金凯博声音分辨可视化系统实验
作者:黄仲文
应用领域：研究和开发
使用的产品：PCI-6023E;SCXI-1349;SCXI-1000;SCXI-1531;PCMCIA-6062E;Shielded
Cable;LabVIEW7.0
挑战：使用NationalInstruments系列产品，开发了一套多通道的性价比高的声源识别可视化系统。对测量面(全息面)上复声压的测量，用声全息声场重建技术，较高精确度对声源进行可视化识别。应用方案：基于LabVIEW声源识别可视化系统对多通道进行同步采集和大容量数据进行高速处理，在平行测量面的面上，利用声全息技术重建声压、法向粒子速度和声强等声学参数，以图形的方式直观地判别声源的位置、大小以及噪声的传播路径。
介绍:机器噪声是设备机械振动通过弹性媒质向外界传播的结果，噪声蕴含着机器状态的重要信息。如果机器噪声信号发生了突然变化，则往往说明机器有了故障。计算机图形学发展，使声源识别可视化成为可能。声源识别可视化不仅有助于我们对声场辐射和散射的了解，而且能极大推动声场的进一步研究，在对噪声减噪消噪的应用上具有重要的意义。LabVIEW是美国NI(NationalInstrumentCompany)公司推出的一种基于图形编程语言的虚拟仪器软件开发工具。它具有灵活程序调试功能，提供了PCI、PXI、VXI、USB等仪器通信总线标准功能函数，能有效地与DLL、DDE、ActiveX等进行链接等。基于LabVIEW虚拟仪器图形编程语言，大大减少了测试的硬件设备、软件开发的周期。这种图形化语言已经广泛地应用在测量测试、数据采集、仪器控制及数据处理分析等领域中。
1.声源识别可视化的原理
声源识别可视化是将声场中声压、声速、声强等以图形的方式显示出来，从而可以直观的判别声源的位置、大小以及噪声的传播路径，为控制噪声提供了良好的基础。如何高效地获得声场的数据是可视化声源识别方法的关键。近二十年来发展起来的声全息方法，为可视化声场提供强有力的工具。声全息是通过声源或振动体表面(测量面与辐射面距离d远小于辐射波长)辐射声场的全息测量数据，然后通过变换技术重建三维空间声压场、振速场、声强矢量场，以获得声源外形或内部结构可见像的方法和技术。声全息技术与以往声源辨识技术相比，不仅利用了声的强度信息，而且还利用了声的相位信息，因而具有其他噪声识别技术所不具有的特点。声全息已被广泛应用于噪声源的定位与识别，特别是低频场声源特性判别，结构的声辐射、声散射研究等。
3.声源识别可视化系统组成
声源识别可视化系统连接见图1，主要由以下组成：NI四插槽SCXI-1000箱体，在插槽上插有SCXI-1531加速度信号调理模块，通过转接头用并行线连接到插上PCI-6023E采集卡的台式计算机上，或连接到插有PCMCIA-6062E采集卡的便携式电脑上。SCXI-1531是通道数为8单端输入或差分输入加速度模块，它对来自传感器的信号进行放大、隔离、滤波、激励、线性化等信号调理。PCI-6023E为多功能数据采集卡(DAQ)，16路单端/8路差分模拟输入，12位精度，可以以200K进行数据采集与磁盘写入。PCMCIA-6062E采集卡是64路单端/32路差分模拟输入，具有12位精度，可以以500K进行数据采集与磁盘写入。上面两种采集卡的类型都为模拟输入，通过多路开关(MUX)、放大器、采样保持电路以及A/D，把一个模拟信号就可以转化为数字信号。NI-DAQ卡将采集卡上的数据直接传送到计算机内存里，同时与CPU并行工作，保证了数据采集的连续性，从而达到高速动态数据的实时采集目的。为了驱动和控制采集卡，
NI公司提供的工具软件-Measurement&AutomationExplorer3.0，该软件能对NI公司的硬件进行配置和测试，例如执行系统测试和诊断、增加新通道和虚拟通道、设置测量系统的方式、查看所连接的设备等。
4.声源识别可视化系统功能
基于LabVIEW图形化的编程方式，直接简便，使得程序更加方便，降低恶劣程序的开发难度，减少了程序开发的时间。LabVIEW程序包含两个主要组成部分，一个是前面板(FrontPanel)，另一个是图形化框图(BlockDiagram)。前面板主要是生成的虚拟一起的交互式人机界面，可以用来模拟真实仪器的面板，前面板上有输入参数的控制量和显示输出结果的指示量。框图程序中，用数据流的连线连接前面板上控制量、指示量、结构、以及各种函数的节点，实现仪器要完成的功能。为了使采集分析系统的界面一目了然，层次清晰，选用方便，该系统开发为菜单形式。声源识别可视化系统采集界面见图2。下面介绍该系统主要的一些功能模块。
图2声源识别可视化系统采集界面
4.1采样设置
采样通道为：1～16个通道，可以进任意选择通道。对所选通道进行标定。该系统数据采集的实时频率跟采集的选择通道数量有关，若全选16个通道，最高采样频率为18k;只选一个通道采样时，可以达到125k。
4.2数据保存与读入
该采集系统设置了两种数据存储和读入文件类型：ASCⅡ码文本格式和Binary二进制格式。
采用文本格式存储可读性强，但文件存储占用量较为庞大。二进制格式占用量小，在读写操作中无需数据转换过程，使得存储和读入的性能达到最高，但它无法用字处理程序查看，也无法被不具有详细文件格式信息的程序所读取。当数据采集点数采集到设定值时，前面板有一提示标志(颜色由绿变红)。在保存文件的文件头加入了采集日期时间、分析带宽、数据长度等信息，便于数据采集后的读取与处理。
4.3显示与数据回放
可以实时显示采集通道的信号，标出所选的通道号;当信号值过大或过小时，通过选择电压幅值范围进行调整;当数据采集结束时或数据读入时，可选择数据功能进行回放，对采集的信号可以进行放大和缩小进行观察，或者选用标签进行逐点观察。
4.4分析
该系统可进行在线分析和离线分析。当采集或读入是多通道数据后，进行时域分析，可以得平均值、方差值、最大值、最小值、峰-峰值等;选用不同的窗函数，对采集数据进行频域分析，显示功率谱波形，得采集信号的基频等;显示测试面上复声压值，用测量值重建声场中某一位置的声压值。
4.5打印与帮助
对分析后的分析参数和分析结果进行打印。通过菜单的帮助，获取该系统的操作帮助和使用
说明信息。实时帮助对界面的所有控件、设置及其操作步骤进行了详细解释;使用说明对该采集系统的使用步骤及其
一些注意事项进行介绍。通过帮助提高了该系统的可操作性，并减少了操作失误。
5.功能测试与试验
5.1采集系统测试
用型号为GFG-8016G的信号发生器产生的正弦信号(频率为84Hz)进行测试。任意选取1～16通道中的4个通道为Ch-01、Ch-03、Ch-09、Ch-14，设置采样带宽为1000Hz，采样数据长度为4096点。实时地信号数据进行采集，采集过程见图2。采样点到达设定值，红灯显示;在暂停的状态下，对采集数据进行分析或存储。对Ch-01采集数据进行时域分析，结果见图3(已放大的时域图);频域分析结果见4。测试结果表明：该采集系统具有全新数据采集和信号处理界面，功能强大，操作简便，示波、采集、分析、打印、保存等多功能完美集成，给测试带来极大的便利。
图3时域分析
图4频域分析
5.2声源识别可视化测试
声全息技术的关键是获取全息测量面上的多点复声压，即声压的幅值及声压的相位。测量面
的两坐标轴方向的长度至少应大于所关心区域的对应长度的两倍。声压测量面越大，重建效果越好，但也带来数据量过大、测量耗时、测量系统高等问题。声压测量面越小，将会影响重建的质量。测量复声压采用快照法(snapshotmethod)，它以多个传声器阵列组成平面接受阵，一次测量完成全息面上的复声压数据的采集;它的特点是采集的数据精度高、速度快、不要求噪声源具有相干性，对声信号瞬变系统非常适用。
试验1：有一脉动球声源，球半径为0.1m，振动频率为100Hz，空气密度为1.29kg/m，
声速为340m/s，球表面振动速度为2.5m/s。采样平面是网格长度为0.05m的1.6m×1.6m表面。采样平面与球声源中心的距离为0.5m。利用采样平面采集数据，重建与球声源中心的距离为0.6m的声压值(图5)。图6是0.6m的理论声压值。图7为重建声压值与理论值的相对误差值。
试验2：是两个球心相距0.5m、振动频率为100Hz、并以相同的振幅而相位相反的两小脉
动球声源;空气密度为1.29kg/m，声速为340m/s，球表面振动速度均为2.5m/s。测量面是网格长度为0.05m的1.6m×1.6m表面。测量面距离源中心面为0.8m。图8、图9、图10分别为重建距离为0.6m的重建值与理论值的误差值、重建声压值距离及理论声压值。
通过对脉动声源和声偶极子源的试验，可以得出：尽管重建值与声压值有较小误差，这误差
由各种噪声(环境噪声、系统电噪声等)、测量误差及系统误差而引起的;但是从声源识别效果,上已经相当的精确，达到声源识别可视化的目的。
图5脉动球重建声压值图6脉动球理论声压值
图7脉动球理论与重建误差值图8声偶极子理论与重建误差值
图9声偶极子重建声压值图10声偶极子理论声压值
6.结论
基于LabVIEW声源识别可视化系统具有操作灵活、功能全、分析精度高特点，基本满足了对声信号采集和分析的要求，真正地体现了“软件就是仪器，仪器就是软件”的思想。这对进行声场声压测量、分析及识别复杂噪声源具有普遍的指导意义和应用价值。