基于虚拟仪器的噪声信号采集系统开发

魏勇

（平顶山工业职业技术学院机械工程学院，平顶山467001）

基于虚拟仪器的噪声信号采集系统开发

魏勇

（平顶山工业职业技术学院机械工程学院，平顶山467001）

基于NI公司的Lab VIEW技术平台，利用爱华测试传声器与前置放大器，NI USB-4431数据采集卡等组成的硬件设备，开发完成了噪声信号采集系统。该系统能完成噪声信号的采集与存储、噪声信号滤波、时域分析、频谱分析等功能。

虚拟仪器Lab VIEW噪声信号采集

引言

机电设备在运转过程中，不可避免地发出一些声音，这些无规则、不协调的声音，是由许多不同频率和声强的声波无规律杂乱组合起来，统称噪声。机电设备持续发出的噪声易导致工人听力受损，严重时造成耳聋。此外还能引起高血压、心脏病、神经官能症等疾病，严重危害职工的身心健康。噪声是目前职业危害评价中一项重要的工作场所物理因素检测，我国发布的国家标准 GBZ/T 189.8-2007《工作场所物理因素测量：噪声》对工作场所的噪声规定了噪声职业接触限值。每周工作5d，每天工作8h，稳态噪声限值为85dB（A），非稳态噪声等效声级的限值为85dB（A）。

开展噪声污染研究与治理，就需要测量工作环境的噪声强度，更进一步需要对噪声进行频谱分析，找出导致噪声超标的主要原因，可以有针对性采取有效的降噪措施，使其噪声符合规定要求，以保障工人的健康。因此，开发噪声信号采集系统是首要任务。

本系统是基于虚拟仪器技术开发完成的。虚拟仪器的概念是美国NI公司在1986年提出的。它是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。伴随着计算机技术的不断深化，虚拟仪器无疑在现代工业中将扮演更为重要的角色，因而也成为今后测控领域的研究重点。利用NI公司提供的Lab VIEW技术开发平台，结合噪声信号采集硬件，能方便快捷地开发完成噪声信号采集系统。

1系统硬件

本系统硬件主要包括爱华AWA14425传声器、爱华AWA14604前置放大器和 NI USB-4431数据采集卡等组成。

1.1测试传声器与前置放大器

测试传声器与前置放大器是本系统的重要组成部分，它把采集到的声音信号直接转换为与之有确定对应关系并且容易检测的电信号输出，以满足信息的传输、记录、显示、分析、处理等要求。

杭州爱华AWA14425测试传声器是精密的声学测量用声-电换能器，用于将声信号转换为电信号。采用镍振膜和镍合金外壳，并进行特殊的稳定性处理，具有频率范围宽、频率特性好、动态范围宽、动态特性好、温度和长时间稳定性好等优点。其中预极化测试电容传声器，由于不需要另加极化电压，电路简单，使用更加广泛。传声器外径Φ12.7mm（1/2inch），标称灵敏度 40mV/Pa，极化电压V=0，频率范围10～16000Hz，频响特性自由场，动态范围17～140dB，电容量20pF。

杭州爱华AWA14604前置放大器是输入电阻很高、输入电容很小、输出阻抗很低的特种放大器，用来与测试传声器配合，进行阻抗变换和前置放大。AWA14604型前置放大器为恒流源（ICP）前置放大器，由恒流源供电，使用BNC插头输出，可很方便地连接。频率范围10～100，000Hz，测量范围15～134dB，增益 -0.15dB，ICP工作电压2～10mA，极化电压V=0，外径Φ12.7mm（1/2 inch）。

爱华AWA14425测试传声器和AWA14604前置放大器如图1所示。

图1 AWA14425测试传声器和AWA14604前置放大器

1.2数据釆集卡

美国Ni公司的USB-4431数据采集卡如图2所示，是一款具有5通道的便携式USB动态信号采集模块，用于通过集成电路压电式（IEPE）与非集成电路压电式（IEPE）传感器进行高精度声音和振动测量，具有可溯源至NIST的校准。USB-4431数据采集卡具有4路模拟输入（AI）通道，每路同步采样率最高102.4kS/s。四路通道均具有针对传感器的信号调理功能。第五路通道是一个模拟输出通道。USB-4431的AI通道具有100dB动态范围，且每个AI通道具有用于加速度计和麦克风的软件可选式交流/直流耦合 IEPE信号调理。这些通道还可兼容 IEEE 1451.4 （TEDS）传感器，以实现传感器即插即用功能。模拟输出（AO）通道是激励-响应测试的理想之选，可同步至AI通道。AO通道还具有最高96KS/s的更新速率和89dB的动态范围。USB-4431数据采集卡具有24位分辨率，可使模拟输出（AO）和模拟输入（AI）通道获得良好的信噪比。因此采用USB-4431作为噪声分析系统的数据采集卡是很好的选择。

图2 Ni公司的USB-4431数据采集卡

2噪声信号采集系统软件

开发完成的噪声信号采集系统软件主要包括噪声信号采集与存储模块、噪声信号处理与分析模块两部分，界面如图3所示。

图3噪声信号采集软件界面

2.1噪声信号采集与存储模块

噪声信号采集模块可采集并存储原始的噪声信号，用户可以设置设备名、物理通道、噪声频率范围、传声器灵敏度及采样频率等参数，系统能采集环境噪声信号，并实时显示噪声信号波形图和声压级。采集过程的起止可通过“开始采集”和“停止采集”两个按钮控制，采集信号以TDMS文件格式存储。TDMS文件是NI公司最新推出的数据管理系统。TDMS文件以二进制方式存储数据，它同时拥有方便、高速以及文件小、易存取等诸多优势。它在具备二进制文件优点的同时，又具备关系型数据库的一些优点，它还可以在NI的各种数据分析或挖掘软件之间进行无缝交互，TDMS文件查看器以树形方式列出文件的属性和数据。

2.2噪声信号处理与分析模块

噪声信号处理与分析主要包括信号读取、数字滤波、时域分析、频谱分析等功能。信号读取主要完成对已存储的TDMS文件格式噪声信号的重新读取并显示波形图。在噪声信号采集、转换和传输过程中，会在采集的数据中混入干扰信号。因此，信号必须经过滤波器滤波。系统中采用数字滤波器。数字滤波器是用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统，可以将所需运算编成程序让计算机来执行。数字滤波器不需要增加额外的硬件，而且可随时根据需要更换滤波算法实现不同的滤波方法，因此具有长期工作时稳定性高、精度高、灵活性大等优点。系统中主要选择Butterworth低通滤波器。其特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。时域分析是直接在时域中对系统进行分析的方法，包括信号的均值、均方值、峰值及卷积和相关性分析等。频谱分析是信号的一种频域分析方法，为了解信号的频率成份以及每种成份的强度大小，它利用傅立叶变换将时域信号转换为频域信号。通过分析噪声信号的频率组成和相应量的大小，可以判断机电设备噪声源及产生噪声的原因。

3结论

基于NI公司的Lab VIEW虚拟仪器技术平台，开发完成了噪声信号采集系统，并能实现噪声信号的采集、处理与分析等功能。在此基础上，可进一步进行噪声源识别与噪声污染治理等方面的研究。

［1］贺启环.环境噪声控制工程［M］.北京：清华大学出版社，2011.

［2］中国安全生产科学研究院.建设项目职业病危害评价［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2012.

［3］白云，高育鹏，胡小江.基于Lab VIEW的数据采集与处理技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2009.

［4］Jeffrey Travis，Jim Kring.Lab VIEW大学实用教程（第三版）［M］.乔瑞萍等译.北京：电子工业出版，2011.

［5］杭州爱华仪器有限公司.测试传声器［EB/OL］.http：//www.hzaihua.com.cn/products_show.aspx id=114.

［6］杭州爱华仪器有限公司.前置放大器［EB/OL］.http：//www.hzaihua.com.cn/products_show.aspxid=37.

［7］美国国家仪器（NI）有限公司.USB-4431数据采集卡［EB/OL］. sine.ni.com/nips/cd s/view/p/lang/zhs/nid/206676.

［8］陈树学，刘萱.Lab VIEW宝典［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［9］周新祥.噪声控制技术及其新发展［M］.北京：冶金工业出版社，2007.

Development of Noise Signal Acquisition System Based on Virtual Instrument

WEI Yong
（1.Dept.of Mechanical Engineering，Pingdingshan Industrial College of technology，Pingdingshan 467001，Henan，China）

Based on NI's Lab VIEW technology platform，using Aihua test microphone and preamplifier，NI USB-4431 data acquisition card and other components of the hardware devices，it completed the development of the noise signal acquisition system.The system can complete the collection and storage of the noise signal，the noise signal filtering，time domain analysis，spectral analysis and other functions.

virtual instrument，Lab VIEW，noise，data acquisition

平顶山市科技创新人才计划项目（2014087）。