基于LabVIEW的機電設(shè)備噪聲信號采集分析系統(tǒng)開發(fā)

魏勇

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 機械工程學院，河南 平頂山 467001)

0 引言

噪聲污染在我國城市中平均占到各種公害投訴案件的60%～70%，北京2005年反映噪聲污染問題的數(shù)目占到所有反映污染事件總數(shù)的46%[1]。噪聲通常是由各種機電設(shè)備持續(xù)運轉(zhuǎn)所帶來的，過高的噪聲對人體的危害是多方面的，除了危害聽覺系統(tǒng)，還對神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)等有明顯不良影響。我國發(fā)布的國家標準GBZ/T 189.8-2007《工作場所物理因素測量:噪聲》對工作場所的噪聲規(guī)定：每周工作5 d，每天工作8 h，穩(wěn)態(tài)噪聲限值為85 dB(A)，非穩(wěn)態(tài)噪聲等效聲級的限值為85 dB(A)[2]。

噪聲治理需要測量聲壓級并對噪聲信號進行數(shù)據(jù)處理與分析，識別機電設(shè)備噪聲源，從而在聲源控制、傳播途徑控制等方面采取措施降噪，以保障人們的身心健康。因此，開發(fā)噪聲信號采集分析系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

NI公司的LabVIEW是目前計算機測控領(lǐng)域應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境[3-4]。利用LabVIEW2011技術(shù)開發(fā)平臺，結(jié)合信號采集硬件，能方便快捷地開發(fā)噪聲信號采集分析系統(tǒng)。噪聲信號采集分析系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，技術(shù)框架如圖1。

圖1 噪聲信號采集分析系統(tǒng)技術(shù)框架

2 噪聲信號采集分析系統(tǒng)硬件

硬件主要包括PC機、愛華AWA14425傳聲器、愛華AWA14604前置放大器和NI USB-4431數(shù)據(jù)采集卡等,硬件系統(tǒng)工作原理如圖2。

圖2 硬件系統(tǒng)工作原理

愛華AWA14425傳聲器是預極化電容傳聲器，標稱靈敏度為40 mV/Pa，頻率范圍為10～16 000 Hz。傳聲器由相互緊靠著的后極板和繃緊的金屬膜片組成，當聲波作用在膜片上時，膜片發(fā)生振動并產(chǎn)生一個與聲波成比例的交變電壓信號，該信號被送到AWA14604前置放大器，BNC插頭輸出，頻率范圍為10～100 000 Hz。電壓信號經(jīng)前置放大器阻抗變換放大后，送到采集卡的模擬輸入端。Ni公司的USB-4431數(shù)據(jù)采集卡是一款具有24位分辨率的便攜式USB動態(tài)信號采集模塊，用于通過集成電路壓電式(IEPE)與非集成電路壓電式(IEPE)傳感器進行高精度聲音和振動測量，具有4路模擬輸入通道，每路同步采樣率最高102.4 kS/s。采集卡將模擬電壓信號經(jīng)A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過USB電纜線傳輸?shù)絇C機軟件中。

3 噪聲信號采集分析系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件開發(fā)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括信號采集與存儲、信號處理、時域與頻域分析3部分,開發(fā)流程如圖3。

圖3 系統(tǒng)軟件開發(fā)流程

軟件通過DAQ助手中創(chuàng)建模擬輸入聲壓信號測量任務(wù),將采集卡物理通道獲取的噪聲信號實時輸出到波形圖并計算噪聲A聲級，當獲取足夠的數(shù)據(jù)后停止采集并存儲信號。將采集到的信號回放并截取所需要分析的片斷，然后經(jīng)濾波后存儲為待分析信號。通過時域和頻域分析，可分析得出信號的倍頻程頻譜、1/3倍頻程頻譜、功率譜、功率譜密度等數(shù)據(jù)。

3.1 信號采集與存儲模塊

信號采集與存儲模塊可采集并存儲原始的噪聲信號數(shù)據(jù)，前面板如圖4。

圖4 信號采集與存儲前面板

通過對設(shè)備名、物理通道、噪聲頻率范圍、傳聲器靈敏度及采樣頻率等參數(shù)進行設(shè)置，系統(tǒng)能采集環(huán)境噪聲信號，并能實時顯示信號波形圖和A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)聲壓級(A聲級)。A聲級能較好地反映噪聲對人吵鬧的主現(xiàn)感覺和人耳聽力損傷的程度[5]。本系統(tǒng)中A聲級的計算方法是：在該聲音頻譜的每一個中心頻率的頻帶上進行A計權(quán)，求得每一個頻帶A聲級(dB)LAi，LAi=Lpi+Δi，式中Δi為A計權(quán)修正值。則該聲音總A聲級(dB)為[5]：LA=10lg(∑100.1LAi)。采集信號前使用聲級計校準器進行聲學校準。

采集到的信號以TDMS文件格式存儲。TDMS文件是NI公司推出的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以二進制方式存儲數(shù)據(jù)，擁有高速、文件小、易存取等優(yōu)點，可以在NI的各種數(shù)據(jù)分析之間進行無縫交互。為了方便地識別、查看所存儲的信號文件，系統(tǒng)中將采集時間加以處理作為文件名前綴。

3.2 信號處理模塊

信號處理模塊包括信號截取和信號濾波功能，前面板如圖5和圖6。

圖5 信號截取前面板

圖6 信號濾波前面板

信號截取主要通過在回放的波形圖上移動2個游標到合適的位置上，然后在程序中將2個游標所代表的數(shù)據(jù)位置處理為起始采樣時間和持續(xù)采樣時間，從而實現(xiàn)截取信號片斷功能，并存儲為TDMS文件。

在信號采集過程中，受系統(tǒng)內(nèi)外各種干擾，或多或少會在信號數(shù)據(jù)中混入干擾信號。因此，信號必須經(jīng)過濾波器。本系統(tǒng)主要使用Butterworth 帶通濾波器。Butterworth 帶通濾波器，其功能是僅能通過指定帶寬的頻率。在截止頻率以外，頻率響應(yīng)單調(diào)下降，下降的快慢與濾波器階數(shù)成正比，階數(shù)越高衰減越快[6]。

3.3 時域與頻域分析模塊

時域與頻域分析模塊主要包括噪聲信號的時域分析、倍頻程頻譜、1/3倍頻程頻譜和功率頻譜、功率譜密度等功能。前面板如圖7-圖8。

圖7 倍頻程頻譜、1/3倍頻程頻譜前面板

圖8 功率譜、功率譜密度前面板

時域分析主要計算A計權(quán)聲壓級以及波形圖的最大值、最小值、平均值以及標準差。信號的時域顯示可以通過離散傅里葉變換(DFT)和快速傅里葉變換(FFT)的方法轉(zhuǎn)換為頻域顯示[7]。

人耳聽閾范圍從20～20 000Hz，若按間隔1Hz來測定就需要設(shè)置19 981個整數(shù)頻率，數(shù)據(jù)量太大。通常將頻率分段成若干有代表性的頻帶，每個頻帶的帶寬為Δf=f2/f1，f2為上限頻率，f1為下限頻率。分段法則常用等比法劃分，即Δf=2n，n=1時稱為倍頻程，f2/f1=2；n=1/3時稱為1/3倍頻程，f2/f1=1.26。倍頻程頻譜、1/3倍頻程頻譜主要分析信號不同頻率段的聲壓級(dB)，并將中心頻率及其對應(yīng)的聲壓級(dB)數(shù)據(jù)列表。

系統(tǒng)經(jīng)聲級計校準器校準后，通過與專業(yè)廠家制造的愛華AWA5636型聲級計測量數(shù)據(jù)對比，聲壓級測試誤差在±0.2dB以內(nèi)，符合要求。系統(tǒng)中的信號截取、帶通濾波、1/3倍頻程頻譜、功率譜、功率譜密度等功能普通聲級計不具備。

4 結(jié)語

基于NI公司的LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，結(jié)合相關(guān)硬件，能方便快捷地開發(fā)完成噪聲信號采集分析系統(tǒng)，實現(xiàn)噪聲信號的采集、處理與分析等功能。經(jīng)應(yīng)用測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，提供的噪聲分析數(shù)據(jù)準確，達到了預期的目標。

參考文獻:

[1] 賀啟環(huán). 環(huán)境噪聲控制工程[M]. 北京：清華大學出版社,2011.

[2] 中國安全生產(chǎn)科學研究院. 建設(shè)項目職業(yè)病危害評價[M]. 徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2012.

[3] 白云,高育鵬,胡小江. 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M]. 西安：西安電子科技大學出版社,2009.

[4] JeffreyTravis,Jim Kring.LabVIEW大學實用教程[M]. 喬瑞萍等，譯. 北京：電子工業(yè)出版,2011.

[5] 吳勝舉,張明鐸. 聲學測量原理與方法[M]. 北京：科學出版社,2016.

[6] 胡廣書. 數(shù)字信號處理-理論、算法與實現(xiàn)[M]. 北京：清華大學出版社,2012.

[7] 周新祥. 噪聲控制技術(shù)及其新發(fā)展[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社,2007.