美國國家儀器有限公司

概覽

音頻測量是要求較高的任務之一，它需要高質量的信號采集、復雜的換算、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用提供了新的可能性。利用工 業標準計算機的強大性能和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據進行采 集、分析與顯示。我們將會演示較常見的測量以及在音頻測量過程中完成多個任務的LabVIEW代碼。

介紹

世界上第一次嘗試對音頻信號的測量發生在1627年，Francis Bacon試圖測量開放空間中聲音的速度¹。雖然他的 想法很好，但是由于技術上的局限性，他沒有能夠得到有效的測量結果。現在，我們使用軟件和硬件能夠分析包括速度在內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，利用易用、強大的功能開發復雜的測量應用。本文描述了開發提供更高性能和可擴展性音頻系統的步驟。系統將 基于LabVIEW工業標準測量軟件進行開發。

現代音頻測量是數字測量系統要求較高的任務之一。要成功完成音頻測量，軟件必須能夠完成多個任務（例如數據換算、濾波、分析與可視化）。從采集數據到顯示 數據，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計的工具包來擴展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。

下一小節對音頻測量中的常見任務進行了一般性解釋。本文中的實例使用LabVIEW開發系統專業版或開發系統完整版開發，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中。

數據采集、換算與加權

大多數測量系統都包含按照一定物理現象產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進行處理的過程成為數據采集。例如音頻等動態信 號需要使用高分辨率和高動態范圍的數字化設備。NI 4461設備提供了24位模數轉換(ADCs)以及24位數模轉換(DACs)，可以同步采集并產生帶寬從直流到92kHz的模擬信號以確保高分辨率的測 量結果。圖1是一個LabVIEW VI的程序框圖和部分前面板，它在一臺PXI系統中使用17塊4461設備進行同步數據采集。當使用多PXI機箱系統的時候，同步通道數可達到1000以 上。采集到的數據繪制在圖表中。

圖1：以每采樣24位的精度對112個通道進行同步采樣和繪圖。

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據，包括以工程單位表示的時域數據和以分貝為單位的頻域數據等 等。然而，使用數據采集設備采集到的數值往往與傳感器的輸出電壓呈線性關系，原始數據通常是以電壓為單位進行表示。信號換算是將電壓數值轉換為正確的工程 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是來自數字化儀的原始數據與正在使用的麥克風或傳感器相關的有用數 值之間的橋梁。圖2給出了使用SVT表示數據的VI，它使用合適的單位范圍表示對應于實際觀察到的物理現象的數值。

圖2：使用LabVIEW聲音與振動工具包將原始數據換算為合適的工程單位。

為了得到信號的精確換算，需要對系統進行標定。在被測數值與標準數值之間存在已知關系時，可以進行標定。在音頻測量系統中，標定過程需要一個已知數值的外部聲音源，它通常來自活塞發聲器或聲學標定器。SVT提供了標定VI，它能夠確保整個測量系統的精度。

加權濾波器

測量硬件通常被設計為在音頻帶寬中具有線性響應。另一方面，人耳具有非線性性響應。因為在許多情況下，較終的傳感器是人耳，我們需要對測量按照人耳 模型進行補償。使用加權濾波器是描述聲音主觀感知的較佳標準方法。加權濾波器通常使用模擬組件進行構建，不過，SVT提供了時域數據與頻域數據的數字加權 濾波器。圖3是使用加權濾波器的VI，它和NI硬件結合在一起，符合美國國家標準學會（ANSI）的標準。

圖3：將加權濾波器應用于SVT的換算數據。

使用LabVIEW進行音頻測量

在完成音頻信號的采集、換算與加權之后，我們現在可以利用計算機的處理能力完成復雜的信號分析。本小節描述了行業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就能夠完成的標準測量；第二部分演示了借助SVT 如何使用簡單的LabVIEW代碼進行高級音頻測量。

單頻信息

音頻測量中的多種標準方法需要利用單音頻信號進行激勵和分析。LabVIEW提供了從信號中提取關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較大的頻率成分，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進行更細分的搜索，以獲取更準確的結果。如圖4所示，為Extract Single Tone Information.vi  對帶有噪聲的正弦波信號進行分析的結果。這個范例僅限于對單通道信息進行分析，但只要稍加修改，即可實現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。

RMS

對于一些應用而言，信號幅值并不能提供足夠信息。在例如需要計算增益與功率、信號均方根值等許多測量中，LabVIEW提供了可以通過對瞬間信號數 據取平方、對給定時間進行積分、計算開根號結果功能方便地計算均方根數值。Basic Averages DC-RMS.vi還能夠對對信號計算得到的均方根數值取平均值。這個VI還包含了時間窗選項，可以得到更好的測量結果。圖5展示了如何使用 LabVIEW使用漢寧窗計算線性平均直流與均方根數值。

圖5：獲得采集信號的平均均方根數值。

增益

增益是在音頻系統中進行的一項基本測量。系統取得激勵信號并產生響應信號。系統對信號進行放大的因數稱為增益。在不同頻率下計算一系列增益測量時， 能夠生成系統的頻率響應函數。圖6給出了根據采集激勵與響應，計算系統增益的基本VI。這個例子通過計算響應的均方根數值對輸入均方根數值的比例得到增 益。這個實例用分貝表示增益，它是衡量響應的常用方法。

圖6：根據采集信號計算系統增益。

通道間串擾

通常串擾定義為從一個通道向另一個通道的信號泄漏。要完成這個測量，將信號施加到一個輸入上，測量這個信號在其他非驅動通道中的大小。對于不同情況 和特定的應用，這個類型測量的定義有不同的標準。通常將這個測量表示為非驅動通道與驅動通道比例的分貝數。圖7是完成兩個采集信號串擾分析的 VI。    

圖7：計算來自兩個采集信號的串擾。

總諧波失真

諧波失真是輸入信號整數倍頻率的多余信號。這種失真通常是模擬電路產生的，在確定音頻質量中是一個重要的測量參數。諧波失真通過一定階次諧波電平對原始信號電平的比例進行計算。總諧波失真（THD）是輸入信號諧波引入的總失真的度量。

噪聲與失真信號

進行THD測量的另一個選擇包含在LabVIEW SINAD analyzer.vi中。信號噪聲及失真比（SINAD）是輸入信號能量與噪聲以及諧波中能量之和的比例。音頻質量可以用SINAD測量進行評估，因為 這個結果讓我們了解被測信號相對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

得到信號的SINAD使其他測量變得更加簡單，例如，總諧波失真加噪聲（THD+D）可以通過SINAD方便地計算得到。THD+N通常用百分比表 示。用分貝表示的THD+N與SINAD互補，所以要得到用百分比表示的THD+N需要進行轉換。激勵信號的實際電平是十分重要的，因為SINAD和 THD+N與施加的激勵信號有關。

圖8中的例子展示了如何使用聲音與振動工具包中的Tone Measurements Express VI來方便的獲得輸入信號的THD, SINAD, 以及THD+N等信息。

圖8：使用LabVIEW測量總諧波失真（THD），噪聲與失真信號（SINAD）以及總諧波失真加噪聲（THD+N）

動態范圍

動態范圍是音頻系統的常