#LabVIEW简化音频测量

1、一 使用 LabVIEW简化音频测量世界上第一次尝试对音频信号的测量发生在 1627 年， Francis Bacon 试图测量开放空间中声音的速度 1。虽然他 的想法很好，但是因为技术上的局限性，他没有能够得到有效的测量结果。现在，我们使用软件和硬件能够分 析包括速度在内的声音信号的许多特性。诸如 LabVIEW 等编程软件让我们能够在短时间内，利用易用、强大的 功能开发复杂的测量应用。本文描述了开发提供更高性能和可扩展性音频系统的步骤。系统将基于 LabVIEW 工 业标准测量软件进行开发。现代音频测量是数字测量系统要求最高的任务之一。要成功完成音频测量，软件必须能够完成多个任务 以及 2

2、4 位数模转换 (DACs ，可以同步采集并产生带宽从直流到 92kHz 的模拟信 号以确保高分辨率的测量结果。图 1 是一个 LabVIEW VI 的程序框图和部分前面板，它在一台 PXI 系统中使用 17 块 4461 设备进行同步数据采集。当使用多 PXI 机箱系统的时候，同步通道数可达到 1000 以上。采集到的数 据绘制在图表中。/ 10图 1 ：以每采样 24 位的精度对 112 个通道进行同步采样和绘图。信号换算LabVIEW 声音和振动工具包 SVT ）提供了上层封装 VI，以合适的单位显示数据，包括以项目单位表示的时域 数据和以分贝为单位的频域数据等等。然而，使用数据采集设备

3、采集到的数值往往与传感器的输出电压呈线性 关系，原始数据通常是以电压为单位进行表示。信号换算是将电压数值转换为正确的项目单位的过程。 SVS Scale Voltage to EU.vi 提供了将电压信号变换为例如帕斯卡、g、 m/s2等单位的简单方法。换算 VI 是来自数字化仪的原始数据与正在使用的麦克风或传感器相关的有用数值之间的桥梁。图 2 给出了使用 SVT 表示数据的 VI，它使用合适的单位范围表示对应于实际观察到的物理现象的数值。图 2 ：使用 LabVIEW 声音与振动工具包将原始数据换算为合适的项目单位。为了得到信号的精确换算，需要对系统进行标定。在被测数值与标准数值之间存在已

4、知关系时，可以进行标 定。在音频测量系统中，标定过程需要一个已知数值的外部声音源，它通常来自活塞发声器或声学标定器。 SVT 提供了标定 VI ，它能够确保整个测量系统的精度。加权滤波器测量硬件通常被设计为在音频带宽中具有线性响应。另一方面，人耳具有非线性性响应。因为在许多情况下， 最终的传感器是人耳，我们需要对测量按照人耳模型进行补偿。使用加权滤波器是描述声音主观感知的最佳标 准方法。加权滤波器通常使用模拟组件进行构建，不过， SVT 提供了时域数据与频域数据的数字加权滤波器。 图 3 是使用加权滤波器的 VI ，它和 NI 硬件结合在一起，符合美国国家标准学会ANSI ）的标准。/ 10图

5、 3 ：将加权滤波器应用于 SVT 的换算数据在完成音频信号的采集、换算与加权之后，我们现在可以利用计算机的处理能力完成复杂的信号分析。本小节 描述了行业中所使用的常见音频测量。在简单的说明之后，我们将给出演示如何使用 SVT 进行这些测量的实例 代码。第一部分涵盖了仅仅使用 LabVIEW 就能够完成的标准测量；第二部分演示了借助 SVT 如何使用简单的 LabVIEW 代码进行高级音频测量。单频信息音频测量中的多种标准方法需要利用单音频信号进行激励和分析。 LabVIEW 提供了从信号中提取关于一定音频 的重要信息的高级 VI 。 Extract Single Tone Informati

6、on.vi可以找出信号中幅值最大的频率成分，并且计算其幅值、频率和相位。这个 VI 还提供了导出所提取的音频或去除此音频后的原始信号的选项。此 VI 还可以在某个频 带内进行更细分的搜索，以获取更准确的结果。如图 4 所示，为 Extract Single Tone Information.vi对带有噪声的正弦波信号进行分析的结果。这个范例仅限于对单通道信息进行分析，但只要稍加修改，即可实现对多个通 道信号的同步分析。+ 放大图片图 4 ：提取信号中单音频的频率、幅值和相位/ 10RMS 对于一些应用而言，信号幅值并不能提供足够信息。在例如需要计算增益与功率、信号均方根值等许多测量 中， La

7、bVIEW 提供了可以通过对瞬间信号数据取平方、对给定时间进行积分、计算开根号结果功能方便地计算 均方根数值。 Basic Averages DC-RMS.vi 还能够对对信号计算得到的均方根数值取平均值。这个 VI 还包含了 时间窗选项，可以得到更好的测量结果。图 5 展示了如何使用 LabVIEW 使用汉宁窗计算线性平均直流与均方根 数值。+ 放大图片图 5 ：获得采集信号的平均均方根数值。增益 增益是在音频系统中进行的一项基本测量。系统取得激励信号并产生响应信号。系统对信号进行放大的因数称 为增益。在不同频率下计算一系列增益测量时，能够生成系统的频率响应函数。图 6 给出了根据采集激励与

8、响 应，计算系统增益的基本 VI 。这个例子通过计算响应的均方根数值对输入均方根数值的比例得到增益。这个实 例用分贝表示增益，它是衡量响应的常用方法。/ 10图 6 ：根据采集信号计算系统增益。通道间串扰通常串扰定义为从一个通道向另一个通道的信号泄漏。要完成这个测量，将信号施加到一个输入上，测量这个 信号在其他非驱动通道中的大小。对于不同情况和特定的应用，这个类型测量的定义有不同的标准。通常将这 个测量表示为非驱动通道与驱动通道比例的分贝数。图7 是完成两个采集信号串扰分析的 VI 。图 7 ：计算来自两个采集信号的串扰。总谐波失真5 / 10谐波失真是输入信号整数倍频率的多余信号。这种失真通

9、常是模拟电路产生的，在确定音频质量中是一个重要 的测量参数。谐波失真通过一定阶次谐波电平对原始信号电平的比例进行计算。总谐波失真 THD ）是输入信号 谐波引入的总失真的度量。噪声与失真信号进行 THD 测量的另一个选择包含在 LabVIEW SINAD analyzer.vi 中。信号噪声及失真比 SINAD ）是输入信号 能量与噪声以及谐波中能量之和的比例。音频质量可以用 SINAD 测量进行评估，因为这个结果让我们了解被测 信号相对于不需要的噪声和失真相比占多少比重。总谐波失真加噪声得到信号的 SINAD 使其他测量变得更加简单，例如，总谐波失真加噪声 THD+D ）可以通过 SINAD

10、 方便地计 算得到。 THD+N 通常用百分比表示。用分贝表示的 THD+N 与 SINAD 互补，所以要得到用百分比表示的 THD+N 需要进行转换。激励信号的实际电平是十分重要的，因为 SINAD 和 THD+N 与施加的激励信号有关。图 8 中的例子展示了如何使用声音与振动工具包中的Tone Measurements Express VI来方便的获得输入信号的THD, SINAD, 以及 THD+N 等信息。+ 放大图片图 8 ：使用 LabVIEW 测量总谐波失真 THD ），噪声与失真信号 SINAD ）以及总谐波失真加噪声 THD+N ） 动态范围/ 10动态范围是音频系统的常见指

11、标，即整个信号范围相对于系统中最小信号的比例。动态范围可以视为信号噪声 比，因为系统中的最小信号通常是噪声，主要区别在于动态范围是在信号存在时，使用系统的背景噪声进行计 算的。动态范围通常用分贝表示，可以在加权背景信号中进行计算，从而得到加权动态范围。图 11 计算包含单 音频信号的动态范围。可以使用 SVT 加权 VI进行加权得到 A 加权的动态范围测量结果。+ 放大图片图 9 ：确定单音高信号的动态范围声音强度测量 最常见的音频测量可能是声音强度。声音强度定义为声压的动态变化。通常测量参照人类可以产生听觉的临界 值 通常为 20P）进行度量，并且按照对数强度比例用分贝进行表示。在进行声音强

12、度测量时，您通常使用加 权滤波和平均。 SVT 能够方便地进行多种声音强度测量。在图 12 中，我们给出了计算基于采集数据的不同声音 压力。还可以进行重复测量，计算反响次数或是一定时间内的等效噪声强度。/ 10图 10 ：使用 SVT 从采集数据计算多个声音强度测量。音阶分析分数音阶分析是分析音频与声学信号中广泛使用的技术，因为这种分析展示了类比于人耳响应的特性。这个过 程包括通过带通滤波器发送时域信号，计算信号的均方值以及在方块图上显示这些数值。 ANSI 与国际电工委员 会IEC ）标准定义了音阶分析仪的规范。带通滤波器特性与图表通过所需的频率带和所需的音阶分数定义。NIDSA 板卡以及

13、SVT 能够创建与国际标准完全兼容的分数音阶分析仪。 SVT 包含符合 ANSI 和 IEC 标准的 VI ， 它们可以进行全音阶直至 1/24 音阶分析。图 11 展示了使用 SVT 进行三分之一音阶分析。+ 放大图片图 11 ：基于 ANSI 标准完成 1/3 音阶分析。频带功率频率测量常用于音频应用中。 SVT 包含用于频率分析的强大工具。我们有用于基带FFT 、基带子集分析与zoom FFT 的工具，它们能够获取功率谱、功率谱密度等等。SVT Power in band.vi 是频率谱分析 VI 之一。它计算指定频率范围内的总功率。如图 12 所示，您可以从功率谱、功率谱密度、幅值谱或

14、连续输出功率谱中获得 频带功率。结果根据输入单位，用适当的单位进行表示。/ 10+ 放大图片图 12 ：找出指定频带中的功率。频率响应进行频率响应分析的目的通常是得到被测系统频率响应函数 例。 FRF 曲线是音频设备中的典型规范。有多种方法可以得到FRF ）的特征。 FRF 表示在频域中输出对输入的比FRF ，双通道频率分析可能是其中最快的方法。UUT ）的激励和响应交叉频谱方法根据两个输入生成频率曲线，它们通常是被测单元频率响应分析需要的常见配置要求使用 UUT 的宽带激励 通常是噪声信号或多音高信号）。然后同时采集UUT的激励和响应。完成双通道频率分析可以获得 UUT 的频率响应和相位响应以及信号连续性。为了改进 FRF 测 量，您可以对响应取平均值，通过对 FRF 取平均值，您可以获得更为精确的响应曲线。这个方法的优点是能够 克服噪声、失真