基于虛擬儀器技術的聲壓測量與信號處理

施水娟 李文文

摘 要：汽車風門執行器運轉時的聲音將直接影響乘車舒適性，文章作為判別風門執行器是否合格的先行研究，實現了基于虛擬儀器的聲壓級測量。選用預極化電容式自由場聲傳感器，以NI 9234聲音與振動輸入模塊實現聲壓信號的動態采集。直接將傳感器信號轉化成聲壓會出現負值，經研究后采用LabVIEW編程實現了等效連續聲壓級和時間計權聲壓級的轉化，并進行了自然環境和連續敲擊時的聲壓測量試驗。

關鍵詞：自由場聲傳感器;NI 9234;等效連續聲壓級;時間計權聲壓級

中圖分類號：TB52+2 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-124-03

Abstract： The running sound of the air damper actuator affects the ride comfort directly. This paper is the first step to judge the air damper actuator whether pass or not automatically. Pre-polarization capacitance free field microphone was chosen， and the Sound and vibration input module NI 9234 was selected to acquire the sound dynamically. It was found that there was negative value of the sound pressure if the microphone signal was converted without any dispose. Then LabVIEW programming realized the convert of equivalent continuous SPL and time weighting SPL. Finally， the equivalent continuous SPL and time weighting SPL of the natural environment and knock on the desk were measured.

Keywords： Free field microphone; NI 9234; Equivalent continuous SPL; Time weighting SPL

CLC NO.： TB52+2 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-124-03

引言

當聲波在空氣中傳播時，會形成彈性媒質（即空氣）疏密相間的狀態。當媒質密集時這部分的空氣壓強會比平衡狀態下的靜態壓強大，當媒質稀疏時這部分的空氣壓強會比平衡狀態下的靜態壓強小。即在聲波的傳播過程中，空氣壓強隨著聲波作周期性變化。因此可以用聲擾動在空氣中所產生的逾量壓強戶來表述聲波的狀態：P=Ps - P0，這個逾量壓強多稱為該點的瞬時聲壓，單位是帕斯卡（Pa）。

1 系統構成

1.1 聲傳感器

聲傳感器（也稱麥克風或傳聲器）主要是用來測量聲壓的，最常見的有電容式麥克風、壓電式麥克風、炭粒麥克風、磁麥克風、MEMS麥克風等。電容式麥克風又分為外部極化式和預極化式，外部極化式需要200V的極化電壓，預極化式內置了CCP前置放大器只需要恒流源供電，并且預極化式允許使用同軸電纜和BNC接頭。另外，按照響應類型可將聲傳感器分為自由場麥克風、壓力場麥克風和擴散場麥克風。自由場麥克風在設計和標定時對其自身造成的聲壓變化作了了補償，從而確保獲得準確的測量數據。如圖1所示，消音室或開闊區域是自由場麥克風的理想使用場合[1][2]。

選用丹麥G.R.A.S.公司的46AE型1/2"自由場麥克風，該傳感器集成了40AE型預極化式電容傳感器頭和26CA型前置放大器，采用CCP恒流源供電，其主要參數見表1。

1.2 測量系統

如圖2所示，聲壓測量系統由聲傳感器、前置放大器、抗混疊濾波、AD采樣和信號處理五個部分組成。基于虛擬儀器“軟件即儀器”的開發理念，本文選用NI虛擬儀器平臺作為聲壓信號的測量系統[4]。

采用NI 9234聲音與振動輸入模塊，搭載NI cDAQ9171單模塊 USB 外盒構成如圖3所示的測量系統。NI 9234 是一種 4 通道動態信號采集模塊，可對 IEPE 傳感器進行高精度測量，其動態范圍為 102 dB。4 路輸入通道可同時以最高51.2 kS/s 的速率進行采樣，該模塊還包含了內置抗混疊濾波器，可自動調節至設定的采樣率[5]。

2 信號采集與處理

2.1 動態信號測量

利用LabVIEW進行聲壓傳感器信號采集程序編寫。首先，將DAQmx Create Virtual Channel多態vi設成Analog Input→Sound Pressure→Microphone，并設置采樣物理通道、IEPE內部激勵方式、IEPE電流為4mA、最大聲壓級為120dB、麥克風靈敏度為50mV/Pa、終端接入方式為偽差分;其次，利用DAQmx Timing vi設置采樣時鐘源為板載時鐘、采樣方式為連續采樣、采樣率為50kS/s（S表示采樣點數量）、每循環采樣數為5000;然后，利用DAQmx Start Task vi開始連續采樣，并在while循環中利用DAQmx Read vi讀取采集的數據;最后，利用DAQmx Stop Task vi停止連續采樣并利用DAQmx Clear Task vi清除當前采集任務。圖4給出了程序框圖，可使用Sample Clock：Rate屬性節點獲取實際采樣率。試驗發現設置采樣率為50kS/s時，實際采樣率為51.2kS/s。