基于LabVIEW的音頻檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、doi：103969/jissn16711041201103028基于LabVIEW的音頻檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)蔣靈搏（山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，淄博256414）摘要：利用LabVIEW圖形化開發(fā)軟件，提出了一種音頻信號檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。首先利用麥克風(fēng)采集被測對象產(chǎn)生的音頻信號，再通過計(jì)算機(jī)的聲卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后由自制音頻檢測虛擬儀器實(shí)現(xiàn)音頻信號的時(shí)域分析、頻域分析及數(shù)據(jù)存儲等功能。該系統(tǒng)對木琴的金屬音條進(jìn)行了測試，由木槌擊打音條來產(chǎn)生脈沖激振，響應(yīng)信號被系統(tǒng)采集分析，進(jìn)而得出每內(nèi)耗兩項(xiàng)參數(shù)。根金屬音條的固有頻率、關(guān)鍵詞：音頻檢測；LabVIEW；聲卡；固有頻率；內(nèi)耗中圖分類號：TP274文獻(xiàn)標(biāo)

2、志碼：BDesignofacousticdetectingsystembasedonLabVIEWJIANGLing-bo（DepartmentofElectricalandMechanicalEngineering，ShandongVocationalCollegeofIndustry，Zibo256414，China）Abstract：AnacousticdetectingsystemwasdevelopedbasedontheLabVIEWgraphicalprogrammingenvironmentTheandthentransducedintodigitalsignalthrough

3、audiosignalproducedbythetestedbodyisfirstlyacquiredbymicrophone，soundcardAtlast，theselfdevelopedVirtualInstrumentperformstheaudiosignalstimedomainanalysis，frequen-cydomainanalysis，anddatasaving，etcThesystemhasbeenusedtotestxylophonesmetalbars，whicharestrikedbyamalletasanimpulseexcitation，andaccordin

4、gtotheirresponses，thevalueofeverybarsnaturalfrequen-cyandinternalfrictionareacquiredKeywords：acousticdetecting；LabVIEW；soundcard；naturalfrequency；internalfriction0引言音頻檢測是目前國內(nèi)外較為先進(jìn)的一種無損檢測新技1系統(tǒng)硬件方案分析本系統(tǒng)采用的硬件方案如圖1所示，它主要由傳聲器、聲術(shù)，其主要的方法原理是：利用各種材料都具有其固有頻率的特性，使其受到激勵(lì)產(chǎn)生自由振動(dòng)，材料便會發(fā)出固有頻率的1聲音，通過測定振動(dòng)的音頻參數(shù)便可預(yù)測材料的內(nèi)部

5、質(zhì)量。如對于各種機(jī)械設(shè)備中易產(chǎn)生疲勞破壞的軸類零件，可借助內(nèi)耗值等音頻參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)音頻檢測技術(shù)確定其共振頻率、對軸類零件的機(jī)械性能、基體組織及內(nèi)部缺陷的無損檢測。早期的音頻檢測系統(tǒng)一般采用頻率計(jì)、計(jì)數(shù)器等專用儀器測量來自傳聲器的音頻信號，并通過示波器和頻譜儀等設(shè)備對音頻信號進(jìn)行分析求得音頻參數(shù)。這樣的檢測系統(tǒng)一般來說，檢測速度緩慢，測量誤差較大，而且成本也比較高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，虛擬儀器開發(fā)軟件近年得到迅速發(fā)展，如美國NationalInstruments（簡稱NI）公司的Lab-VIEW軟件是開發(fā)虛擬儀器的主要平臺之一，目前LabVIEW開發(fā)軟件已在測試與測量、過程控制、工業(yè)自動(dòng)

6、化和實(shí)驗(yàn)室研究等方面都得到廣泛應(yīng)用。借助LabVIEW對計(jì)算機(jī)聲卡的專門操作模塊及其強(qiáng)大的數(shù)字信號分析功能，提出開發(fā)一種用于音頻信號采集分析的檢測系統(tǒng)。利用LabVIEW編寫虛擬儀器的程序，實(shí)現(xiàn)對音頻信號的采集、顯示、分析、存儲及記錄讀取等功能。78EICVol182011No3卡和個(gè)人計(jì)算機(jī)幾部分組成。其基本工作過程是：被測對象受到外來激勵(lì)或處在運(yùn)行工作狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的模擬音頻信號被傳聲器采集，經(jīng)聲卡實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，再由計(jì)算機(jī)內(nèi)部開發(fā)的虛擬儀器進(jìn)行顯示、分析、存儲等。圖1音頻檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件方案11傳聲器的測量原理及響應(yīng)特性在此系統(tǒng)中，傳聲器采用個(gè)人計(jì)算機(jī)普通配置的電容式麥克風(fēng)即可，

7、它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電容式位移傳感器。其動(dòng)極板是一個(gè)很薄的金屬膜片，厚度約000250050mm，與之正對的則為固定極板，其內(nèi)部開有阻尼孔。在聲壓作用下，金屬薄膜振動(dòng)使極板間隙變化，從而引起電容變化，通過專門的測量電路（如直流極化電路）轉(zhuǎn)換為電壓信號e0輸出。假設(shè)麥克風(fēng)周圍的壓力pi在任意時(shí)刻都是均勻的，則麥克風(fēng)的輸出電壓e0和聲壓pi之間的關(guān)系可由下式表示2：/wwweiccomcne0（j）=piKl（j）2（lj+1）（j+1）(22n2j+1n+)（1）音頻數(shù)據(jù)一次讀出。式中，l、是同電容器結(jié)構(gòu)參數(shù)和電路參數(shù)有關(guān)的時(shí)間常數(shù)，、n則分別為麥克風(fēng)測量系統(tǒng)的阻尼比和固有頻率。式（1）實(shí)際上即為麥克

8、風(fēng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，其幅頻特性如圖2所示。圖3虛擬儀器主程序的前面板圖2麥克風(fēng)的幅頻特性由圖2可知，當(dāng)被測量的音頻信號頻率處于麥克風(fēng)的平坦區(qū)間時(shí)，就可將聲壓信號線性轉(zhuǎn)換為電壓信號，而且不發(fā)生對于普通的電容式麥克風(fēng)而言，其平坦的頻率范圍大約衰減。3為50Hz18kHz，這也即為該音頻檢測系統(tǒng)所能允許的被測對象固有頻率的變動(dòng)范圍。12聲卡技術(shù)參數(shù)分析聲卡在音頻檢測系統(tǒng)中作為數(shù)據(jù)采集卡來使用，用于采集音頻范圍內(nèi)的信號，采樣位數(shù)和采樣頻率是其最主要的兩個(gè)技術(shù)參數(shù)。目前市場上出售的數(shù)據(jù)采集卡的采樣位數(shù)多為1216位，而現(xiàn)在各種板載聲卡均已達(dá)到或超過16位的采樣位數(shù)，這即保證了足夠的采樣精度，又節(jié)省了數(shù)據(jù)采

9、集的硬件設(shè)備441kHz、48kHz聲卡的采樣頻率一般共分為2205kHz、成本。三個(gè)等級，而且很多聲卡的采樣頻率可作的更高。例如，本系統(tǒng)采用個(gè)人計(jì)算機(jī)所帶的realtekALC883高清晰度聲卡，其采樣位數(shù)及采樣頻率可分別達(dá)到24位和96kHz。除了具有較高的采樣位數(shù)及采樣頻率，為提高數(shù)據(jù)采集效率，聲卡還采用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。它將采集到的數(shù)據(jù)存儲在指定的內(nèi)存緩沖區(qū)內(nèi)，待緩沖區(qū)滿后，再通過查詢或顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的波形。中斷機(jī)制通知CPU調(diào)用顯示程序，22圖4虛擬儀器主程序的程序框圖數(shù)據(jù)濾波由電容式麥克風(fēng)采集的音頻信號中即包括反映被測對象固有頻率的有用信息，還會含有周圍環(huán)境的噪聲，因此要對采

10、集的數(shù)據(jù)作濾波處理。程序中選用信號分析ExpressVI中的該函數(shù)中濾波器的類型選擇帶通，濾波器函數(shù)實(shí)現(xiàn)濾波功能，濾波器的高、低截止頻率可根據(jù)被測對象固有頻率的大小合理選擇。圖3中的時(shí)域信號的波形是木琴的金屬音條對脈沖激振的響應(yīng)，它已是經(jīng)帶通濾波器處理后的信號，由于濾除了噪聲，其衰減振蕩的波形輪廓已非常規(guī)則。23功率譜密度分析濾波后的音頻信號利用FFT功率譜密度函數(shù)進(jìn)一步分析，了解其頻率成分的分布狀況。圖3中的FFT功率譜密度的圖中波形是木琴的金屬音條對脈沖激振響應(yīng)的功率譜結(jié)構(gòu)，唯一的一條幅值譜線反映的就是金屬音條固有頻率的信息。結(jié)合幅值最高單頻檢測函數(shù)可數(shù)字顯示固有頻率的數(shù)值，如圖3前面板右

11、側(cè)檢測頻率方框中的200kHz即為某一金屬音條的固有頻率。24波峰/波谷檢測針對濾波后采集的音頻信號的時(shí)域波形，波峰/波谷檢測函數(shù)用于查找在設(shè)定閾值以上（或下）的波峰或波谷的個(gè)位置及振幅等信息，用來判斷金屬音條對脈沖激勵(lì)響應(yīng)的數(shù)、衰減程度。25數(shù)據(jù)存儲為了提高檢測效率，可先將采集的音頻信號保存，待檢測任務(wù)完成后，再對保存的數(shù)據(jù)文件分析處理。數(shù)據(jù)存儲功能是通過WriteWaveformstoFilevi（寫入波形至文件）實(shí)現(xiàn)，并通過開關(guān)按鈕控制存儲進(jìn)度。對于保存的數(shù)據(jù)文件，專門開發(fā)了音頻信號讀取程序，該程序也包括時(shí)域信號波形顯示、功率譜密度分析、波峰/波谷檢測等功能，程序的前面板及程序框圖與主程

12、序類似，不再贅述。EICVol182011No3792虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)利用LabVIEW平臺開發(fā)的虛擬儀器軟件包括以下兩個(gè)方面：1）儀器前面板的布置和設(shè)計(jì)。為達(dá)到良好的人機(jī)交互要求前面板布局合理，操作方便。主程序的前面板如圖效果，3所示，左半部分是音頻信號的時(shí)域波形圖與FFT功率譜密波峰/波谷參度波形圖；右半部分主要包括聲卡參數(shù)設(shè)置、數(shù)顯示、幅值最高單頻參數(shù)顯示以及信號存儲的控制開關(guān)等內(nèi)容。2）程序框圖的編程實(shí)現(xiàn)。主程序的程序框圖如圖4所示，它主要包括以下幾個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)濾波、功率譜密度分析、波峰/波谷檢測、幅值最高單頻檢測及數(shù)據(jù)存儲部分。下面對各功能模塊進(jìn)行簡要說明。21數(shù)據(jù)采集首先

13、利用LabVIEW提供的SoundInputConfigurevi（配置聲音輸入程序）對聲卡的采樣率、通道數(shù)、每采樣比特?cái)?shù)及每通道采樣數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，再由SoundInputReadvi（讀取聲音輸入程序）將來自麥克風(fēng)并已存入內(nèi)存緩沖區(qū)的批量歡迎訂閱歡迎撰稿歡迎發(fā)布產(chǎn)品廣告信息315中下游標(biāo)指示的數(shù)值0001）以上的波峰個(gè)數(shù)（即振蕩次數(shù)）、每個(gè)波峰的幅值，最后利用式（2）推導(dǎo)出每根音條的內(nèi)具體測試結(jié)果如表1所示。耗數(shù)值。表112345678金屬音條的測試參數(shù)值內(nèi)耗Q1104振蕩次數(shù)n4614704744764654794674732194231620702205229022082103208

14、9音條編號固有頻率n（kHz）200228259272304341370400實(shí)驗(yàn)測試測試原理實(shí)驗(yàn)中的被測對象為木琴的金屬音條，木琴共有8根平它們由相同的金屬材料制成，具有相同的行布置的金屬音條，橫截面形狀（呈劣圓弧形），但其長度按一定規(guī)律由長到短分每根音條左右兩端均由木琴的兩橫梁作為支撐。布。測試時(shí)，麥克風(fēng)置于金屬音條正上方約50mm處，由木槌迅速敲擊音條的中間部位，即對其施加脈沖激振，音條受激產(chǎn)生的音頻信號由麥克風(fēng)采集，再送入計(jì)算機(jī)由虛擬儀器進(jìn)行顯示分析。32測試參數(shù)音頻檢測系統(tǒng)主要用來測試金屬音條的固有頻率n和1內(nèi)耗Q（被測對象品質(zhì)因數(shù)Q的倒數(shù)）兩個(gè)參數(shù)。固有頻率是系統(tǒng)出現(xiàn)自由振動(dòng)的頻率

15、，對于音條而言，取決于其質(zhì)量、彈性模量及幾何尺寸等參數(shù)。內(nèi)耗是一個(gè)相對復(fù)雜的概念，非理想彈性體受迫振動(dòng)時(shí)必須不斷補(bǔ)充能量才能維持其振動(dòng)，這種由于材料內(nèi)部的原因使其機(jī)械能消耗的現(xiàn)象稱為內(nèi)耗。由于內(nèi)耗的存在，音條受到脈沖激振后，將處于自由衰減運(yùn)1動(dòng)，其音頻振動(dòng)衰減曲線如圖5所示。內(nèi)耗Q可根據(jù)下式1計(jì)算：由表1可知，金屬音條自1至8號，固有頻率逐漸增加，這是由于其長度逐次縮短，自身質(zhì)量降低的緣故。內(nèi)耗值主要反因8根音條采用相同金屬材料，故其映材料的基體組織結(jié)構(gòu)，內(nèi)耗值非常接近。對每根音條施加激振時(shí)因強(qiáng)度大小略有不故振蕩次數(shù)也有一定變化。同，4結(jié)束語Q1=X11lnnXn+1（2）X1、Xn+1是振動(dòng)

16、衰減過程中開始計(jì)數(shù)和終止計(jì)數(shù)的振式中，n是由X1衰減到Xn+1的振幅，如圖5中上、下游標(biāo)指示的數(shù)值，動(dòng)次數(shù)。以麥克風(fēng)和聲卡作為數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備，借助LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)了音頻檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對音頻信號的批量快速采集、數(shù)字濾波、功率譜分析及波峰/波谷檢測等功能，并將其應(yīng)用于木琴的金屬音條測試，獲系統(tǒng)得了音條的固有頻率和內(nèi)耗等參數(shù)信息。實(shí)驗(yàn)過程中，運(yùn)行平穩(wěn)，操作方便，測試分析結(jié)果較準(zhǔn)確。系統(tǒng)硬件成本低，靈活性強(qiáng)，可根據(jù)測試要求對虛擬儀器軟件作適當(dāng)調(diào)整。而且，系統(tǒng)還具有一定的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值，可將其推廣應(yīng)用滾動(dòng)軸承等的無損檢測中。于軸類零件、參考文獻(xiàn)1柏逢明音頻檢測技術(shù)M北

17、京：中國科學(xué)技術(shù)出版2005社，圖5音條的音頻振動(dòng)衰減曲線2ErnestODoebelin測量系統(tǒng)應(yīng)用與設(shè)計(jì)（第五版）M王2007伯雄，等譯北京：電子工業(yè)出版社，3安軍，唐東煒，梁啟志基于聲卡的機(jī)床噪聲虛擬測試分析系J機(jī)床與液壓，2009，37（10）：168171統(tǒng)的開發(fā)4阮奇楨我和LabVIEW一個(gè)NI工程師的十年編程經(jīng)驗(yàn)M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009作者簡介：蔣靈搏（1980），女，碩士研究生，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)在測量與控制中的應(yīng)用、虛擬儀器技術(shù)。收稿日期：2011012433測試結(jié)果利用音頻檢測系統(tǒng)對8根音條依次進(jìn)行了測試，借助虛擬儀器軟件中的FFT功率譜密度與幅值最高單頻檢測函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了音條固有頻率的圖形和數(shù)字顯示。內(nèi)耗值的檢測是通首先讀取保存的每根音條的時(shí)過音頻信號讀取程序完成的，域信號波形，再利用波峰/波谷檢測程序獲取設(shè)定閾值（如圖中環(huán)天儀簡訊中環(huán)天儀榮獲全國機(jī)械行業(yè)文明單位，“20072010年度全國機(jī)械行業(yè)文明單位表彰大會”日前在山東濟(jì)南隆重召開，會議總結(jié)了三年來全國機(jī)械行業(yè)文明單位建設(shè)工作，宣傳表彰先進(jìn)，推動(dòng)深入學(xué)習(xí)五中全會精神，促進(jìn)機(jī)械行業(yè)文明單位建設(shè)再上新臺階。中環(huán)天儀股份有限公司榮獲20072010年度全國機(jī)械行業(yè)文明單位，黨委書記蔣連瀛同志被授