使用LabVIEW簡(jiǎn)化音頻測(cè)量
美國(guó)國(guó)家儀器有限公司
概覽
     音頻測(cè)量是要求最高的任務(wù)之一，它需要高質(zhì)量的信號(hào)采集、復(fù)雜的換算、深入的分析以及多種圖形化表示。虛擬儀器為定制音頻測(cè)量應(yīng)用提供了新的可能性。利用工 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大性能和LabVIEW的靈活性，您可以完成自定義的音頻測(cè)量。本文描述了如何使用LabVIEW以及聲音與振動(dòng)工具包對(duì)音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采 集、分析與顯示。我們將會(huì)演示最常見(jiàn)的測(cè)量以及在音頻測(cè)量過(guò)程中完成多個(gè)任務(wù)的LabVIEW代碼。
介紹
     世界上第一次嘗試對(duì)音頻信號(hào)的測(cè)量發(fā)生在1627年，F(xiàn)rancis Bacon試圖測(cè)量開(kāi)放空間中聲音的速度1。雖然他的 想法很好，但是由于技術(shù)上的局限性，他沒(méi)有能夠得到有效的測(cè)量結(jié)果。現(xiàn)在，我們使用軟件和硬件能夠分析包括速度在內(nèi)的聲音信號(hào)的許多特性。諸如 LabVIEW等編程軟件讓我們能夠在短時(shí)間內(nèi)，利用易用、強(qiáng)大的功能開(kāi)發(fā)復(fù)雜的測(cè)量應(yīng)用。本文描述了開(kāi)發(fā)提供更高性能和可擴(kuò)展性音頻系統(tǒng)的步驟。系統(tǒng)將 基于LabVIEW工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
 

       現(xiàn)代音頻測(cè)量是數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)要求最高的任務(wù)之一。要成功完成音頻測(cè)量，軟件必須能夠完成多個(gè)任務(wù)（例如數(shù)據(jù)換算、濾波、分析與可視化）。從采集數(shù)據(jù)到顯示 數(shù)據(jù)，LabVIEW具有確保精確測(cè)量的靈活性與模塊性。NI提供了為簡(jiǎn)化聲音與振動(dòng)測(cè)量而設(shè)計(jì)的工具包來(lái)擴(kuò)展LabVIEW功能。NI硬件與軟件能夠無(wú) 縫整合在一起，從而替換了大量箱式儀器，并且提供了更多功能自定義的空間。
     下一小節(jié)對(duì)音頻測(cè)量中的常見(jiàn)任務(wù)進(jìn)行了一般性解釋。本文中的實(shí)例使用LabVIEW開(kāi)發(fā)系統(tǒng)專業(yè)版或開(kāi)發(fā)系統(tǒng)完整版開(kāi)發(fā)，其中部分使用LabVIEW聲音與振動(dòng)工具包。這些實(shí)例可以方便地整合到定制的音頻測(cè)量系統(tǒng)中。
數(shù)據(jù)采集、換算與加權(quán)
     大多數(shù)測(cè)量系統(tǒng)都包含按照一定物理現(xiàn)象產(chǎn)生電子信號(hào)的傳感器。測(cè)量這些電子信號(hào)并將它們輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的過(guò)程成為數(shù)據(jù)采集。例如音頻等動(dòng)態(tài)信 號(hào)需要使用高分辨率和高動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字化設(shè)備。NI 4461設(shè)備提供了24位模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADCs)以及24位數(shù)模轉(zhuǎn)換(DACs)，可以同步采集并產(chǎn)生帶寬從直流到92kHz的模擬信號(hào)以確保高分辨率的測(cè) 量結(jié)果。圖1是一個(gè)LabVIEW VI的程序框圖和部分前面板，它在一臺(tái)PXI系統(tǒng)中使用17塊4461設(shè)備進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集。當(dāng)使用多PXI機(jī)箱系統(tǒng)的時(shí)候，同步通道數(shù)可達(dá)到1000以 上。采集到的數(shù)據(jù)繪制在圖表中。
 
圖1：以每采樣24位的精度對(duì)112個(gè)通道進(jìn)行同步采樣和繪圖。
信號(hào)換算
  LabVIEW聲音和振動(dòng)工具包（SVT）提供了上層封裝VI，以合適的單位顯示數(shù)據(jù)，包括以工程單位表示的時(shí)域數(shù)據(jù)和以分貝為單位的頻域數(shù)據(jù)等 等。然而，使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的數(shù)值往往與傳感器的輸出電壓呈線性關(guān)系，原始數(shù)據(jù)通常是以電壓為單位進(jìn)行表示。信號(hào)換算是將電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換為正確的工程 單位的過(guò)程。SVS Scale Voltage to EU.vi提供了將電壓信號(hào)變換為例如帕斯卡、g、m/s²等單位的簡(jiǎn)單方法。換算VI是來(lái)自數(shù)字化儀的原始數(shù)據(jù)與正在使用的麥克風(fēng)或傳感器相關(guān)的有用數(shù) 值之間的橋梁。圖2給出了使用SVT表示數(shù)據(jù)的VI，它使用合適的單位范圍表示對(duì)應(yīng)于實(shí)際觀察到的物理現(xiàn)象的數(shù)值。

 
圖2：使用LabVIEW聲音與振動(dòng)工具包將原始數(shù)據(jù)換算為合適的工程單位。
    為了得到信號(hào)的精確換算，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。在被測(cè)數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值之間存在已知關(guān)系時(shí)，可以進(jìn)行標(biāo)定。在音頻測(cè)量系統(tǒng)中，標(biāo)定過(guò)程需要一個(gè)已知數(shù)值的外部聲音源，它通常來(lái)自活塞發(fā)聲器或聲學(xué)標(biāo)定器。SVT提供了標(biāo)定VI，它能夠確保整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度。
加權(quán)濾波器
    測(cè)量硬件通常被設(shè)計(jì)為在音頻帶寬中具有線性響應(yīng)。另一方面，人耳具有非線性性響應(yīng)。因?yàn)樵谠S多情況下，最終的傳感器是人耳，我們需要對(duì)測(cè)量按照人耳 模型進(jìn)行補(bǔ)償。使用加權(quán)濾波器是描述聲音主觀感知的最佳標(biāo)準(zhǔn)方法。加權(quán)濾波器通常使用模擬組件進(jìn)行構(gòu)建，不過(guò)，SVT提供了時(shí)域數(shù)據(jù)與頻域數(shù)據(jù)的數(shù)字加權(quán) 濾波器。圖3是使用加權(quán)濾波器的VI，它和NI硬件結(jié)合在一起，符合美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（ANSI）的標(biāo)準(zhǔn)。

 
圖3：將加權(quán)濾波器應(yīng)用于SVT的換算數(shù)據(jù)。
使用LabVIEW進(jìn)行音頻測(cè)量
    在完成音頻信號(hào)的采集、換算與加權(quán)之后，我們現(xiàn)在可以利用計(jì)算機(jī)的處理能力完成復(fù)雜的信號(hào)分析。本小節(jié)描述了行業(yè)中所使用的常見(jiàn)音頻測(cè)量。在簡(jiǎn)單的 說(shuō)明之后，我們將給出演示如何使用SVT進(jìn)行這些測(cè)量的實(shí)例代碼。第一部分涵蓋了僅僅使用LabVIEW就能夠完成的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量；第二部分演示了借助SVT 如何使用簡(jiǎn)單的LabVIEW代碼進(jìn)行高級(jí)音頻測(cè)量。
單頻信息
   音頻測(cè)量中的多種標(biāo)準(zhǔn)方法需要利用單音頻信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)和分析。LabVIEW提供了從信號(hào)中提取關(guān)于一定音頻的重要信息的高級(jí)VI。Extract Single Tone Information.vi可以找出信號(hào)中幅值最大的頻率成分，并且計(jì)算其幅值、頻率和相位。這個(gè)VI還提供了導(dǎo)出所提取的音頻或去除此音頻后的原始信 號(hào)的選項(xiàng)。此VI還可以在某個(gè)頻帶內(nèi)進(jìn)行更細(xì)分的搜索，以獲取更準(zhǔn)確的結(jié)果。如圖4所示，為Extract Single Tone Information.vi  對(duì)帶有噪聲的正弦波信號(hào)進(jìn)行分析的結(jié)果。這個(gè)范例僅限于對(duì)單通道信息進(jìn)行分析，但只要稍加修改，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)通道信號(hào)的同步分析。

 
圖4：提取信號(hào)中單音頻的頻率、幅值和相位。
RMS
    對(duì)于一些應(yīng)用而言，信號(hào)幅值并不能提供足夠信息。在例如需要計(jì)算增益與功率、信號(hào)均方根值等許多測(cè)量中，LabVIEW提供了可以通過(guò)對(duì)瞬間信號(hào)數(shù) 據(jù)取平方、對(duì)給定時(shí)間進(jìn)行積分、計(jì)算開(kāi)根號(hào)結(jié)果功能方便地計(jì)算均方根數(shù)值。Basic Averages DC-RMS.vi還能夠?qū)?duì)信號(hào)計(jì)算得到的均方根數(shù)值取平均值。這個(gè)VI還包含了時(shí)間窗選項(xiàng)，可以得到更好的測(cè)量結(jié)果。圖5展示了如何使用 LabVIEW使用漢寧窗計(jì)算線性平均直流與均方根數(shù)值。

 
圖5：獲得采集信號(hào)的平均均方根數(shù)值。
增益
    增益是在音頻系統(tǒng)中進(jìn)行的一項(xiàng)基本測(cè)量。系統(tǒng)取得激勵(lì)信號(hào)并產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)。系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的因數(shù)稱為增益。在不同頻率下計(jì)算一系列增益測(cè)量時(shí)， 能夠生成系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。圖6給出了根據(jù)采集激勵(lì)與響應(yīng)，計(jì)算系統(tǒng)增益的基本VI。這個(gè)例子通過(guò)計(jì)算響應(yīng)的均方根數(shù)值對(duì)輸入均方根數(shù)值的比例得到增 益。這個(gè)實(shí)例用分貝表示增益，它是衡量響應(yīng)的常用方法。
 
圖6：根據(jù)采集信號(hào)計(jì)算系統(tǒng)增益。
通道間串?dāng)_
    通常串?dāng)_定義為從一個(gè)通道向另一個(gè)通道的信號(hào)泄漏。要完成這個(gè)測(cè)量，將信號(hào)施加到一個(gè)輸入上，測(cè)量這個(gè)信號(hào)在其他非驅(qū)動(dòng)通道中的大小。對(duì)于不同情況 和特定的應(yīng)用，這個(gè)類型測(cè)量的定義有不同的標(biāo)準(zhǔn)。通常將這個(gè)測(cè)量表示為非驅(qū)動(dòng)通道與驅(qū)動(dòng)通道比例的分貝數(shù)。圖7是完成兩個(gè)采集信號(hào)串?dāng)_分析的 VI。   
 
圖7：計(jì)算來(lái)自兩個(gè)采集信號(hào)的串?dāng)_。
總諧波失真
    諧波失真是輸入信號(hào)整數(shù)倍頻率的多余信號(hào)。這種失真通常是模擬電路產(chǎn)生的，在確定音頻質(zhì)量中是一個(gè)重要的測(cè)量參數(shù)。諧波失真通過(guò)一定階次諧波電平對(duì)原始信號(hào)電平的比例進(jìn)行計(jì)算?？傊C波失真（THD）是輸入信號(hào)諧波引入的總失真的度量。
噪聲與失真信號(hào)
進(jìn)行THD測(cè)量的另一個(gè)選擇包含在LabVIEW SINAD analyzer.vi中。信號(hào)噪聲及失真比（SINAD）是輸入信號(hào)能量與噪聲以及諧波中能量之和的比例。音頻質(zhì)量可以用SINAD測(cè)量進(jìn)行評(píng)估，因?yàn)?這個(gè)結(jié)果讓我們了解被測(cè)信號(hào)相對(duì)于不需要的噪聲和失真相比占多少比重。
總諧波失真加噪聲
得到信號(hào)的SINAD使其他測(cè)量變得更加簡(jiǎn)單，例如，總諧波失真加噪聲（THD+D）可以通過(guò)SINAD方便地計(jì)算得到。THD+N通常用百分比表 示。用分貝表示的THD+N與SINAD互補(bǔ)，所以要得到用百分比表示的THD+N需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。激勵(lì)信號(hào)的實(shí)際電平是十分重要的，因?yàn)镾INAD和 THD+N與施加的激勵(lì)信號(hào)有關(guān)。
圖8中的例子展示了如何使用聲音與振動(dòng)工具包中的Tone Measurements Express VI來(lái)方便的獲得輸入信號(hào)的THD, SINAD, 以及THD+N等信息。

 
圖8：使用LabVIEW測(cè)量總諧波失真（THD），噪聲與失真信號(hào)（SINAD）以及總諧波失真加噪聲（THD+N）
動(dòng)態(tài)范圍
    動(dòng)態(tài)范圍是音頻系統(tǒng)的常見(jiàn)指標(biāo)，即整個(gè)信號(hào)范圍相對(duì)于系統(tǒng)中最小信號(hào)的比例。動(dòng)態(tài)范圍可以視為信號(hào)噪聲比，因?yàn)橄到y(tǒng)中的最小信號(hào)通常是噪聲，主要區(qū) 別在于動(dòng)態(tài)范圍是在信號(hào)存在時(shí)，使用系統(tǒng)的背景噪聲進(jìn)行計(jì)算的。動(dòng)態(tài)范圍通常用分貝表示，可以在加權(quán)背景信號(hào)中進(jìn)行計(jì)算，從而得到加權(quán)動(dòng)態(tài)范圍。圖11計(jì) 算包含單音頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍?？梢允褂肧VT加權(quán)VI進(jìn)行加權(quán)得到A加權(quán)的動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量結(jié)果。
 
圖9：確定單音高信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。
聲音強(qiáng)度測(cè)量
    最常見(jiàn)的音頻測(cè)量可能是聲音強(qiáng)度。聲音強(qiáng)度定義為聲壓的動(dòng)態(tài)變化。通常測(cè)量參照人類可以產(chǎn)生 聽(tīng)覺(jué)的臨界值（通常為20µP）進(jìn)行度量，并且按照對(duì)數(shù)強(qiáng)度比例用分貝進(jìn)行表示。在進(jìn)行聲音強(qiáng)度測(cè)量時(shí)，您通常使用加權(quán)濾波和平均。SVT能夠方便地進(jìn)行 多種聲音強(qiáng)度測(cè)量。在圖12中，我們給出了計(jì)算基于采集數(shù)據(jù)的不同聲音壓力。還可以進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，計(jì)算反響次數(shù)或是一定時(shí)間內(nèi)的等效噪聲強(qiáng)度。

 
圖10：使用SVT從采集數(shù)據(jù)計(jì)算多個(gè)聲音強(qiáng)度測(cè)量。
音階分析
    分?jǐn)?shù)音階分析是分析音頻與聲學(xué)信號(hào)中廣泛使用的技術(shù)，因?yàn)檫@種分析展示了類比于人耳響應(yīng)的特性。這個(gè)過(guò)程包括通過(guò)帶通濾波器發(fā)送時(shí)域信號(hào)，計(jì)算信號(hào) 的均方值以及在方塊圖上顯示這些數(shù)值。ANSI與國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)定義了音階分析儀的規(guī)范。帶通濾波器特性與圖表通過(guò)所需的頻率帶和所需的音 階分?jǐn)?shù)定義。NI DSA板卡以及SVT能夠創(chuàng)建與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)完全兼容的分?jǐn)?shù)音階分析儀。SVT包含符合ANSI和IEC標(biāo)準(zhǔn)的VI，它們可以進(jìn)行全音階直至1/24音階分 析。圖11展示了使用SVT進(jìn)行三分之一音階分析。

 
圖11：基于ANSI標(biāo)準(zhǔn)完成1/3音階分析。
頻帶功率
    頻率測(cè)量常用于音頻應(yīng)用中。SVT包含用于頻率分析的強(qiáng)大工具。我們有用于基帶FFT、基帶子集分析與zoom FFT的工具，它們能夠獲取功率譜、功率譜密度等等。SVT Power in band.vi是頻率譜分析VI之一。它計(jì)算指定頻率范圍內(nèi)的總功率。如圖12所示，您可以從功率譜、功率譜密度、幅值譜或連續(xù)輸出功率譜中獲得頻帶功 率。結(jié)果根據(jù)輸入單位，用適當(dāng)?shù)膯挝贿M(jìn)行表示。
 
圖12：找出指定頻帶中的功率。
頻率響應(yīng)
    進(jìn)行頻率響應(yīng)分析的目的通常是得到被測(cè)系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)（FRF）的特征。FRF表示在頻域中輸出對(duì)輸入的比例。FRF曲線是音頻設(shè)備中的典型規(guī) 范。有多種方法可以得到FRF，雙通道頻率分析可能是其中最快的方法。交叉頻譜方法根據(jù)兩個(gè)輸入生成頻率曲線，它們通常是被測(cè)單元（UUT）的激勵(lì)和響 應(yīng)。
    頻率響應(yīng)分析需要的常見(jiàn)配置要求使用UUT的寬帶激勵(lì)（通常是噪聲信號(hào)或多音高信號(hào)）。然后同時(shí)采集UUT的激勵(lì)和響應(yīng)。完成雙通道頻率分析可以獲 得UUT的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)以及信號(hào)連續(xù)性。為了改進(jìn)FRF測(cè)量，您可以對(duì)響應(yīng)取平均值，通過(guò)對(duì)FRF取平均值，您可以獲得更為精確的響應(yīng)曲線。這個(gè)方 法的優(yōu)點(diǎn)是能夠克服噪聲、失真和非相關(guān)效應(yīng)。它唯一的局限性是頻率信噪比可能比掃頻測(cè)量低。圖13展示了基于SVT從采集到的激勵(lì)與響應(yīng)中獲得波特圖的 VI。
 
圖13：使用跨頻譜方法獲得頻率響應(yīng)函數(shù)。
結(jié)論
    這里討論的測(cè)量只是LabVIEW用于音頻測(cè)量的簡(jiǎn)介。將硬件與軟件整合在一起完成整個(gè)測(cè)量過(guò)程，包括采集數(shù)據(jù)、分析與顯示。LabVIEW的強(qiáng)大功能和靈活性可以擴(kuò)展系統(tǒng)，生成多個(gè)測(cè)量結(jié)果、自動(dòng)化測(cè)試、生成報(bào)告，從而可以提高性能并且降低總成本。