变频器自动测试系统基于生产线的音频测试

基于生产线的音频测试

介绍现代软硬件技术使工程师能够分析声音信号许多方面的特性。LabVIEW等编程软件提供了短时间内开发复杂测量应用所需的易用性、性能及强大功能。本文描述了基于LabVIEW工业标准测量软件进行音频测量系统开发的步骤，以提高生产力并保持可升级性。

现代音频测量是数字测量系统中要求最高的操作之一。若要成功进行音频测量，软件必须要能执行如数据比例缩放、滤波、分析、可视化等多项任务。从数据采集到结果显示，LabVIEW都具有确保精密测量的灵活性和模块化特点。美国国家仪器公司提供多种工具包来拓展LabVIEW的功能，使声音和振动测量更简单。NI软硬件可以无缝集成，方便替代多款箱式仪器并提供更高的自定制性和性能。下列章节将对一些常见的音频测量任务进行讲解。本文中的相关范例将使用LabVIEW专业版或完整版开发系统，某些范例将配合使用 NI声音和振动工具包。这些范例均可轻松集成到用户自定义的音频测量系统中。
数据采集、换算和加权大多数的测量系统的构架均从某些类型的传感器或变换器开始构建，它们可以根据不同的物理现象产生电子信号。测量这些电子信号并将它们输入计算机进行处理的过程称为数据采集。音频等动态信号需要高分辨率、高动态范围的数字化设备。 美国国家仪器公司的NI 4461设备提供24位模数转换（ADC）和24位数模转换（DAC），能同步采集和生成从DC到92 kHz带宽的模拟信号，确保高分辨率测量应用。图 1显示了LabVIEW VI的框图和部分前面板，它能在一个PXI系统中同步驱动17块NI 4461设备并可在多机箱系统中实现多达1,000个的同步通道。采集的数据最终被绘制到图表中。

图1. 以24位的分辨率进行1,000个通道的同步采集和波形显示信号换算
NI声音和振动工具包提供上层封装VI，以合适的单位显示数据，即以工程单位表示的时域数据、以分贝为单位的频率数据等。然而，通过数据采集设备获取的数值通常与传感器输出电压呈线形关系；而原始数据则是正常的电压单位。信号换算是将电压数值转换为正确的工程单位的必要步骤。SVS Scale Voltage to EU.vi提供了将电压信号转换为帕斯卡（Pa），g，m/s²等单位的简单方法。该转换VI是数字化仪的原始数据与麦克风和传感器采集的实际有用数据之间的桥梁。图2显示了使用声音和振动工具包的VI，将采集的数据以和真实物理现象对应的单位范围进行表示。

图2. 使用NI声音和振动工具包将原始数据转换到合适的工程单位
为了获得信号的精确比例转换关系，必须先对系统进行校正。只要了解了测量值与标准值之间的关系即可进行校准。在音频测量系统中，校准需要使用一个已知值的外部声音源，该声音源一般由活塞式发声器或声学校准器产生。声音和振动工具包提供了校准VI，用于确保整个测量系统的精度。
加权滤波器测量硬件通常被设计为在音频带宽中具有线性响应。另一方面，人耳的响应是非线性的。因为在多数情况下最终的传感器是人耳，我们需要对测量进行补偿以适应人耳模型。使用加权滤波器是描绘对声音主观感知的标准最佳方法。一般来说，加权滤波器使用模拟器件搭建；不过，声音和振动工具包针对时域和频域数据提供了数字加权滤波器。在图3是使用A类加权滤波器的VI，它可以和NI硬件结合在一起，符合美国国家标准协会（ANSI）标准。

图3. 使用声音和振动工具包中A类加权滤波器对转换后数据加权滤波
使用LabVIEW进行音频测量音频信号在采集、换算和加权之后，即可利用计算机的处理能力来执行复杂的信号分析。本部分将描述工业界常见的音频测量应用。每一个应用都将提供简单描述和范例代码，演示如何通过声音和振动工具包来实现这些测量。
单频信息音频测量的几个标准方法中都需要激励和分析单音频信号。NI声音和振动工具包提供了Express VI来提取信号中某个音频信号的重要信息。Tone Measurement Express VI能够找到信号中幅值最大的音频信号部分并计算其幅值及频率。该VI还可导出频谱并进行附加音频分析。为了获得更好的性能，VI还能将搜索范围缩小到某一个特定频带。图4显示了如何使用Tone Measurement Express VI分析噪声正弦波并显示分析结果。该范例是单通道的分析，但该VI也能够同步分析多个通道。

图4. 提取信号中单音频信号的频率和振幅
RMS对于某些特定应用，仅知道信号的幅值是不够的。在许多诸如增益和功率的测量应用中，均方根值（rms）的计算是必须的。NI声音和振动工具包提供了可以计算rms的VI，该VI通过对瞬时信号数据的平方在所需时间上积分，再开根号计算得到rms值。Amplitude and Level Express VI也可用于对信号的rms值求平均。该VI还提供时间窗口功能以帮助用户获得更好的测量效果。图5显示了如何在LabVIEW环境下使用Hanning窗计算经过线形平均的DC和rms值。

图5. 获取采集信号的平均rms值
增益是音频系统中进行的基本测量之一。系统将获得一个激励信号并产生响应信号。系统中放大信号所用的系数即为增益。当对于不同频率计算一系列增益值时，我们可以产生系统的频率响应函数。如图6所示，声音和振动工具包中的Gain and Phase VI根据采集到的激励和响应信号计算出系统的增益。增益可表达为激励和响应的线形比值或以分贝形式表示，这是评估响应的一种常用方法。

图6. 根据采集信号计算系统增益
通道间串扰一般来说，串扰是指通道间信号的泄漏现象。为了进行该测量，我们需要将信号连接到一个输入端口，在另一个未驱动通道上测量该信号。针对不同环境和特定应用，有多种不同标准可以来定义这类测量。该测量结果一般以未驱动通道与驱动通道的信号幅值的比值来表示，单位为分贝。图7显示了声音和振动工具包中的Crosstalk VI。

图7. 计算两路采集信号的串扰
总谐波失真是信号中不希望存在的部分，其频率是输入信号频率的整数倍。这种类型的波形失真通常由模拟电路产生，它是决定音频质量的重要测量参数。谐波失真以信号谐波强度与原始信号强度的比值来描述。总谐波失真（THD）表示由输入信号的谐波引起的总体失真。
信号与噪声+失真比THD测量的另一个选择为LabVIEW SINAD analyzer.vi。信号与噪声及失真比（SINAD） 是输入信号能量与总的噪声和谐波失真能量的比值。音频质量也可以用SINAD测量来评估，因为它的结果表明了所需信号与噪声和失真相比处于怎样的主导地位。
总谐波失真+噪声获取了信号的SINAD后，其它的测量就变得更简单了，比如说，总谐波失真+噪声（THD+N）可以轻松地从SINAD中计算获得。THD+N通常以百分比的形式表示。以分贝为单位的THD+N是SINAD的负值，因此需要一种转换方法以获取THD+N的百分比表示形式。我们需要获得测量中激励信号的真实强度，SINAD和THD+N都取决于所应用的激励信号。

图8. 使用LabVIEW测量总谐波失真（THD）、信号与噪声+失真比（SINAD）、以及总谐波失真+噪声（THD+N）
动态范围音频系统的常见参数规范之一就是动态范围——系统满量程信号与最小信号的比值。动态范围也可视为信噪比，因为系统中的最小信号往往是噪声，主要差别在于当有信号存在时，动态范围根据系统的噪底计算得到。动态范围的单位通常是分贝，也可通过加权噪底以获得加权动态范围。如图9所示，计算了一个单音频信号的动态范围，而我们也可以通过声音和振动工具包中的加权VI来创建A类加权动态范围测量。

图9. 确定单音频信号的动态范围
声音强度可能是最常见的音频测量应用。声音强度定义为声压的动态变化。此测量一般参考人耳听力的阈值（一般为20 µP） ，并根据振幅的对数表示，以dB为单位。进行声音强度测量时，往往需要配合使用加权滤波器和平均。声音和振动工具包能够轻松执行各类声音强度测量。在图10的范例中，根据采集到的数据进行多种声压测量。我们也可以在一长段时间内，执行多次测量来计算回响次数或等效噪声强度。

图10. 使用声音和振动工具包中的Sound Level  Express VI根据采集数据进行多种声音强度测量
倍频程分析分数倍频分析是一种广泛使用的、用于分析音频和声音信号的技术，因为该分析的特性与人耳类似。分析过程包括：在带通滤波器的频段发送时域信号，计算信号平方的平均值，将结果值显示在条状图中。倍频分析的规范由ANSI和国际电工委员会（IEC）定义。滤波器和图表的属性由所需频率带宽和倍频分数定义。使用声音和振动工具包搭配NI DSA板卡可用于创建完全符合国际标准的分数倍频分析器。声音和振动工具包中包含符合ANSI和IEC标准的VI，它们能以全倍频到1/24倍频进行分析。图11显示了使用声音和振动工具包进行的1/3倍频分析的例子。
 图11. 进行基于ANSI标准的1/3倍频分析
带内功率音频应用中经常进行频率测量。针对此情况，声音和振动工具包包含了进行频率分析的强大工具。这些工具包括基带FFT、基带子集分析和Zoom-FFT；它们可用于获得功率谱和功率密度谱等。声音和振动工具包的Power in band.vi是一个频率谱分析VI。它能计算特定频率范围之内的总功率。如图12所示，您可以从功率谱、功率密度谱、强度频谱或相关输出功率频谱中获得频带功率。相关结果将根据输入单位以合适的形式显示。

图12. 寻找特定频率带中的功率
频率响应进行频率响应分析的目的一般是为了描述测量系统的频率响应函数（FRF）的特性。FRF为频域下输出与输入的比值。FRF曲线是音频设备的常用参数规范，目前有多种获得FRF的方式；双通道频率分析可能是最快的方法。互谱法根据两个输入生成频率曲线，一般为被测元件（UUT）的激励信号和响应信号。频率响应分析的常见设定需要将宽带激励信号作用到 UUT（通常为噪声或多频信号）。UUT的激励信号与响应信号被同步采集。双通道频率分析可获取UUT 的频率响应和相位响应以及信号的相关性。为提高FRF测量性能，可对响应信号求平均，FRF的平均长度越长，响应曲线的精度就越高。该方法能够有效克服噪声、失真及非相关效应。此外，该技术的计算速度极快，因为它能够同时测量所有感兴趣的频率。该方法的唯一缺点是，其信噪比低于相对应的扫频测量。图13显示了通过声音和振动工具包的VI根据采集的激励信号和响应信号中绘制波特图的例子。

图13. 通过互谱法获取频率响应函数
结论本文中提及的测量应用仅仅是LabVIEW可以进行的音频测量的一个大致介绍。需要集成软硬件以完成整个测量过程，包括数据采集、分析和显示。LabVIEW与 NI声音和振动工具包的强大功能和灵活性可用于扩展系统以进行多种类型的测量、自动测试、报告生成等功能，从而实现更佳的性能和更低的总成本。