基于LabVIEW的噪聲功率級測定系統(tǒng)

謝育金，黃淳，趙靜儀

(汕頭市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所，廣東汕頭515041)

0 引言

機械設(shè)備在運轉(zhuǎn)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(chǎn)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(huán)境質(zhì)量。因此，一般機械產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中都嚴(yán)格限定產(chǎn)品噪聲功率級。然而，機械產(chǎn)品通常體積大、組裝復(fù)雜，在對其進行噪聲檢測時，受檢驗設(shè)備、檢驗條件等因素的影響，無法完全按照標(biāo)準(zhǔn)方法檢驗，難以得到穩(wěn)定、準(zhǔn)確的數(shù)值，給產(chǎn)品質(zhì)量評價帶來不便。

本文基于LabVIEW 對噪聲功率級測定系統(tǒng)軟件部分進行設(shè)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(tǒng)軟件開發(fā)平臺。基于LabVIEW 的機械產(chǎn)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(fā)功能，在實現(xiàn)同步多點測量的同時，實時顯示各測量點的聲壓級，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型實時計算出平均聲壓級和聲功率級，實現(xiàn)對聲源現(xiàn)場的及時評判［3］。

本文研究實現(xiàn)了基于LabVIEW 的噪聲功率級測定系統(tǒng)。在下面的討論中，我們首先介紹該系統(tǒng)的硬件部分，包括所設(shè)計的信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)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(jié)通過實驗給出該系統(tǒng)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(jié)果。

1 硬件設(shè)計

基于LabVIEW 的噪聲功率級測定系統(tǒng)的硬件由4路駐極體電容傳聲器作為拾取噪聲傳感器，經(jīng)過低通濾波器濾波之后，采用單端接入法接到USB2810A 數(shù)據(jù)采集卡上，經(jīng)USB 數(shù)據(jù)傳輸線傳輸?shù)接嬎銠C上。下面就硬件各模塊進行分析。

1.1 傳聲器與信號調(diào)理

要實現(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。聲電換能傳聲器性能的優(yōu)劣在很大程度上決定了噪聲聲功率級測量的準(zhǔn)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(yīng)具有頻率范圍寬、頻率響應(yīng)平直、動態(tài)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(yīng)平直、靈敏度變化小、長期使用穩(wěn)定性好等優(yōu)點，利用其設(shè)計聲級測量儀器能使測量儀器結(jié)構(gòu)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(jīng)過調(diào)理才能進入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波等。本文所采用的數(shù)據(jù)采集卡本身具有硬件放大功能，在信號調(diào)理部分主要實現(xiàn)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(xiàn)在這個頻率范圍內(nèi)的濾波。基于傳聲器的信號采集與調(diào)理電路如下圖1所示。

圖1 傳聲器與信號調(diào)理電路PCB 圖

1.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集卡一般由多路開關(guān)、放大器、采樣/保持器、A/D 轉(zhuǎn)換器等組成，能實現(xiàn)模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計數(shù)器/計時器等功能。挑選數(shù)據(jù)采集卡時，用戶需要考慮的是根據(jù)需要選取適當(dāng)?shù)目偩€形式，適當(dāng)?shù)牟蓸铀俾剩m當(dāng)?shù)哪M輸入、模擬輸出通道數(shù)量，適當(dāng)?shù)臄?shù)字輸入、數(shù)字輸出通道數(shù)量等，基于以上各因素的分析，本設(shè)計采用北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司的USB2810A 數(shù)據(jù)采集卡。

數(shù)據(jù)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(yīng)于32 個模擬單端通道，當(dāng)為雙端時，其AI0-AI15 分別與AI16-AI31 構(gòu)成信號輸入的正負(fù)兩端;AGND 為模擬信號地;NC 則無定義。

為了實現(xiàn)USB2810A 模擬接口的擴展，我們設(shè)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(huán)境的要求下，盡可能提高測量準(zhǔn)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(xué)條件較差的測量環(huán)境下，最好選用矩形測量面，且距基準(zhǔn)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(shè)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(yīng)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(zhǔn)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(zhǔn)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(cè)面的測點在4 個側(cè)面的垂直中心線上，且距基準(zhǔn)體表面距離也為d，而距地面高度為，其中H 為基準(zhǔn)體高度［6］。

2 軟件設(shè)計

本文基于LabVIEW 對噪聲功率級測定系統(tǒng)軟件部分進行設(shè)計。用LabVIEW 開發(fā)出的應(yīng)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(biāo)/連接器三個基本要素組成，采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動，具有順序、循環(huán)、條件等多種程序結(jié)構(gòu)。

經(jīng)由USB 傳進來的數(shù)據(jù)，因為數(shù)據(jù)采集卡的放大、濾波等操作而轉(zhuǎn)換為采集設(shè)備能夠識別的標(biāo)準(zhǔn)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(huán)境中調(diào)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(shù)。

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(diào)用一個順序結(jié)構(gòu)，共5 幀，目的是使程序能夠按照既定的順序去執(zhí)行，否則，將可能使得加載驅(qū)動跟設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)的步驟或其他步驟同時發(fā)生，引起錯誤。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第一幀，利用USB2810_ CreateDevice 創(chuàng)建裝置;順序結(jié)構(gòu)第二幀，通過函數(shù)USB2810_ InitDeviceAD，初始化數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)，包括采集通道數(shù)(由首通道、末通道決定)、量程選擇、接地方式，并初始化ADBuffer 數(shù)據(jù)為0;順序結(jié)構(gòu)第三幀，利用兩個while 循環(huán)的內(nèi)嵌，通過函數(shù)USB2810_ ReadDeviceAD 實現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)采集卡上的數(shù)據(jù)，因為有4 個通道，利用USB2810A 數(shù)據(jù)采集卡ADBuffer 采集數(shù)據(jù)的排放方式，通過抽取一維數(shù)組，實現(xiàn)把4 路通道的數(shù)據(jù)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(yīng)的聲壓級，最后轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)第四幀，利用USB2810_ ReleaseDeviceAD 釋放AD 設(shè)備，停止采樣;順序結(jié)構(gòu)第五幀，利用USB2810_ ReleaseDevice 釋放整個裝置，框圖程序結(jié)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(tǒng)對聲音進行采集、分析處理并顯示結(jié)果。其中測點的分布模擬半球形分布方法，對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)長度為4096，通過組件抽取一維數(shù)組，實現(xiàn)把每個通道的1024 個數(shù)據(jù)獨立抽取出來，最后通過公式(1)，(2)，(3)轉(zhuǎn)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(shù)，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(jié)果

從實驗結(jié)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(tǒng)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(tǒng)界面友好。

4 結(jié)語

噪聲功率級測定是一個要求高、影響因素復(fù)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(xiàn)了系統(tǒng)的軟硬件部分。利用駐極體電容傳聲器采集信號，通過設(shè)計調(diào)理電路對信號進行濾波，濾波后的數(shù)據(jù)經(jīng)由USB2810A 數(shù)據(jù)采集卡進入PC 機;實現(xiàn)了系統(tǒng)的軟件部分，基于采集、濾波后的聲壓數(shù)據(jù)，經(jīng)由有效聲壓、聲壓級、聲功率級層級計算公式對數(shù)據(jù)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(jié)果，系統(tǒng)經(jīng)過進一步開發(fā)可用于對機械產(chǎn)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(biāo)，許歡，等.聲功率標(biāo)準(zhǔn)裝置介紹及其應(yīng)用［J］.南京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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(xué)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］.