论文研究-基于LabVIEW的声源信号采集与处理 .pdf-资料库

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 LabVIEW 的声源信号采集与处理 # 李运炅，谢峰，耿林，姜增辉** （安徽大学电气工程与自动化学院，合肥 230601） 5 10 摘要：为实现噪声源的识别与定位，对声源信号进行了一定的研究，开发了能够实现声源信号采集与运算处理的系统。系统的信号采集部分，可以实现各通道的标定，减小信号采集误差，且能够实现信号的预采集，并通过设置触发条件结束预采，同时能够实现多功能示波，多通道同时采集与实时显示。系统的运算处理模块，可以使用平面近场声全息技术和互谱成像算法来实现声场信号重建和声源定位，且系统具有很好的可扩展性，可以后期加入更多的声信号处理算法。关键词：检测技术与自动化装置；LabVIEW；声源信号；近场声全息；互谱成像算法中图分类号：TP23 15 Acquisition and P rocessing of Sound Source Based on LabVIEW Li Yunjiong, Xie Feng, Geng Lin, Jiang Zenghui (School of Electrical Engineer ing and Automation, Anhui University, Hefei 230601) Abstrac t: In order to realize the identification of the sound source, a certain research on the sound source signal has been carried out, and a system capable of realizing the sound source signal acquisition and calculation processing has been developed. The signal acquisition module of the system can realize the calibration of each channel, reduce the signal acquisition error, and realize the pre-acquisition of the signal, and end the pre-acquisition by setting the trigger condition. And it can realize mu lti-function display of waveforms, simultaneous acquisition and real-time d isplay of mu ltiple channels. The system operation processing module can use the near-fie ld acoustic holography technology and the cross -spectral imaging a lgorith m to realize the sound field signal reconstruction and sound source localization. The system has good scalability, and can add more acoustic signal processing algorithms later. Ke y wor ds: Lab VIEW; sound source signal; near fie ld acous tic holography; cross -spectral imaging algorith m 20 25 30 0 引言随着科学技术的日益发展，在数据采集和处理方面，虚拟仪器技术[1-4]因其易开发，性 35 能好，可自定义等优势开始逐渐取代传统仪器。目前，虚拟仪器技术的运用领域中，由美国 NI 公司推出的 LabVIEW[5-7]开发平台最受欢迎。LabVIEW 使用了图形化编程工具，通过各个编程图标之间的连线进行数据传输和逻辑顺序，相较于传统编程语言更为简单直观。因此，可以更方便地开发出所需的虚拟仪器，并结合硬件设施进行数据采集和处理。由于虚拟仪器技术的日益发展，运用虚拟仪器技术进行声源信号采集系统的开发也成为 40 科学发展的重要方面。尹秉奎等[8]通过软硬件结合的方法，开发了基于 LabVI EW 的噪声分基金项目：安徽省重点研究和开发计划项目(1804a09020003)；上海交通大学船舰设备噪声与振动控制技术国防重点学科实验室开放课题(VSN201802) 作者简介：李运炅（1993-），男，主要研究方向：检测技术与自动化装置，噪声源识别技术通信联系人：耿林（1989-），男，讲师，硕导，主要研究方向：噪声源识别技术，噪声与振动控制. E-mail: lgengah@ahu.edu.cn - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 析仪，大大简化了传统仪器，并且有效的提高了测量效率。针对滑动轴承的声发射信号，靳倩等[9]提出了基于 LabVI EW 的检测系统，有效解决了当时的声发射检测仪无法检测分析滑动轴承故障声信号的问题。DH Kim 等[10]利用由四个传声器组成的 T 型阵列进行声信号采集，其结构为前侧线性排列三个传声器和一个处于后侧中心位置处的传声器，并结合使用 45 LabVIEW 开发的系统进行声源定位。田晓华等[11]使用 LabVI EW 开发了声源采集系统，并利用系统中编写好的 TDOA 算法实现定位。针对风力发电机组产生的噪声，张有名等[12]基于 LabVIEW 设计了一套噪声分析系统，并在系统中选择使用数字滤波进行频率计权，加快了计算效率，并且能够实现窄带谱的分析。本文将通过使用 LabVI EW 开发出一套声源信号采集与处理系统，系统能够精确的实现 50 声信号采集和声信号处理。系统的信号采集部分，可以实现各通道的标定，减小信号采集误差，且能够实现信号的预采集，并通过设置触发条件结束预采，同时能够实现多功能示波，多通道同时采集与实时显示。系统的运算处理模块，可以使用互谱成像算法[13-14]和近场声全息技术(NAH)[15]来实现声场信号重建和声源定位，且系统具有很好的可扩展性，可以后期加入更多的声信号处理算法。 55 1 声源数据采集图 1 声信号采集与处理流程图 Fig. 1 Flow chart for acoustic signal acquisition and processing 图 1 所示为声信号采集与处理的流程图，首先使用传声器采集噪声源的声压信号，然后利用信号调理电路对声压信号进行处理，并将处理后的数字信号通过数据采集设备传入计算 60 机进行数据处理，得到输出结果。本文主要是通过开发计算机中的数据采集和处理系统，达到对声源进行定位与识别的目的。在整个系统中，软件设计是重要构成部分。本系统软件设计采用模块化和层次化思想，使系统结构相对简单，界面相对美观，便于以后实现功能模块的拓展。该系统的采集部分包括三大模块：示波模块、标定模块、采集模块。如图 2 所示，为声源数据采集系统软件模块 65 示意图。 - 2 - 传声器信号调理电路数据采集设备计算机声信号

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 2 软件模块示意图 Fig. 2 Schematic diagram of the software module 1.1 示波模块 70 示波模块用于采集信号的显示，其目的是检查各个通道的连接情况，观察信号源整体的波形情况，从而可对所测声信号的频率、相位和幅值情况进行了解。同时，也可以通过打开文件的方式对以往采集获得并保存的声源信号进行示波。示波模块的后台程序图如图 3 所示。图 4 所示为示波模块不同功能，按从左到右，从上到下的顺序，依次是时域示波、频域示波、功率谱示波和 1/3 倍频程。 75 图 3 示波模块程序框图 Fig. 3 Block diagram of the oscilloscope module - 3 - 声源识别定位系统示波模块标定模块采集模块时域示波频域示波功率谱示波三分之一倍频程通道设置灵敏度标定采集设置声压信号的采集

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 4 示波模块不同功能显示 Fig. 4 Different functions of the oscilloscope module 在该界面中，可以通过切换选项卡选择不同功能的示波，其中包括时域显示、频域显示、 80 功率谱示波以及三分之一倍频程这四种功能示波。在示波前面板中间是一个示波图，用于示波显示。在界面的右上方，点击打开按钮可以从计算机中选择采集后保存的文件，对该文件进行示波。示波模块下方能够选择窗函数，采用不同的窗函数对信号进行截断可以减少频谱能量泄露。点击窗函数按钮，示波图中出现实时示波和加窗示波这两种图形，同时窗函数按钮会变成“不加窗”，再点击不加窗按钮，加窗图像就会消失。 85 1.2 标定模块标定模块的目的就是获得传声器的灵敏度，通过传声器获取的模拟信号，灵敏度和声压三者之间的函数关系计算出所需物理量，且精确的灵敏度是准确采集声压数据的重要前提。如图 5 所示，为标定模块的界面。 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 90 图 5 标定模块示意图 Fig. 5 Schematic diagram of the calibration module 在开始标定之前要对所使用通道进行设置，并将标定和所使用通道设置在一个前面板，这样可以方便查看不同功能的通道设置对标定的影响。在物理通道中包含转速通道和普通的输入通道，因为两种通道连接的传感器不同，所以在校准器设置中要对两种不同通道分别设 95 置。在转速校准器设置中，标定值和频率分别默认是 1.00EU 和 159.15Hz；在声压校准器设置中，标定值和频率分别默认是 94dB 和 1000Hz。由于传感器产生的电量是很小的，因此传感器产生的电信号很容易受到噪声干扰，需要用灵敏的电子器件对其进行放大和信号调理。IPEP 中集中了灵敏的电子器件使其尽量靠近传感器以保证更好的抗噪声性并更容易封装，且两种不同传感器也对应不同的 IEPE 开关。在通道设置中，横着的一行代表一个通道， 100 竖着的一列代表一种属性，通过拉取右边的滚动条可以查看更多的通道。对需要标定的通道，就在它的开关复选框中打钩，不在复选框打钩的通道也就说明不参与本次标定。在标定界面中有一个波形图，可以显示勾选通道的实时波形。 1.3 采集模块准确地获取声信号是准确识别声源的关键，该系统具有多通道同步数据采集功能，能够 105 实现多通道信号的同步数据采集，同时可以实现多通道信号同步示波。如图 6 所示，为采集模块的界面。 - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 6 采集模块示意图 Fig. 6 Schematic diagram of the acquisition module 110 在前面板上把采集显示的图形分为五种显示方式，即一次显示一个、两个、三个、四个或者六个波形图，在图形显示个数的下拉菜单选择，每一个波形图都可以选择想要显示的通道。在下拉菜单对采集进行设置，包括采样设置、触发设置、通道设置和平均设置。点击停止按钮停止采集，采集后的信息点保存按钮保存到计算机中。系统声压数据的采集程序如图 7 所示。 115 图 7 采集模块程序框图 Fig. 7 Block diagram of the acquisition module 数据采集程序主要由 5 个采集指令函数组成，分别为 DAQmx 创建虚拟通道函数、 DAQmx 采样定时函数、DAQmx 任务开始函数、DAQmx 读取数据函数以及 DAQmx 清除任 120 务函数。创建虚拟通道函数对声压信号进行数据采集。采样定时函数是用来配置采样点数、采样频率以及将采样模式设定为有限点采样。开始任务函数的作用是保持采集数据任务的运行状态。DAQmx 读取数据函数用来读取采集的数据，该指令函数是多态 VI。DAQmx 清除任务函数用来结束采集数据后对硬件资源的释放。 2 声源数据运算处理 125 本文系统中的声源数据处理模块结合了两种声源识别定位算法对声源进行识别定位，分别为平面 NAH、互谱成像算法。 - 6 -

中国科技论文在线 2.1 平面 NAH 模块 http://www.paper.edu.cn NAH 解决了传统声全息技术无法准确记录声信号中随传输距离变化幅值急剧衰减的 “倏逝波”部分，并在声场重建过程中充分利用倏逝波，得到不受瑞利判据影响的声学像。 130 NAH 的理论过程是通过获得测量(全息)面的声压反演出距离声源更近表面(重建面)上的声压，振速等声学量。其理论反演表达式为： (1) 上式中的分别为，，轴上的声源波数，为重建面面上的复声压，为全息面面上的复声压。下面使用本系统 NAH 算法处理模块对声源信号进行处理，并对比 Matlab 的仿真结果， 135 对系统算法进行验证。仿真模型如图 8 所示。图 8 平面 NAH 仿真示意图 Fig. 8 Simulation diagram of plane NAH algorithm 声源信号采用的是一个脉动球声源，其频率为 1500 Hz，球半径为 r=0.02 m，球心位于坐标原点，全息测量面设置的大小为 1 m×1 m (-1.0 m x 1.0 m, -1.0m y 1.0 m)，各测点的间隔均为 0.05 m，测点数为 41×41 个，且到声源的距离为 0.06 m，重建面到声源的距离可设置为 0.03 m。则分别经过 Matlab 软件和 LabVIEW 处理后的重建面三维声压分布如图 9 140 所示。 - 7 - ()(,,)(,,)zhsikzzxysxyhPkkzPkkze,,xyzkkkxyz(,,)xysPkkzszz(,,)xyhPkkzhzzzx重建面S 全息面H2m2mo0.05m重建面41*41声源2m2mo0.05m测量(全息)面41*410.03szm0.06hzmyyxx

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 9 平面 NAH 声压重建结果 Fig. 9 Result of the plane NAH algorithm 图 9(a)表示 Matlab 程序中平面 NAH 的声场重建结果，图 9(b)表示本文 LabVIEW 系统中平面 NAH 的声场重建结果。对比图 9(a)和 9(b)，可以看出本系统中的平面 NAH 算法能 145 够准确的重建出声场中重建面上的声压信息，可以达到和 Matlab 软件仿真一样好的效果。 2.2 互谱成像算法模块互谱成像算法是通过测量阵列采集得到的声压数据反向聚焦声源面划分出的网格，将输 - 8 -

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