日丝堕童 日 仪器仪表用户 ｄｏｉ：１０。３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—１０４１．２０１ １．０３．０２８ 基于ＬａｂＶＩＥＷ的音频检 测系 统设计 蒋灵搏 （山东工业职业学院机电工程系，淄博２５６４１４） 摘要：利用ＬａｂＶＩＥＷ图形化开发软件。提出了一种音频信号检测系统设计方案。首先利用麦克风采集被测对象产生的音 频信号，再通过计算机的声卡转换为数字信号，最后由自制音频检测虚拟仪器实现音频信号的时域分析、频域分析及数据存 储等功能。该系统对木琴的金属音条进行了测试，由木槌击打音条来产生脉冲激振，响应信号被系统采集分析，进而得出每 根金属音条的固有频率、内耗两项参数。 关键词：音频检测；ＬａｂＶＩＥＷ；声卡；固有频率；内耗 中图分类号：ＴＰ２７４ 文献标志码：Ｂ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶＩＥＷ ＪＩＡＮＧ Ｌｉｎｇ－ｂｏ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔ￣，Ｚｉｂｏ ２５６４１４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＬａｂＶＩＥＷ ｇｒａｐｈｉｃａｌ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ａｕｄｉｏ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｅｓｔｅｄ ｂｏｄｙ ｉｓ ｆｉｒｓｔｌｙ ａｃｑｕｉｒｅｄ ｂｙ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｄ ｉｎｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｏｕｎｄｃａｒｄ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ ｓｅｌｆ—ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍｓ ｔｈｅ ａｕｄｉｏ ｓｉｇｎａｌ‘Ｓ ｔｉｍｅ—ｄｏｍａｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｆｒｅｑｕｅｎ・ ｃｙ—ｄｏｍａｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ ｄａｔａ—ｓａｖｉｎｇ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｅｓｔ ｘｙｌｏｐｈｏｎｅ’Ｓ ｍｅｔａｌ ｂａｒｓ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｓｔｒｉｋｅｄ ｂｙ ａ ｍａｌｌｅｔ ａｓ ａｎ ｉｍｐｕｌｓｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ，ａｎｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅｉｒ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ，ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｅｖｅｒｙ ｂａｒ’Ｓ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎ— ｃｙ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｒｅ ａｃｑｕｉｒｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｃｏｕｓｔｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ；ＬａｂＶＩ ＥＷ；ｓｏｕｎｄｃａｒｄ；ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ０ 引言 音频检测是目前国内外较为先进的一种无损检测新技 １ 系统硬件方案分析 术，其主要的方法原理是：利用各种材料都具有其固有频率的 本系统采用的硬件方案如图１昕示，它主要由传声器、声 特性，使其受到激励产生自由振动，材料便会发出固有频率的 卡和个人计算机几部分组成。其基本工作过程是：被测对象 声音，通过测定振动的音频参数便可预测材料的内部质量 。 受到外来激励或处在运行工作状态时产生的模拟音频信号被 如对于各种机械设备中易产生疲劳破坏的轴类零件，可借助 传声器采集，经声卡实现Ａ／Ｄ转换变为数字信号，再由计算 音频检测技术确定其共振频率、内耗值等音频参数，从而实现 机内部开发的虚拟仪器进行显示、分析、存储等。 对轴类零件的机械性能、基体组织及内部缺陷的无损检测。 早期的音频检测系统一般采用频率计、计数器等专用仪 器测量来自传声器的音频信号，并通过示波器和频谱仪等设 备对音频信号进行分析求得音频参数。这样的检测系统一般 来说，检测速度缓慢，测量误差较大，而且成本也比较高。 图１ 音频检测实验系统硬件方案 随着计算机技术的不断提高，虚拟仪器开发软件近年得 １．１传声器的测量原理及响应特性 到迅速发展，如美国ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（简称ＮＩ）公司的Ｌａｂ— 在此系统中，传声器采用个人计算机普通配置的电容式 ＶＩＥＷ软件是开发虚拟仪器的主要平台之 ，目前ＬａｂＶＩＥＷ 麦克风即可，它实质上是一个电容式位移传感器。其动极板 开发软件已在测试与测量、过程控制、工业自动化和实验室研 是一个很薄的金属膜片，厚度约０．００２５～０．０５０ｍｍ，与之正对 究等方面都得到广泛应用。借助ＬａｂＶＩＥＷ对计算机声卡的 的则为固定极板，其内部开有阻尼孔。在声压作用下，金属薄 专门操作模块及其强大的数字信号分析功能，提出开发一种 膜振动使极板间隙变化，从而引起电容变化，通过专门的测量 用于音频信号采集分析的检测系统。利用ＬａｂＶＩＥＷ编写虚 电路（如直流极化电路）转换为电压信号ｅ。输出。假设麦克风 拟仪器的程序，实现对音频信号的采集、显示、分析、存储及记 周围的压力Ｐ 在任意时刻都是均匀的，则麦克风的输出电压 录读取等功能。 ｅ。和声压Ｐ，之间的关系可由下式表示 ｊ： ７８ ＥｌＣ Ｖｏｌ。１８ ２０１１ Ｎｏ．３ 欢迎光临本刊网站ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｉｃ。ｃｏｍ．ｃｎ 日经验童速旦 表一仪 一（１） 音频数据一次读出。 式中 、．ｒ是同电容器结构参数和电路参数有关的时间常数， 户一 则分别为麦克风测量系统的阻尼比和固有频率。式（１）卜 ～ 一、 实际上即为麦克风的频率响应函数，一 其幅频特性如图２所示。 一” 一 一 ＋ 图２ 麦克风的幅频特性 由图２可知，当被测量的音频信号频率处于麦克风的平 坦区间时，就可将声压信号线性转换为电压信号，而且不发生 衰减。对于普通的电容式麦克风而言，其平坦的频率范围大约 为５０ Ｈｚ一１８ ｋＨｚ ，这也即为该音频检测系统所能允许的 被测对象固有频率的变动范围。 １．２ 声卡技术参数分析 声卡在音频检测系统中作为数据采集卡来使用，用于采 集音频范围内的信号，采样位数和采样频率是其最主要的两 个技术参数。 目前市场上出售的数据采集卡的采样位数多为１２—１６ 位，而现在各种板载声卡均已达到或超过１６位的采样位数， 这即保证了足够的采样精度，又节省了数据采集的硬件设备 成本。声卡的采样频率一般共分为２２．０５ｋＨｚ、４４．１ｋＨｚ、４８ｋＨｚ 三个等级，而且很多声卡的采样频率可作的更高。例如，本系 统采用个人计算机所带的ｒｅａｌｔｅｋ ＡＬＣ８８３高清晰度声卡，其采 样位数及采样频率可分别达到２４位和９６ｋＨｚ。 除了具有较高的采样位数及采样频率，为提高数据采集 效率，声卡还采用ＤＭＡ方式进行数据采集。它将采集到的数 据存储在指定的内存缓冲区内，待缓冲区满后，再通过查询或 中断机制通知ＣＰＵ调用显示程序，显示缓冲区数据的波形。 ２ 虚拟仪器软件设计 利用ＬａｂＶＩＥＷ平台开发的虚拟仪器软件包括以下两个 方面： １）仪器前面板的布置和设计。为达到良好的人机交互 效果，要求前面板布局合理，操作方便。主程序的前面板如图 ３所示，左半部分是音频信号的时域波形图与ＦＦＴ功率谱密 度波形图；右半部分主要包括声卡参数设置、波峰／波谷参 数显示、幅值最高单频参数显示以及信号存储的控制开关等 内容。 ２）程序框图的编程实现。主程序的程序框图如图４所示， 它主要包括以下几个模块：数据采集、数据滤波、功率谱密度 分析、波峰／波谷检测、幅值最高单频检测及数据存储部分。 下面对各功能模块进行简要说明。 ２．１ 数据采集 首先利用ＬａｂＶＩＥＷ提供的Ｓｏｕｎｄ Ｉｎｐｕｔ Ｃｏｎｆｉｇｕｒｅ．ｖｉ（配 置声音输入程序）对声卡的采样率、通道数、每采样比特数及 每通道采样数等参数进行设置，再由Ｓｏｕｎｄ Ｉｎｐｕｔ Ｒｅａｄ．ｖｉ（读 取声音输入程序）将来自麦克风并已存入内存缓冲区的批量 欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息 一ｉ ； ■一 图３ 虚拟仪器主程序的前面板 １ 阿 ——罾彳 …’ ］ｌ 习 ——徊ｆ … “ 一 —— 一 ～ 一一 图 ｆ 菌 一 避 “ 图｝ 图４ 虚拟仪器主程序的程序框图 ２．２数据滤波 由电容式麦克风采集的音频信号中即包括反映被测对象 固有频率的有用信息，还会含有周围环境的噪声，因此要对采 集的数据作滤波处理。程序中选用信号分析Ｅｘｐｒｅｓｓ ＶＩ中的 滤波器函数实现滤波功能，该函数中滤波器的类型选择带通， 滤波器的高、低截止频率可根据被测对象固有频率的大小合 理选择。图３中的时域信号的波形是木琴的金属音条对脉冲 激振的响应，它已是经带通滤波器处理后的信号，由于滤除了 噪声，其衰减振荡的波形轮廓已非常规则。 ２．３ 功率谱密度分析 滤波后的音频信号利用ＦＦＴ功率谱密度函数进一步分 析，了解其频率成分的分布状况。图３中的ＦＦＴ功率谱密度的 波形是木琴的金属音条对脉冲激振响应的功率谱结构，图中 唯一的一条幅值谱线反映的就是金属音条固有频率的信息。 结合幅值最高单频检测函数可数字显示固有频率的数值，如 图３前面板右侧检测频率方框中的２．００ｋＨｚ即为某一金属音 条的固有频率。 ２．４ 波峰／波谷检测 针对滤波后采集盼音频信号的时域波形，波峰／波谷检 测函数用于查找在设定阈值以上（或下）的波峰或波谷的个 数、位置及振幅等信息，用来判断金属音条对脉冲激励响应的 衰减程度。 ２．５数据存储 为了提高检测效率，可先将采集的音频信号保存，待检测 任务完成后，再对保存的数据文件分析处理。数据存储功能是 通过Ｗｒｉｔｅ Ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｔｏ Ｆｉｌｅ．ｖｉ（写入波形至文件）实现，并通 过开关按钮控制存储进度。对于保存的数据文件，专门开发了 音频信号读取程序，该程序也包括时域信号波形显示、功率谱 密度分析、波峰／波谷检测等功能，程序的前面板及程序框图 与主程序类似，不再赘述。 ＥＩＧ １． 鱼至Ｑ ！ ．曼７９ 旦经验童逾日 ３ 实验测试 ３．１ 测试原理 量 塞 ５中下游标指示的数值０．００１）以上的波峰个数（即振荡次 数）、每个波峰的幅值，最后利用式（２）推导出每根音条的内 耗数值。具体测试结果如表１所示。 表１ 金属音条的测试参数值 音条编号 固有频率∞ （ｋＨｚ） 内耗Ｑ ×１０ 振荡次数ｎ １ ２ ３ 实验中的被测对象为木琴的金属音条，木琴共有８根平 行布置的金属音条，它们由相同的金属材料制成，具有相同的 横截面形状（呈劣圆弧形），但其长度按一定规律由长到短分 布。每根音条左右两端均由木琴的两横梁作为支撑。 测试时，麦克风置于金属音条正上方约５０ｍｍ处，由木槌 迅速敲击音条的中间部位，即对其施加脉冲激振，音条受激产 生的音频信号由麦克风采集，再送入计算机由虚拟仪器进行 显示分析。 ３．２测试参数 ２．ｏｏ ２．２８ ２．５９ ４．６１ ４．７Ｏ ４．７４ ２１９４ ２３１６ ２０７０ ｄ ５ ６ ７ ８ ２．７２ ３．０４ ３．４１ ３．７０ ４．ｏ０ ４．７６ ４．６５ ４．７９ ４．６７ ４．７３ ２２０５ ２２９０ ２２０８ ２ｌ０３ ２０８９ 音频检测系统主要用来测试金属音条的固有频率 和 内耗Ｑ （被测对象品质因数Ｑ的倒数）两个参数。固有频率 是系统出现自由振动的频率，对于音条而言，取决于其质量、 弹性模量及几何尺寸等参数。内耗是 一个相对复杂的概念，非 理想弹性体受迫振动时必须不断补充能量才能维持其振动， 这种由于材料内部的原因使其机械能消耗的现象称为内耗。 由于内耗的存在，音条受到脉冲激振后，将处于自由衰减运 动，其音频振动衰减曲线如图５所示。内耗Ｑ 可根据下式 计算 ： Ｘ１ 由表１可知，金属音条自ｌ至８号，固有频率逐渐增加，这 是由于其长度逐次缩短，自身质量降低的缘故。内耗值主要反 映材料的基体组织结构，因８根音条采用相同金属材料，故其 内耗值非常接近。对每根音条施加激振时因强度大小略有不 同，故振荡次数也有一定变化。 ４ 结束语 以麦克风和声卡作为数据采集硬件设备，借助ＬａｂＶＩＥＷ 虚拟仪器软件开发平台，设计了音频检测系统。该系统实现 了对音频信号的批量快速采集、数字滤波、功率谱分析及波 波谷检测等功能，并将其应用于木琴的金属音条测试，获 得了音条的固有频率和内耗等参数信息。实验过程中，系统 运行平稳，操作方便，测试分析结果较准确。系统硬件成本 低，灵活性强，可根据测试要求对虚拟仪器软件作适当调整。 而且，系统还具有一定的实际工程应用价值，可将其推广应用 于轴类零件、滚动轴承等的无损检测中。口 （）～＝ ｎ Ｗ＇／Ｔ （２） 式中，Ｘ ～Ｘ。是振动衰减过程中开始计数和终止计数的振 幅，如图５中上、下游标指示的数值，ｎ是由ｘ 衰减到ｘ 的振 动次数。 参考文献 ［１］柏逢明．音频检测技术［Ｍ］．北京：中国科学技术出版 社，２００５． ［２］Ｅｒｎｅｓｔ Ｏ．Ｄｏｅｂｅｔｉｎ．测量系统应用与设计（第五版） Ｍ］．王 图５ 音条的音频振动衰减曲线 伯雄，等译．北京：电子工业出版社，２００７． ［３］安军，唐东炜，梁启志．基于卢 的机床噪声虚拟测试分析系 统的开发［Ｊ］．机床与液压，２００９，３７（１０）：１６８—１７１． ［４］阮奇桢．我和ＬａｂＶＩＥｗ——一个ＮＩ工程帅的十年编程经验 ［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００９． 作者简介：蒋灵搏（１９８０一），女，硕士研究生，讲师，主要研究方向为计 ３．３ 测试结果 利用音频检测系统对８根音条依次进行了测试，借助虚 拟仪器软件中的 功率谱密度与幅值最高单频检测函数， 实现了音条固有频率的图形和数字显示。内耗值的检测是通 过音频信号读取程序完成的，首先读取保存的每根音条的时 域信号波形，再利用波峰／波谷检测程序获取设定阈值（如图 ●中环天仪简讯● 算机在测量与控制中的应用、虚拟仪器技术。 收稿日期：２０１１—０１—２４ 中环天仪荣获全国机械行业文明单位 日前，“２００７—２０１０年度全国机械行业文明单位表彰大会”在山东济南隆重召开，会议总结了三年来全国机械行业文明单位 建设工作，宣传表彰先进，推动深入学习五中全会精神，促进机械行业文明单位建设再上新台阶。中环天仪股份有限公司荣获 ２００７—２０１０年度全国机械行业文明单位，蒋连瀛同志被授予全国机械行业优秀思想政治工作者称号。 摘自ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔ ｃｏｍ．ｃｎ 中环天仪股份有限公司首次公开发行股票及上市工作已进入辅导期 ２０１１年２月２４ １３下午，渤海证券有限公司和北京市观韬律师事务所的工作人员就中环天仪股份有限公司首次公开发行股 票及上市规范运作的基本知识和法律规定进行了辅导。公司主要董事成员、监事代表、公司领导及各职能部门、事业部、子公司 负责人参加了辅导。此次辅导标志着中环天仪股份有限公司上市工作已进入辅导期，为上市工作的运行奠定了良好的基础。 摘自ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉｇ．ｃｏｍ．ｃｎ ８０ ＥＩＧ ＶｏＩ．１８ ２０１１ Ｎｏ．３ 欢迎光临本刊网站ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｉｃ．ｃｏｍ．ｏｎ
