基于生產線的音頻測試

介紹現代軟硬件技術使工程師能夠分析聲音信號許多方面的特性。LabVIEW等編程軟件提供了短時間內開發復雜測量應用所需的易用性、性能及強大功能。本文描述了基于LabVIEW工業標準測量軟件進行音頻測量系統開發的步驟，以提高生產力并保持可升級性。

現代音頻測量是數字測量系統中要求最高的操作之一。若要成功進行音頻測量，軟件必須要能執行如數據比例縮放、濾波、分析、可視化等多項任務。從數據采集到結果顯示，LabVIEW都具有確保精密測量的靈活性和模塊化特點。美國國家儀器公司提供多種工具包來拓展LabVIEW的功能，使聲音和振動測量更簡單。NI軟硬件可以無縫集成，方便替代多款箱式儀器并提供更高的自定制性和性能。下列章節將對一些常見的音頻測量任務進行講解。本文中的相關范例將使用LabVIEW專業版或完整版開發系統，某些范例將配合使用 NI聲音和振動工具包。這些范例均可輕松集成到用戶自定義的音頻測量系統中。
數據采集、換算和加權大多數的測量系統的構架均從某些類型的傳感器或變換器開始構建，它們可以根據不同的物理現象產生電子信號。測量這些電子信號并將它們輸入計算機進行處理的過程稱為數據采集。音頻等動態信號需要高分辨率、高動態范圍的數字化設備。 美國國家儀器公司的NI 4461設備提供24位模數轉換（ADC）和24位數模轉換（DAC），能同步采集和生成從DC到92 kHz帶寬的模擬信號，確保高分辨率測量應用。圖 1顯示了LabVIEW VI的框圖和部分前面板，它能在一個PXI系統中同步驅動17塊NI 4461設備并可在多機箱系統中實現多達1,000個的同步通道。采集的數據最終被繪制到圖表中。

圖1. 以24位的分辨率進行1,000個通道的同步采集和波形顯示信號換算
NI聲音和振動工具包提供上層封裝VI，以合適的單位顯示數據，即以工程單位表示的時域數據、以分貝為單位的頻率數據等。然而，通過數據采集設備獲取的數值通常與傳感器輸出電壓呈線形關系；而原始數據則是正常的電壓單位。信號換算是將電壓數值轉換為正確的工程單位的必要步驟。SVS Scale Voltage to EU.vi提供了將電壓信號轉換為帕斯卡（Pa），g，m/s2等單位的簡單方法。該轉換VI是數字化儀的原始數據與麥克風和傳感器采集的實際有用數據之間的橋梁。圖2顯示了使用聲音和振動工具包的VI，將采集的數據以和真實物理現象對應的單位范圍進行表示。

圖2. 使用NI聲音和振動工具包將原始數據轉換到合適的工程單位
為了獲得信號的精確比例轉換關系，必須先對系統進行校正。只要了解了測量值與標準值之間的關系即可進行校準。在音頻測量系統中，校準需要使用一個已知值的外部聲音源，該聲音源一般由活塞式發聲器或聲學校準器產生。聲音和振動工具包提供了校準VI，用于確保整個測量系統的精度。
加權濾波器測量硬件通常被設計為在音頻帶寬中具有線性響應。另一方面，人耳的響應是非線性的。因為在多數情況下最終的傳感器是人耳，我們需要對測量進行補償以適應人耳模型。使用加權濾波器是描繪對聲音主觀感知的標準最佳方法。一般來說，加權濾波器使用模擬器件搭建；不過，聲音和振動工具包針對時域和頻域數據提供了數字加權濾波器。在圖3是使用A類加權濾波器的VI，它可以和NI硬件結合在一起，符合美國國家標準協會（ANSI）標準。

圖3. 使用聲音和振動工具包中A類加權濾波器對轉換后數據加權濾波
使用LabVIEW進行音頻測量音頻信號在采集、換算和加權之后，即可利用計算機的處理能力來執行復雜的信號分析。本部分將描述工業界常見的音頻測量應用。每一個應用都將提供簡單描述和范例代碼，演示如何通過聲音和振動工具包來實現這些測量。
單頻信息音頻測量的幾個標準方法中都需要激勵和分析單音頻信號。NI聲音和振動工具包提供了Express VI來提取信號中某個音頻信號的重要信息。Tone Measurement Express VI能夠找到信號中幅值最大的音頻信號部分并計算其幅值及頻率。該VI還可導出頻譜并進行附加音頻分析。為了獲得更好的性能，VI還能將搜索范圍縮小到某一個特定頻帶。圖4顯示了如何使用Tone Measurement Express VI分析噪聲正弦波并顯示分析結果。該范例是單通道的分析，但該VI也能夠同步分析多個通道。

圖4. 提取信號中單音頻信號的頻率和振幅
RMS對于某些特定應用，僅知道信號的幅值是不夠的。在許多諸如增益和功率的測量應用中，均方根值（rms）的計算是必須的。NI聲音和振動工具包提供了可以計算rms的VI，該VI通過對瞬時信號數據的平方在所需時間上積分，再開根號計算得到rms值。Amplitude and Level Express VI也可用于對信號的rms值求平均。該VI還提供時間窗口功能以幫助用戶獲得更好的測量效果。圖5顯示了如何在LabVIEW環境下使用Hanning窗計算經過線形平均的DC和rms值。

圖5. 獲取采集信號的平均rms值
增益是音頻系統中進行的基本測量之一。系統將獲得一個激勵信號并產生響應信號。系統中放大信號所用的系數即為增益。當對于不同頻率計算一系列增益值時，我們可以產生系統的頻率響應函數。如圖6所示，聲音和振動工具包中的Gain and Phase VI根據采集到的激勵和響應信號計算出系統的增益。增益可表達為激勵和響應的線形比值或以分貝形式表示，這是評估響應的一種常用方法。

圖6. 根據采集信號計算系統增益
通道間串擾一般來說，串擾是指通道間信號的泄漏現象。為了進行該測量，我們需要將信號連接到一個輸入端口，在另一個未驅動通道上測量該信號。針對不同環境和特定應用，有多種不同標準可以來定義這類測量。該測量結果一般以未驅動通道與驅動通道的信號幅值的比值來表示，單位為分貝。圖7顯示了聲音和振動工具包中的Crosstalk VI。

圖7. 計算兩路采集信號的串擾
總諧波失真是信號中不希望存在的部分，其頻率是輸入信號頻率的整數倍。這種類型的波形失真通常由模擬電路產生，它是決定音頻質量的重要測量參數。諧波失真以信號諧波強度與原始信號強度的比值來描述。總諧波失真（THD）表示由輸入信號的諧波引起的總體失真。
信號與噪聲+失真比THD測量的另一個選擇為LabVIEW SINAD analyzer.vi。信號與噪聲及失真比（SINAD） 是輸入信號能量與總的噪聲和諧波失真能量的比值。音頻質量也可以用SINAD測量來評估，因為它的結果表明了所需信號與噪聲和失真相比處于怎樣的主導地位。
總諧波失真+噪聲獲取了信號的SINAD后，其它的測量就變得更簡單了，比如說，總諧波失真+噪聲（THD+N）可以輕松地從SINAD中計算獲得。THD+N通常以百分比的形式表示。以分貝為單位的THD+N是SINAD的負值，因此需要一種轉換方法以獲取THD+N的百分比表示形式。我們需要獲得測量中激勵信號的真實強度，SINAD和THD+N都取決于所應用的激勵信號。

圖8. 使用LabVIEW測量總諧波失真（THD）、信號與噪聲+失真比（SINAD）、以及總諧波失真+噪聲（THD+N）
動態范圍音頻系統的常見參數規范之一就是動態范圍——系統滿量程信號與最小信號的比值。動態范圍也可視為信噪比，因為系統中的最小信號往往是噪聲，主要差別在于當有信號存在時，動態范圍根據系統的噪底計算得到。動態范圍的單位通常是分貝，也可通過加權噪底以獲得加權動態范圍。如圖9所示，計算了一個單音頻信號的動態范圍，而我們也可以通過聲音和振動工具包中的加權VI來創建A類加權動態范圍測量。

圖9. 確定單音頻信號的動態范圍
聲音強度可能是最常見的音頻測量應用。聲音強度定義為聲壓的動態變化。此測量一般參考人耳聽力的閾值（一般為20 μP） ，并根據振幅的對數表示，以dB為單位。進行聲音強度測量時，往往需要配合使用加權濾波器和平均。聲音和振動工具包能夠輕松執行各類聲音強度測量。在圖10的范例中，根據采集到的數據進行多種聲壓測量。我們也可以在一長段時間內，執行多次測量來計算回響次數或等效噪聲強度。

圖10. 使用聲音和振動工具包中的Sound Level  Express VI根據采集數據進行多種聲音強度測量
倍頻程分析分數倍頻分析是一種廣泛使用的、用于分析音頻和聲音信號的技術，因為該分析的特性與人耳類似。分析過程包括：在帶通濾波器的頻段發送時域信號，計算信號平方的平均值，將結果值顯示在條狀圖中。倍頻分析的規范由ANSI和國際電工委員會（IEC）定義。濾波器和圖表的屬性由所需頻率帶寬和倍頻分數定義。使用聲音和振動工具包搭配NI DSA板卡可用于創建完全符合國際標準的分數倍頻分析器。聲音和振動工具包中包含符合ANSI和IEC標準的VI，它們能以全倍頻到1/24倍頻進行分析。圖11顯示了使用聲音和振動工具包進行的1/3倍頻分析的例子。
 圖11. 進行基于ANSI標準的1/3倍頻分析
帶內功率音頻應用中經常進行頻率測量。針對此情況，聲音和振動工具包包含了進行頻率分析的強大工具。這些工具包括基帶FFT、基帶子集分析和Zoom-FFT；它們可用于獲得功率譜和功率密度譜等。聲音和振動工具包的Power in band.vi是一個頻率譜分析VI。它能計算特定頻率范圍之內的總功率。如圖12所示，您可以從功率譜、功率密度譜、強度頻譜或相關輸出功率頻譜中獲得頻帶功率。相關結果將根據輸入單位以合適的形式顯示。

圖12. 尋找特定頻率帶中的功率
頻率響應進行頻率響應分析的目的一般是為了描述測量系統的頻率響應函數（FRF）的特性。FRF為頻域下輸出與輸入的比值。FRF曲線是音頻設備的常用參數規范，目前有多種獲得FRF的方式；雙通道頻率分析可能是最快的方法。互譜法根據兩個輸入生成頻率曲線，一般為被測元件（UUT）的激勵信號和響應信號。頻率響應分析的常見設定需要將寬帶激勵信號作用到 UUT（通常為噪聲或多頻信號）。UUT的激勵信號與響應信號被同步采集。雙通道頻率分析可獲取UUT 的頻率響應和相位響應以及信號的相關性。為提高FRF測量性能，可對響應信號求平均，FRF的平均長度越長，響應曲線的精度就越高。該方法能夠有效克服噪聲、失真及非相關效應。此外，該技術的計算速度極快，因為它能夠同時測量所有感興趣的頻率。該方法的唯一缺點是，其信噪比低于相對應的掃頻測量。圖13顯示了通過聲音和振動工具包的VI根據采集的激勵信號和響應信號中繪制波特圖的例子。

圖13. 通過互譜法獲取頻率響應函數
結論本文中提及的測量應用僅僅是LabVIEW可以進行的音頻測量的一個大致介紹。需要集成軟硬件以完成整個測量過程，包括數據采集、分析和顯示。LabVIEW與 NI聲音和振動工具包的強大功能和靈活性可用于擴展系統以進行多種類型的測量、自動測試、報告生成等功能，從而實現更佳的性能和更低的總成本。