运用NI LabVIEW大幅简化声音量测

声音测量需要高品质的信号取得、复杂的换算、大量的分析和多种图像式表现。本文将解释如何使用LabVIEW和其「声音及振动工具组」，来撷取、分析及呈现声音资料，包括最常用的测量结果，以及在声音测量过程中执行多种工作的LabVIEW范例也都一併提供您参考。

以LabVIEW建立延展性声音测量系统 史上第一次尝试测量声音信号，是在1627年发生的，当时Francis Bacon尝试在开放的野外测量声音的速度。虽然他的用意良好，但是因为技术的限制，无法得到有效的测量结果。到了今日，可以使用软件及硬件来协助我们分析声音信号的各种面相，而不是只有速度而已，例如LabVIEW的可程式化软件，可在短时间内开发复杂的测量。本文将说明如何达成更佳产能，同时提供延展性声音测量系统的开发步骤，而这种系统是以LabVIEW工业标准测量软件为基础。 　 　 现代的声音测量可以说是数字测量系统最艰鉅的工程之一。为了执行成功的声音测量，软件必须能够执行数种工作（像是资料换算、筛选、分析及视觉化）。从取得资料到呈现结果，LabVIEW都拥有能够确保精确测量结果的弹性及模组化特性。National Instruments以一组专为让声音及振动测量变得更容易的工具组，将LabVIEW的功能加以扩充。National Instruments硬件及软件紧密地整合，能取代许多套装的仪器，并提供更多的自订化能力及功能。

常见声音测量工作的解释 下面将提供某些常见声音测量工作的解释。本文的范例使用LabVIEW专业开发系统或完整的开发系统，有些则是使用LabVIEW「声音及振动工具组」。这些范例可以整合并建立出自订的声音测量系统。 ◆资料撷取、换算及加重 大部份的测量系统都是由某些能依据物理现象，产生电子信号的感应器或变换器开始的。测量这些电子信号，以及将它们输入电脑以进行处理的处理过程，就称为资料撷取。像是音频之类的动态信号，需要高解析度及高动态范围的数字化装置。National Instruments NI 4472提供了24位元的模拟对数字转换器，能同时在DC到45 kHz的频宽取得输入信号，以确保高解析度的测量值。图1显示LabVIEW VI的方块图和前方面板部份，最高能同步驱动14台NI 4472装置，以同时取得112个取样声道。在此例中，使用者可以设定积体电路压电激发，并以每个声道为基础搭配AC/DC。然后可将取得的资料制成图表。 　 图 1. 最高以每个取样24位元同时取得及测试112声道。 　 ◆信号换算 LabVIEW「声音及振动工具组」（SVT） 提供了高层级的VI，能够以适当的单位呈现资料 – 包括时域的资料会以正确的工程单位、频率资料会以分贝呈现等等。然而，经由资料撷取装置所取得的数据，通常与感应器的电压有线性的关系；未经处理的数据都带有正常的电压单位。信号换算是将电压数值转换为正确工程单位所必须的处理过程。SVS换算电压为EU.vi提供了简易的方法，可以将电压信号换算为像是pascals、g、m/s²等单位。换算VI是来自数字化装置的未经处理资料，以及与所使用的麦克风或感应器相关的有用数值之间的桥梁。图2显示了一个使用SVT，以对应所观察到的实际物理现象的单位范围，来呈现取得资料的VI。 　 图2. 以LabVIEW声音及振动工具组将未经处理资料换算为适当的工程单位。 　 为了获得正确的信号换算，可能必须校正系统。当测量的数值和一个标准所提供的数值之间有已知关系时，就能够完成校正。在声音测量系统需要含已知数值的外部声音来源时，通常会来自活塞发声器或音响测定器。SVT提供了能协助确保完整测量系统精确性的校正VI。 ◆加重滤波器 测量硬件通常是设计为能够在声音频带之间拥有平整响应的。就另一方面来说，人类的耳朵听到的是非线性的响应。因为在大部份的情况，最后的感应器是人类的耳朵，因此我们需要将测量的结果加以调适，以符合耳朵的模式。使用加重滤波器就是最能符合我们主观声音接收的标准方式。传统上，加重滤波器是使用模拟元件建立的，但是，SVT提供了从时间到频率资料的数字加重滤波器。图3显示一个套用了加重滤波器的VI，并与符合美国国家标准机构 （ANSI） 标准的National Instruments硬件相结合。 　 图3. 对以SVT换算的资料套用加重滤波器。

以LabVIEW进行声音测量 取得、换算并加重声音信号之后，我们现在就可以充分利用电脑的处理能力，执行复杂的信号分析了。本节说明业界中经常使用的通用声音测量值。除了简要的解释之外，还会提供一个展示如何以 SVT执行这些测量值的范例。第一个部份包含了能单独以LabVIEW完成的标准测量值；第二个部份则展示了SVT如何以简单的LabVIEW程式码，执行高层级的声音测量。 ◆单音资讯 许多声音测量的标准方法，都需要单音的激发及分析。LabVIEW提供了一个高层级的VI来撷取关于信号中的音调的重要资讯。撷取单音资讯vi可以寻找信号中最高的振幅，并计算振幅、频率及相位。这个VI也可以选择匯出撷取的音调或减去撷取音调的信号。为了获得更佳的效能，本VI也可以将搜寻范围变窄为特定的频带。图4显示撷取单音资讯vi分析一个充满杂讯的正弦波，并报告出数值。这个例子仅限于单声道分析，但是只要做出小小的变化，就可以同时分析数个声道。 　 图4. 撷取一讯号的单音频率、振幅及相位。 　 ◆均方根值（RMS） 适用于某些信号振幅还不足以构成资讯的应用领域。在许多测量领域，像是取得计算结果及功率时，都需要一个信号的均方根值 （RMS）。LabVIEW 提供了一个能够藉由平方同时发生的信号资料，轻易计算均方根值的 VI，在想要的时间内完成整合，并取得平方根值。基本平均DC-RMS.vi也能够平均由信号所计算出所需要的均方根值。这个VI也包括了提供时间视窗的选项，以便获得更佳的测量值。图5显示LabVIEW如何使用Hanning视窗，计算线性平均DC及均方根值。 　 图 5. 取得一获得信号的平均均方根值。 　 ◆增益 对音频系统所执行的基本测量之一，就是增益 （Gain）。系统会获得一个刺激信号，并产生一个响应信号。信号由系统增强的因素就是增益。在不同的频率计算一系列增益测量值时，可以产生系统的频率响应函式。图6显示依据取得的刺激和响应，计算一系统增益的基本VI。这个例子藉由计算响应的均方根值对输入均方根值的比率，来得出增益。增益也可以以刺激和响应信号的振幅比率来表示。这个例子以分贝表示增益，这是评估这种响应的通用方法。 　 图6. 以取得信号的均方根值计算系统增益。 　 ◆声道间串音 通常，串音 （Cross Talk） 是定义为从一个声道到另一个声道的信号漏损量。想进行这种测量，必须对一输入套用一个信号；然后测量该信号出现在另一个非驱动声道的数据。有许多种不同的标准，可以为不同的条件及特定的适用方式，定义这种类型的测量值。这种测量通常是以非驱动的声道对驱动声道的分贝定量所表示的。图7显示如何从两个取得的信号进行串音分析。 　 图 7. 从两个取得的信号计算串音。 　 ◆整体失真 失真（Harmonic Distortion） 是指不想要的额外信号，它的频率为输入信号的整数倍数。这种型式的失真，通常是由模拟电路所产生的，在决定音频品质时是重要的测量值。失真是以单一谐波的层级对上原始信号的层级比率来计算的。整体失真 （THD） 是输入信号的谐波所引进的整体失真的测量单位。LabVIEW包括了一个能够侦测基频的失真分析器，能计算谐波元件的振幅、测量THD，并匯出选定的信号。图8显示在LabVIEW中使用失真分析器.vi，以取得输入信号的THD。所测得的基频可以用来查验测量的状况。 　 图 8. 以LabVIEW测量整体失真。 　 ◆信号对噪音及失真比 LabVIEW SINAD analyzer.vi 中包括了另一种除了THD的测量选项。信号对噪音及失真比 （SINAD） 是输入信号的能量，对上噪音及失真能量总数的比率。音频品质也是使用SINAD测量值来评估的，因为它的结果可以让我们瞭解想要的信号，比起不想要的噪音和失真佔有多少优势。图9显示如何在LabVIEW中进行SINAD测量。在该例子中，取一个取得的信号，并计算测得的基频的频率，并以dB计算出SINAD。在其他的例子中，这个VI也可以用于取得资料的一个声道或多个声道。 　 图9. 测量信号对噪音及失真比 （SINAD）。 　 ◆整体失真加噪音 能得到一个信号的SINAD，会让其他的测量变得较为容易，例如整体失真加噪音 （THD+N），就可以轻易由SINAD计算出来。THD+N通常以百分比表示。以分贝表示的THD+N是SINAD的负数，所以需要转换，方可得到以百分比表示的THD+N。报告出测量所用的确实激讯层级是很重要的，SINAD和THD+N在所适用的刺激上是互相独立的。图10中的例子显示如何由SINAD数值，得出THD+N的百分比表示。 　 图10. 由SINAD值计算出THD + N的百分比。 　 ◆动态范围 声音系统的通用规格是动态范围 – 也就是系统中最长范围信号对最小信号的比率。动态范围可以视为信号噪音比，因为系统中最小的信号通常是噪音；主要的差别则是动态范围在出现信号时，是以系统的噪音底 （Noise Floor） 计算的。动态范围通常是以分贝表示，并可以在加重的噪音底上执行，以得到加重的动态范围。图11计算了一包含单一音调的信号的动态范围。加重可以加入SVT加重VI，以建立加重动态范围测量。 　 图11. 判断一个单一音调信号的动态范围。

LabVIEW声音及振动工具组范例 ◆声音层级测量 声音层级可能是最常见的声音测量值。声音层级乃是定义为压力的动态变化。测量值通常参考人类听觉的临界值 （通常是 20 µP），并依据对数振幅单位以dB呈现。在进行声音层级测量时，您通常会使用加重滤波器及平均法。SVT能够轻易执行各种不同类型的声音层级测量。在图12中，我们呈现了一个依据取得的资料，计算不同声音压力的测量值。您也能够进行重复的测量，以计算长时间的响应次数或相等的噪音层级。 　 图12. 使用SVT从取得的资料计算数种声音层级测量值。 　 ◆八音度分析 少量八度音分析是用来分析声音及音响信号的广泛使用技巧，因为这种分析能展现与人类耳朵响应相似的特性。它的处理过程包括透过一排带通滤波器送出时域信号，计算信号的平均方根值，并以条状图显示数值。八度音分析器的规格是由ANSI和国际电子技术协会 （IEC） 标准所定义的。带通滤波器及图形的特性，则是由所需的频带及所需的八度音部份定义的。将SVT配合National Instruments DSA板使用，就能够建立完全符合国际标准的少量八度音分析器。SVT包括了同时符合ANSI和IEC标准的VI；它们可以进行全八度音到1/24八度音的分析。图13显示了使用SVT进行1/3八度音分析。 　 图13. 依据ANSI标准进行1/3八度音分析。 　 ◆频带功率 频率测量在声音应用中是非常广泛使用的。正因如此，SVT也包括了强大的频率分析工具。包括了基频FFT、基频子集分析及缩放FFT；它们可以得出功率谱、功率谱密度等等。SVT频带功率.vi是频谱分析VI的一种。它能计算特定频率范围内的平均功率。如图14所示，您可以从功率谱、功率密度谱、度量谱或连贯功率谱得出频带功率。结果则可以依据输入单位，以适当单位呈现。 　 图14. 找出特定频带的功率呈现。 　 ◆频率响应 执行频率响应分析的目的，通常是表示系统进行测试中的频率响应函式 （FRF） 的特色。FRF代表频域中输出对输入的比率。FRF曲线是声音装置中经常可以看到的规格。有许多不同的方法可以取得FRF；双声道频率分析可能是最快的方法。跨谱技巧可以依据两种输入产生频率曲线，通常是来自测试单位 （UUT） 的刺激和响应。 频率响应分析的通常步骤，需要使用宽频刺激进入测试单位 （通常是噪音或多音调信号）。然后会同时取得来自UUT的刺激和响应。执行双声道频率分析可以取得UUT的频率响应及相位响应，以及信号的连贯性。为了改善FRF的测量值，您可以将响应平均；您所平均的FRF越多，响应曲线越精确。这种方法拥有胜过噪音、失真及非关联效果的优点。此外，这项技巧也可以极度快速，因为它可以同时测量所有相交的频率。它唯一的限制是信号噪音比可能会比较低。图15显示了从依据SVT所取得的刺激和响应获得Bode测试的VI。 　 图15. 以跨谱技巧得出频率响应函式。

总结 这里所提出的测量值只是LabVIEW在声音测量的其中一些可能性。硬件和软件可以互相整合，完成完整的测量程序 – 取得资料、分析及呈现。LabVIEW的功能及弹性，可以用来扩充系统，以产生多种测量结果、将测试自动化并产生报告，并因此得到更高的效能和较低的整体成本。（本文由NI美商国家仪器提供）