的與聲卡有關的函數，這些函數集中位于All Functions目錄下Graphics sound下的Sound Ⅵ下[7]。在Sound Ⅵ下有兩大模塊Sound Input和Sound Output。聲卡數據采集的流程見圖2，Sound Input中關于聲卡采集數據的函數有SI CONFIG、SI START、SI READ、SI STOP、SI CLEAR等，它們分別對聲卡進行采集配置、啟動采集、讀取數據、停止采集、清空緩存數據[8]。聲卡的參數設置由Sound Input模塊中的SI CONFIG函數完成。

3.2系統實現

農業機械噪聲監測虛擬儀器系統的程序框見圖3，噪聲評價采用等效連續A聲級，聲卡裝置Realtek HD Audio的分辨率為16位。Labview軟件通過Acquire Sound函數獲取噪聲數據，在前面板上實時顯示噪聲的波形，同時由Spectral Measurements函數對其功率譜特性進行分析，使用Amplitude and Level Measurements函數分析噪聲數據的均方根值、最大值、最小值及直流分量等參數，并對噪聲的分貝值進行計算和顯示；另外由FFT Spectrum（mag-phase）子Ⅵ得出噪聲的幅頻和相頻特性，并對聲壓值進行計算。

系統設計完成后，對農用拖拉機的機械噪聲進行測試試驗，測試及分析結果如圖3所示。

圖4為噪聲監測的實時波形和參數顯示窗口。由于人耳能聽到的最高頻率是20 kHz左右，根據采樣定理，為了不發生頻率混疊，設定采樣頻率為46.575 kHz，實際測得的噪聲值為65.369 9 dB，聲壓為26.227 3 Pa，圖4右側為實際監測的噪聲波形。

圖5為噪聲數據的特性分析窗口，主要包括噪聲的功率譜密度、噪聲的幅頻特性和相頻特性。由于系統采用了A計權的方式，能實際反映人耳對噪聲中低頻不敏感、高頻敏感的主觀感覺，從而較好地反映了人耳的實際響應。從圖5-a中可以看出，噪聲的功率分布主要集中在0～20 kHz的頻率范圍，只有小部分的功率分布在20kHz以上，符合實際人耳能感受的噪聲范圍；圖5-b、圖5-c分別為測試噪聲的幅頻特性、相頻特性，幅度譜主要分布在0～5 kHz的低頻段內，說明低頻噪聲占測試噪聲的主要部分。

4結論

本研究所設計的農業機械噪聲監測虛擬儀器系統可以實現噪聲波形的實時監測，通過對其功率譜和頻譜等特性進行分析，可對噪聲值等參數進行計算和顯示。該系統具有性價比高、抗干擾能力強、功能可擴展等特點，在農業機械噪聲的實際測量中具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]劉硯華，張朋，高小晉. 我國城市噪聲污染現狀與特征[J]. 中國環境監測，2009，25（4）：88-90.

[2]陳錫輝，張銀鴻. LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M]. 北京：清華大學出版社，2007.

[3]孫愛晶，劉毓，馬賀洲. 基于LabVIEW的聲卡數據采集及濾波處理設計[J]. 自動化與儀表，2009，24（5）：45-47.

[4]孫晶華. 環境噪聲監測儀的研制[D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學，2010.

[5]GB/T 3222—1994聲學環境噪聲測量方法[S]. 北京：中國標準出版社，1995.

[6]GB/T 14623—1993城市區域環境噪聲測量方法[S]. 北京：中國標準出版社，1995.

[7]陳珺，黃用勤，王永濤. 基于虛擬儀器的實時數據采集系統的設計[J]. 武漢理工大學學報，2007，29（6）：122-124.

[8]孟武勝，朱劍波，黃鴻，等. 基于LabVIEW數據采集系統的設計[J]. 電子測量技術，2008，31（11）：63-65.