基于LabVIEW的噪声功率级测定系统

谢育金，黄淳，赵静仪

(汕头市质量计量监督检测所，广东汕头515041)

0 引言

机械设备在运转时，部件间的摩擦力、撞击力或非平衡力会使机械部件和壳体产生振动而辐射噪声。机械噪声过高不仅会损害操作者，而且会影响周边的环境质量。因此，一般机械产品标准中都严格限定产品噪声功率级。然而，机械产品通常体积大、组装复杂，在对其进行噪声检测时，受检验设备、检验条件等因素的影响，无法完全按照标准方法检验，难以得到稳定、准确的数值，给产品质量评价带来不便。

本文基于LabVIEW 对噪声功率级测定系统软件部分进行设计。LabVIEW 的全称是实验室虚拟仪器工程平台(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)［1-2］，是一种基于图形化编程语言的测试系统软件开发平台。基于LabVIEW 的机械产品噪声功率级测定方法，可以有效地运用LabVIEW 强大的虚拟仪器开发功能，在实现同步多点测量的同时，实时显示各测量点的声压级，并根据数学模型实时计算出平均声压级和声功率级，实现对声源现场的及时评判［3］。

本文研究实现了基于LabVIEW 的噪声功率级测定系统。在下面的讨论中，我们首先介绍该系统的硬件部分，包括所设计的信号调理电路和数据采集卡接口扩展模块等;然后叙述基于LabVIEW 对噪声功率级进行计算的步骤;第三节通过实验给出该系统对一台立式充填封口机噪声功率级的测定，并利用二维图实时显示出测量结果。

1 硬件设计

基于LabVIEW 的噪声功率级测定系统的硬件由4路驻极体电容传声器作为拾取噪声传感器，经过低通滤波器滤波之后，采用单端接入法接到USB2810A 数据采集卡上，经USB 数据传输线传输到计算机上。下面就硬件各模块进行分析。

1.1 传声器与信号调理

要实现噪声声功率的测量，首先要解决的是用何种器件将声信号转换成电信号，在测量过程中，我们先通过传声器将外界作用于传声器上的声信号转换成相应的电信号。声电换能传声器性能的优劣在很大程度上决定了噪声声功率级测量的准确性［4］。传声器按其换能原理的不同，大体可分为电动式、压电式和电容式三种类型，而一个好的传声器，应具有频率范围宽、频率响应平直、动态范围大、失真度小、灵敏度高、噪声小、电磁干扰小等特性。驻极体电容传声器是一种不需要外加极化电压的电容传声器，其具有频率范围宽、频率响应平直、灵敏度变化小、长期使用稳定性好等优点，利用其设计声级测量仪器能使测量仪器结构更紧凑、体积更小、重量更轻，便于携带。本文中使用的驻极体电容传声器灵敏度为-35dB ≈

17.8mV/Pa。

从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波等。本文所采用的数据采集卡本身具有硬件放大功能，在信号调理部分主要实现了滤波处理。

由于人耳能听到的声音频率在20 Hz ～20 kHz 之间，因此需要加一个带通滤波器，实现在这个频率范围内的滤波。基于传声器的信号采集与调理电路如下图1所示。

图1 传声器与信号调理电路PCB 图

1.2 数据采集

数据采集卡一般由多路开关、放大器、采样/保持器、A/D 转换器等组成，能实现模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等功能。挑选数据采集卡时，用户需要考虑的是根据需要选取适当的总线形式，适当的采样速率，适当的模拟输入、模拟输出通道数量，适当的数字输入、数字输出通道数量等，基于以上各因素的分析，本设计采用北京阿尔泰科技发展有限公司的USB2810A 数据采集卡。

数据采集卡USB2810A 的AD 模拟量信号输入连接器是37 芯D 型插头，如图2(a)所示。图中，AI0-AI31是AD 模拟量输入管脚，分别对应于32 个模拟单端通道，当为双端时，其AI0-AI15 分别与AI16-AI31 构成信号输入的正负两端;AGND 为模拟信号地;NC 则无定义。

为了实现USB2810A 模拟接口的扩展，我们设计了USB2810A 模拟信号输入连接器37 芯D 型接口的扩展模块，如图2(b)和(c)所示。

图2 USB2810A37 芯D 型接口及其扩展

1.3 测点分布

噪声源测量面的选择原则:在满足测量环境的要求下，尽可能提高测量准确度。测点分布方式主要有半球测量面和矩形测量面两种。在半消声室或具有良好条件的露天地域，以半球测量面为好;在声学条件较差的测量环境下，最好选用矩形测量面，且距基准体的距离尽量小。对小型机械或机器虽大但近似于立方体的机械设备进行测量时，可采用半球测量面;而对长方形机器或高大的机器进行测量时，则可采用矩形测量面［5］。

半球测量面的测点分布在面积为2πr2的测量面上，分4 个点，其中r 为测距，测距应大于或等于声源最大线性尺寸的2 倍，4 个测点距地面的高度为0.6r，距离基准体中心水平距离为0.8r，分别分布在x，y 轴上;矩形测量面测点分别分布在组成矩形测量面的5个平面上(不包括地面)，测量面与基准体的5 个平面平行，顶面上的测点在顶面的中心线上且距顶面距离为d(d 一般取1 m)，4 个侧面的测点在4 个侧面的垂直中心线上，且距基准体表面距离也为d，而距地面高度为，其中H 为基准体高度［6］。

2 软件设计

本文基于LabVIEW 对噪声功率级测定系统软件部分进行设计。用LabVIEW 开发出的应用程序被称作VI(Virtual Instrument，即虚拟仪器)，一个VI 由前面板、框图程序和图标/连接器三个基本要素组成，采用数据流驱动，具有顺序、循环、条件等多种程序结构。

经由USB 传进来的数据，因为数据采集卡的放大、滤波等操作而转换为采集设备能够识别的标准信号，在计算声功率级前需要进行信号还原。USB2810A 是LabVIEW 软件直接支持的板卡，在LabVIEW 环境中调用非常方便［2］，通过还原得到的原始瞬时声压P(t)，再由公式(1)计算出测试点的有效声压级PRMS。

式中:PRMSi为第i 测点的有效声压级，dB;K1i为第i 测点背景噪声修正值，dB;N 为测点总数。

声功率级Lw由公式(3)得到:

式中:S 为测量面面积，S0=1m2。

程序首先调用一个顺序结构，共5 帧，目的是使程序能够按照既定的顺序去执行，否则，将可能使得加载驱动跟设置数据采集卡的参数的步骤或其他步骤同时发生，引起错误。数据结构第一帧，利用USB2810_ CreateDevice 创建装置;顺序结构第二帧，通过函数USB2810_ InitDeviceAD，初始化数据采集卡的参数，包括采集通道数(由首通道、末通道决定)、量程选择、接地方式，并初始化ADBuffer 数据为0;顺序结构第三帧，利用两个while 循环的内嵌，通过函数USB2810_ ReadDeviceAD 实现读取数据采集卡上的数据，因为有4 个通道，利用USB2810A 数据采集卡ADBuffer 采集数据的排放方式，通过抽取一维数组，实现把4 路通道的数据分别拆分出来，然后通过层级计算公式(1)，(2)，(3)求出声压，再由声压求出相应的声压级，最后转换为声功率级，通过前面板显示出来，具体程序框图可由LabVIEW 生成;顺序结构第四帧，利用USB2810_ ReleaseDeviceAD 释放AD 设备，停止采样;顺序结构第五帧，利用USB2810_ ReleaseDevice 释放整个装置，框图程序结束。

3 实验

实验对象为一台立式充填封口机(长1.2 m×宽1.0 m×高1.8 m)，利用系统对声音进行采集、分析处理并显示结果。其中测点的分布模拟半球形分布方法，对数据采集卡的连接方式采用单端输入，选取± 5V 的输入量程供选择，实际每次读取的数据长度为4096，通过组件抽取一维数组，实现把每个通道的1024 个数据独立抽取出来，最后通过公式(1)，(2)，(3)转换为声功率级并以二维图的形式显示出来，如图3所示，其中横轴表示采样的时间点数，纵轴给出测定得到的声功率级。

图3 立式充填封口机噪声功率级测定结果

从实验结果可以看出，由于声源声功率各向散布比较均匀，此时各点瞬时声压基本相似，计算得到的声功率级基本维持在85 ～90 dB 之间，如图3 中通道合成声功率级所示。同时，从界面可以简单明了的看出此时系统使用的是哪几个通道、输入量程及接地方式是什么，选取的测量半径为多少等，系统界面友好。

4 结语

噪声功率级测定是一个要求高、影响因素复杂的测试工程，本文研究了基于虚拟仪器LabVIEW 的噪声功率级测定方法，实现了系统的软硬件部分。利用驻极体电容传声器采集信号，通过设计调理电路对信号进行滤波，滤波后的数据经由USB2810A 数据采集卡进入PC 机;实现了系统的软件部分，基于采集、滤波后的声压数据，经由有效声压、声压级、声功率级层级计算公式对数据进行分析，计算出噪声功率级，并利用二维图表实时显示计算结果，系统经过进一步开发可用于对机械产品噪声功率级的检验。

［1］Ghiani E，Locci N，Muscas C.Auto-evaluation of the uncertainty in virtual instruments［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2004，53(3):672-677.

［2］Bok J，Schauer P.LabVIEW-based control and data acquisition system for cathodoluminescence experiments［J］.Review of Scientific Instruments，2011，82(11)，113109-113109-6.

［3］Elmerabete J.Application of Real-Time Control System Using LabVIEW in Distance-Learning［J］.Proceedings of the 2010 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation，2010，663-666.

［4］牛锋，何龙标，许欢，等.声功率标准装置介绍及其应用［J］.南京大学学报(自然科学版)，2012，48(5):661-665.

［5］于渤.噪声源声功率级测量的进展［J］.计量学报，1985，6(3):234-240.

［6］合肥通用机械研究所.GB/T7232-1994 包装机械噪声声功率级的测定简易法［S］.