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概覽
音頻測量是要求最高的任務(wù)之一，它需要高質(zhì)量的信號采集、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量應(yīng)用提供了新的可能性。利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計算機(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量。本文描述了如何使用LabVIEW以及聲音與振動工具包對音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析與顯示。我們將會演示最常見的測量以及在音頻測量過程中完成多個任務(wù)的LabVIEW代碼。
介紹
世界上第一次嘗試對音頻信號的測量發(fā)生在1627年，F(xiàn)rancis Bacon試圖測量開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，他沒有能夠得到有效的測量結(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)的聲音信號的許多特性。諸如 LabVIEW等編程軟件讓我們能夠在短時間內(nèi)，利用易用、強(qiáng)大的功能開發(fā)復(fù)雜的測量應(yīng)用。本文描述了開發(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)測量軟件進(jìn)行開發(fā)。
現(xiàn)代音頻測量是數(shù)字測量系統(tǒng)要求最高的任務(wù)之一。要成功完成音頻測量，軟件必須能夠完成多個任務(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具有確保精確測量的靈活性與模塊性。NI提供了為簡化聲音與振動測量而設(shè)計的工具包來擴(kuò)展LabVIEW功能。NI硬件與軟件能夠無縫整合在一起，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)對音頻測量中的常見任務(wù)進(jìn)行了一般性解釋。本文中的實例使用LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)專業(yè)版或開發(fā)系統(tǒng)完整版開發(fā)，其中部分使用 LabVIEW聲音與振動工具包。這些實例可以方便地整合到定制的音頻測量系統(tǒng)中。
數(shù)據(jù)采集、換算與加權(quán)
大多數(shù)測量系統(tǒng)都包含按照一定物理現(xiàn)象產(chǎn)生電子信號的傳感器。測量這些電子信號并將它們輸入到計算機(jī)進(jìn)行處理的過程成為數(shù)據(jù)采集。例如音頻等動態(tài)信號需要使用高分辨率和高動態(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的模擬信號以確保高分辨率的測量結(jié)果。圖1是一個LabVIEW VI的程序框圖和部分前面板，它在一臺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112個通道進(jìn)行同步采樣和繪圖。
信號換算
LabVIEW聲音和振動工具包（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。信號換算是將電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換為正確的工程單位的過程。SVS Scale Voltage to EU.vi提供了將電壓信號變換為例如帕斯卡、g、m/s²等單位的簡單方法。換算VI是來自數(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應(yīng)于實際觀察到的物理現(xiàn)象的數(shù)值。
圖2：使用LabVIEW聲音與振動工具包將原始數(shù)據(jù)換算為合適的工程單位。
為了得到信號的精確換算，需要對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。在被測數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值之間存在已知關(guān)系時，可以進(jìn)行標(biāo)定。在音頻測量系統(tǒng)中，標(biāo)定過程需要一個已知數(shù)值的外部聲音源，它通常來自活塞發(fā)聲器或聲學(xué)標(biāo)定器。SVT提供了標(biāo)定VI，它能夠確保整個測量系統(tǒng)的精度。
加權(quán)濾波器
測量硬件通常被設(shè)計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)。因為在許多情況下，最終的傳感器是人耳，我們需要對測量按照人耳模型進(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，SVT提供了時域數(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，符合美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會（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)行音頻測量
在完成音頻信號的采集、換算與加權(quán)之后，我們現(xiàn)在可以利用計算機(jī)的處理能力完成復(fù)雜的信號分析。本小節(jié)描述了行業(yè)中所使用的常見音頻測量。在簡單的說明之后，我們將給出演示如何使用SVT進(jìn)行這些測量的實例代碼。第一部分涵蓋了僅僅使用LabVIEW就能夠完成的標(biāo)準(zhǔn)測量；第二部分演示了借助SVT 如何使用簡單的LabVIEW代碼進(jìn)行高級音頻測量。
單頻信息
音頻測量中的多種標(biāo)準(zhǔn)方法需要利用單音頻信號進(jìn)行激勵和分析。LabVIEW提供了從信號中提取關(guān)于一定音頻的重要信息的高級VI。Extract Single Tone InformaTIon.vi可以找出信號中幅值最大的頻率成分，并且計算其幅值、頻率和相位。這個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的選項。此VI還可以在某個頻帶內(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 對帶有噪聲的正弦波信號進(jìn)行分析的結(jié)果。這個范例僅限于對單通道信息進(jìn)行分析，但只要稍加修改，即可實現(xiàn)對多個通道信號的同步分析。
圖4：提取信號中單音頻的頻率、幅值和相位。
