家庭影院音响性能测试分析系统开发

王高平,皮云晗,周 攀,陈汉新

(1.武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430205；2.广东环境保护工程职业学院，广东 佛山 528216)

0 引 言

常用的音响测试系统采用对声音信号进行测量和分析，这需要昂贵、精密的测量设备和特殊的测量环境，这样才能降低噪声并提高测量精度.这在家庭音响系统的测试中难以实现.随着电脑的性能越来越强大，虚拟仪器的出现使得组建测试系统的成本大大降低.LabVIEW作为虚拟仪器中的领导者[1]，其直观的图形化编程语言深受工程师的喜爱.由于声音与振动[2]之间有着密不可分的关系，因此用振动的特性对声音进行评价，可以实现声音的立体分析.本文以LabVIEW为基础，设计了一个家庭影院音响性能测试分析系统[3].该系统能快速、准确地对音响发出的振动信号进行采集、处理和分析[4].

1 音响测试平台的构成

音响振动测试系统的硬件配置框图如图1所示.

图1 音响测试系统的硬件配置框图Fig.1 Hardware configuration of the audio test system

音响振动测试平台硬件采用QUEST VI-100振动计——它包括压电式加速度传感器和测量仪两个部分，VI-100为一台宽带振动计，它可测量位移、速度或加速度中任意一个项目的大小，并提供快速、简单的指示.它的AC输出端口主要提供振动的频率组成信号，可为示波器、数据采集卡等装置提供信号.它的各测量模式的频率响应如图2所示.

图2 VI-100各测量模式的频率响应Fig.2 Frequency response in different measurement mode of VI-100

NI公司的PXI-5105型高速数字化仪[5].它的部分性能参数如下：60 MS/s实时采样率，8通道同步采样通道，12位垂直分辨率.它的最大模拟输入电压为-15～15 V,最大电压范围的敏感度为7.3 mV；最小模拟输入电压为-25～25 mV, 最小电压范围的敏感度为12.2 μV.还有一个设备是Agilent33250A任意函数发生器.实验平台以音响为振动元件，通过软件Adobe Audition可以让它发出固定频率的声音，并可以选择正弦波、方波、三角波和反正弦波四种输出波形.测试系统的实物图如图3所示.

图3 测试系统实物图Fig.3 Chart in kind of the test system注： 1.振动计；2.音响；3.压电式加速度传感器；4.函数发生器；5.PXI-5105高速数字化仪;6.计算机

系统运行时，音响的振动由加速度传感器采集，输入到振动计中；然后，振动计的AC输出端向PXI-5105输出振动信号，与此同时，函数发生器向PXI-5105发出标准信号与触发信号.最后，多路信号经PXI-5105输入到计算机中并由LabVIEW编辑的软件继续处理.

2 平台的软件设计

本系统采用LabVIEW作为软件开发平台，来实现音响振动信号的采集、存储以及分析等功能.整个软件可以分为几个部分：在线监测、时域分析、频域分析以及频率校准等[6].图4为该系统软件结构图.

2.1 软件运行顺序

本系统主要采集音响振动时产生的信号和函数发生器产生的标准信号，因此程序的设计可以放在一个While循环中分两帧完成.程序开始运行时，首先在循环外初始化33250A和PXI-5105，然后进入循环运行第一帧程序，如图5所示，即设置函数发生器的输出波形参数并让它输出波形.

图4 测试平台软件结构Fig.4 Software structure of the test platform

接着运行第二帧程序.首先进行数据采集如图6所示，用NI-SCOPE subVI编写程序，设置数据采集与采样通道等参数，包括竖直方向参数：幅值范围、输入方式、输入阻抗；水平方向参数：采样率、采样长度以及记录文件数量等；由于本系统用函数发生器的同步信号作为采样触发，所以选择数字边缘相对触发模式，触发源为PFI1.在这部分程序中，可以添加一些数据处理的程序，如波形显示、数据存储、信号分析等，如图7所示.

2.2 频域分析模块

在对采集到的音响振动信号和标准信号进行分析时，首先通过加窗处理来抑制频谱的泄漏.由于窗函数一般取为x(n)中间大两头小的光滑函数，这样的冲击响应所对应的滤波器具有低通特性，其带宽和频率响应取决于窗函数的选择.用得最多的三种窗函数是矩形窗、海明(Hamming)窗和汉宁(Hanning)窗.

图5 第一帧程序图Fig.5 The first frame of program graph

图6 第二帧程序图Fig.6 The second frame of program graph

图7 数据处理部分Fig.7 Data processing part

2.2.1 自功率谱分析 功率谱分析主要研究信号在频域中的各种特征，目的是提取有限数据在频域内被淹没在噪声中的有用信号，包括自功率谱和互功率谱.实际信号分析中常常利用FFT(快速傅里叶变换)把信号从时域变换到频域.信号x(t)经过离散采样后得到长度为T的信号序列{x(n)}，(n=0,1,2…,N-1)，首先进行FFT运算，得到

(1)

在此基础上，由共轭运算计算信号的自功率谱

SXX(f)=X*(f)X(f)

(2)

式(2)中X*(f)为X(f)的共轭复数.

2.2.2 频响函数分析 利用FFT把时域数据序列x(t)、y(t)变换成为相应的频域数据序列X(k)、Y(k)；求出信号的自功率谱密度和互功率谱密度Sxx(k)、Sxy(k)；根据式(3)可求出系统的频响函数.

(3)

图8为实现频响函数和相干函数分析的程序图.x(t)接线端连接振动信号；y(t)接线端连接函数发生器信号.

图8 频响函数分析程序图Fig.8 Frequency response function analysis program graph

2.3 信号的时域分析

信号的时域分析包括自相关分析与互相关分析[7]，指的是变量之间的线性关系.自相关函数Rx(τ)是描述一个时刻的取值与另一个时刻的取值之间的依赖关系，可表示为

(4)

互相关函数Rxy(τ)是表示两组数据之间依赖关系的相关统计量 ，可表示为

(5)

2.4 频率校准

振动源的频率校准需要借助函数发生器的标准信号，并利用软件Adobe Audition控制音响发出特定频率的声音.运行程序时，以上两路信号同时被采样，经FFT变换后即可观察到两路信号在频域上的吻合程度，实现频率的校准.图9为FFT变换程序图.

图9 FFT变换程序图Fig.9 FFT transform program graph

3 实验结果与系统分析

3.1 实验结果

为了检验测试系统的功能及其有效性，利用图3构成的硬件系统进行了测试实验.该实验分两步进行.第一步进行频率校准实验[8]，分别设定音响发出80 Hz、90 Hz、100 Hz、110 Hz、120 Hz的声调，同时函数发生器的输出波形设置与之对应，幅值设为0.1 V.为检测音响在每个方向上的振动是否一致，在每个频率上分别测试X、Y、Z轴三个方向的振动频率以及幅值[9].实验结果表明：音响仅在设定频率处有较大幅值，其他频率上没有明显幅值，例如80 Hz的校准结果,如图10所示.表1为特定频率上的幅值统计结果.

图10 80 Hz校准结果Fig.10 80 Hz calibration results注：

频率/Hz幅值/VX方向Y方向Z方向800．0870．0380．047900．0480．0360．0401000．0190．0290．0311100．0070．0220．0201200．0110．0160．013

实验第二步进行信号分析.图10～13分别显示的是在80 Hz特定频率Z轴方向的原始波形图、振动信号的自功率谱、频响函数分析以及相关分析[10].

图11显示的是数据采集卡采集到的原始振动信号与函数发生器发出的标准信号在时域上的显示；图12为振动信号的自功率谱；图13是振动信号对于标准信号的频响函数分析；图13是振动信号的相关分析.

图11 原始波形图Fig.11 Original waveform diagram注：

图12 振动信号的自功率谱Fig.12 Self-power-spectrum of the vibration signal

图13 振动信号的频响函数分析Fig.13 Frequency response function analysis of the vibration signal

图14 振动信号的相关分析Fig.14 Correlation analysis of the vibration signal

3.2 系统精度与效率分析

由振动计VI-100各测量模式的频率响应(见图2)可知，振动计在测100 Hz左右这种低频率的振动时应该用位移模式.实验结果表明：测得的振动幅值范围在0.01～0.1 V之间，符合振动计的频率响应范围[11].根据PXI-5105的性能参数可知当输入电压范围设定为-0.1～0.1 V并且采样率设为2 000 Hz时,PXI-5105就能准确地采集到振动计和函数发生器的信号.所以该测试系统具有较高的采样精度并且实时性较好.

该系统与现有音响测试系统相比，具有以下优点：

1)使用压电式加速度传感器采集信号，这种方式与用声音测量设备采集信号相比，对发声源的测量更为准确.

2)采用虚拟仪器进行系统设计，可以实现对信号的分析多样化，并且程序的调试更加方便.

3)采用函数发生器发出校准信号，使得实验结果对比直观.

4 结 语

综上所述，利用振动计和数据采集卡作为硬件部分，以LabVIEW为基础开发软件部分来设计的音响性能测试系统测量精度高，实时性好，测量所得信号噪声小，测量分析结果能反应音响的基本性能.且系统对测量环境的要求低，不需要隔音降噪设施也能获得较好的测试结果，为家庭影院的音响性能分析提供了一种新的方法.

致谢

在系统的开发过程中得到了湖北省教育厅留学回国人员科研启动基金的资助，在此表示衷心感谢！

参考文献：

[1] 赵华.虚拟仪器在机械振动测试平台设计中的应用[J].煤矿机械,2012,33(1)：17-20.

ZHAO Hua. Application of Virtual Instrument in Design of Mechanical Vibration Test Platform[J]. Coal Mine Machinery,2012,33(1):17-20. (in Chinese)

[2] 师汉民. 机械振动系统[M]. 武汉：华中理工大学出版社，1992.

SHI Han-min. Mechanical Vibration System-Analysis o Measurement o Modeling o Control[M]. Wuhan: Hua zhong University of Science and Technology press, 1992. (in Chinese)

[3] 李德葆，陆秋海. 工程振动试验分析[M]. 北京：清华大学出版社，2004.

LI De-bao,LU Qiu-hai. Engineering Vibration Experimental Analysis[M]. Beijing：Tsinghua University Press, 2004. (in Chinese)

[4] 陈汉新,张琰,刘岑. 线性自适应小波理论的齿轮箱故障诊断方法[J].武汉工程大学学报,2012,34(12):44-49.

CHEN Han-xin, ZHANG Yan, LIU Cen. Fault detection of gearbox by linear combination of adaptive wavelets[J], Journal of Wuhan Institute of Technology, 2012,34(12): 44-49. (in Chinese)

[5] 张彦铎,陈驰,于宝成,等. 高速图像采集系统的研制[J]. 武汉工程大学学报,2013,35(5)：67-72.

ZHANG Yan-duo, CHEN chi, YU Bao-cheng,et al. Development of high-speed image acquisition system[J]. Journal of Wuhan Institute of Technology, 2013,35(5): 67-72. (in Chinese)

[6] 佟德纯，姚宝恒. 工程信号处理与设备诊断[M]. 北京：科学出版社，2008.

TONG De-chun,Yao bao-heng. Engineering Signal Processing and Equipment Diagnosis[M]. Beijing： Science Press, 2008. (in Chinese)

[7] 臧观建,刘正平. 基于LABVIEW 的联合时频分析[J]. 华东交通大学学报，2007，24(4)：121-124.

ZANG Guan-Jian, LIU Zheng-ping. The Joint Time Frequency Analysis Based on LabVIEW[J]. Journal of East China Jiaotong University, 2007,24(4): 121-124. (in Chinese)

[8] Eddy Bøgh Brixen. Audio Metering: Measurements, Standards and Practice[M]. Amsterdam: Focal Press, 2010.

[9] 许钢,林园胜,胡天水,等. 虚拟仪器技术在温度采集系统中的应用[J]. 武汉工程大学学报,2013,35(7)：81-86.

XU Gang，LIN Yuan-sheng，HU Tian-shui，et al. Application of virtual instrument technologyin temperature acquisition system[J].Journal of Wuhan Institute of Technology, 2013,35(7)：81-86. (in Chinese)

[10] 张彦铎,邓超,于宝成, 等.图像跟踪器性能检测设备的设计与应用[J]. 武汉工程大学学报,2013,35(6)：44-49.

ZHANG Yan-duo, DEN Chao, YU Bao-cheng, et al. Design and application of testing equipment ofimage tracker performance[J].Journal of Wuhan Institute of Technology, 2013, 35(6): 44-49. (in Chinese)

[11] 舒安庆,张鹏,丁克勤, 等. 事故树分析法在港机故障检测中的应用[J]. 武汉工程大学学报,2013,35(6)：62-66.

SHU An-qing, ZHANG Peng, DING Ke-qin, et al. Application of accident tree analysis in portmachinery fault detection[J], Journal of Wuhan Institute of Technology, 2013, 35(6): 62-66. (in Chinese)