使用LabVIEW簡化音頻測量

　　概覽

　　音 頻測量是要求最高的任務之一，它需要高質量的信號采集、復雜的換算、深入的分析以及多種圖形化表示。虛擬儀器為定制音頻測量應用提供了新的可能性。利用工 業標準計算機的強大性能和LabVIEW的靈活性，您可以完成自定義的音頻測量。本文描述了如何使用LabVIEW以及聲音與振動工具包對音頻數據進行采 集、分析與顯示。我們將會演示最常見的測量以及在音頻測量過程中完成多個任務的LabVIEW代碼。

　　介紹

　　世界上第一次嘗試對音頻信號的測量發生在1627年，Francis Bacon試圖測量開放空間中聲音的速度1。雖然他的 想法很好，但是由于技術上的局限性，他沒有能夠得到有效的測量結果。現在，我們使用軟件和硬件能夠分析包括速度在內的聲音信號的許多特性。諸如 LabVIEW等編程軟件讓我們能夠在短時間內，利用易用、強大的功能開發復雜的測量應用。本文描述了開發提供更高性能和可擴展性音頻系統的步驟。系統將 基于LabVIEW工業標準測量軟件進行開發。

　　現代音頻測量是數字測量系統要求最高的任務之一。要成功完成音頻測量，軟件必須能夠完成多個任務(例如數據換算、濾波、分析與可視化)。從采集數據到顯示 數據，LabVIEW具有確保精確測量的靈活性與模塊性。NI提供了為簡化聲音與振動測量而設計的工具包來擴展LabVIEW功能。NI硬件與軟件能夠無 縫整合在一起，從而替換了大量箱式儀器，并且提供了更多功能自定義的空間。

　　下一小節對音頻測量中的常見任務進行了一般性解釋。本文中的實例使用LabVIEW開發系統專業版或開發系統完整版開發，其中部分使用LabVIEW聲音與振動工具包。這些實例可以方便地整合到定制的音頻測量系統中。

　　數據采集、換算與加權

　　大多數測量系統都包含按照一定物理現象產生電子信號的傳感器。測量這些電子信號并將它們輸入到計算機進行處理的過程成為數據采集。例如音頻等動態信 號需要使用高分辨率和高動態范圍的數字化設備。NI 4461設備提供了24位模數轉換(ADCs)以及24位數模轉換(DACs)，可以同步采集并產生帶寬從直流到92kHz的模擬信號以確保高分辨率的測 量結果。圖1是一個LabVIEW VI的程序框圖和部分前面板，它在一臺PXI系統中使用17塊4461設備進行同步數據采集。當使用多PXI機箱系統的時候，同步通道數可達到1000以 上。采集到的數據繪制在圖表中。

　　圖1：以每采樣24位的精度對112個通道進行同步采樣和繪圖。

　　信號換算

　　LabVIEW聲音和振動工具包(SVT)提供了上層封裝VI，以合適的單位顯示數據，包括以工程單位表示的時域數據和以分貝為單位的頻域數據等 等。然而，使用數據采集設備采集到的數值往往與傳感器的輸出電壓呈線性關系，原始數據通常是以電壓為單位進行表示。信號換算是將電壓數值轉換為正確的工程 單位的過程。SVS Scale Voltage to EU.vi提供了將電壓信號變換為例如帕斯卡、g、m/s²等單位的簡單方法。換算VI是來自數字化儀的原始數據與正在使用的麥克風或傳感器相關的有用數 值之間的橋梁。圖2給出了使用SVT表示數據的VI，它使用合適的單位范圍表示對應于實際觀察到的物理現象的數值。

　　圖2：使用LabVIEW聲音與振動工具包將原始數據換算為合適的工程單位。

　　為了得到信號的精確換算，需要對系統進行標定。在被測數值與標準數值之間存在已知關系時，可以進行標定。在音頻測量系統中，標定過程需要一個已知數值的外部聲音源，它通常來自活塞發聲器或聲學標定器。SVT提供了標定VI，它能夠確保整個測量系統的精度。