田 青 張 釗 韓圣東 顧 民 黃云龍

北方工業(yè)大學 北京 100041

1 研究背景

1.1 課題背景

噪聲源于生活中各個角落，它無處不在，與人們的生活息息相關(guān)的。噪聲已經(jīng)被認為是僅次于大氣污染和水污染的第三大公害。通常環(huán)境噪聲測量的目的是了解被測環(huán)境是否符合允許的噪聲標準或噪聲超標情況，以便采取相應的控制措施。

傳統(tǒng)的硬件聲級計應用廣泛，小到用于聽力校準以確定噪聲對人耳聽覺的危害程度，大到用于對機械電子產(chǎn)品噪聲、環(huán)境噪聲、交通噪聲等的現(xiàn)場測量。但這種聲級計功能比較單一，如需要對噪聲進行進一步的測量，則須外接濾波器和記錄儀，不便于進行實時分析，其靈活性明顯不足。而且，如要求基于硬件的噪聲監(jiān)測儀對整個噪聲頻段進行實時分析，則要并聯(lián)許多濾波器，會出現(xiàn)在使用一段時間后，由于電路老化等原因，造成儀器性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

為了克服硬件監(jiān)控系統(tǒng)的缺點，本系統(tǒng)采用了虛擬儀器。虛擬儀器是全新概念上的最新一代測量儀器，它把現(xiàn)代計算機技術(shù)和儀器技術(shù)相結(jié)合，用來輔助計算機的測試。

虛擬儀器將傳統(tǒng)的由硬件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析、處理和顯示等功能改為由功能強大的計算機軟件來完成，使計算機與相應的I/O接口設(shè)備相連以獲取信號，然后按照測量原理，編制具有測量功能的程序，構(gòu)成相應的測試儀器。基于相同的硬件系統(tǒng)，虛擬儀器通過編制不同的軟件來實現(xiàn)多種測量儀器的功能，顯著降低了儀器的開發(fā)和維護費用，提高了儀器的靈活性和性價比。

1.2 軟件平臺

虛擬儀器的編程采用LabVIEW，因為LabVIEW采用圖形化編程(所以也被稱為G語言)，它的界面和功能與真實的儀器十分相似。它是美國國家儀器公司(National Instrument，NI)的產(chǎn)品，是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。在LabVIEW環(huán)境中開發(fā)的應用程序都被冠以VI后綴，以表示虛擬儀器的含義。VI一般包括前面板和程序框圖，前面板實際就是程序的交互式用戶接口，與真實物理儀器的前面板相似，程序框圖實際就是VI的程序代碼。利用LabVIEW開發(fā)的虛擬儀器，可以利用高性能的計算機對噪聲信號進行采樣、記錄以及實時分析，也可以移植到ARM板上。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳聲器將被測聲源信號轉(zhuǎn)換為電信號，A/D卡將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，供計算機進行分析和處理。A/D卡采用的是Sound Blsster聲卡，利用LabVIEW軟件完成對信號的讀取、分析、計算、存儲和顯示。

圖1

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

2.2.1 程序原理

軟件結(jié)構(gòu)由兩部分組成(如圖2所示)。一部分是程序框圖的設(shè)計，主要分為3個模塊。第一個模塊是對拾音器所接收的聲音信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后生成電信號的讀?。坏诙€模塊是對讀取的電信號進行測量與分析；第三個模塊是報警系統(tǒng)。另一部分是前面板的顯示，主要分為3個模塊，第一個模塊顯示所測量的聲壓值；第二個模塊是控制測量開始與否的開關(guān)；第三個模塊是實時計時模塊，時刻顯示當前的時間日期。

圖2

2.2.2 程序框圖設(shè)計(如圖3所示)

圖3

(1)聲源接收模塊

測量音源的拾音頭將測得的聲音信號轉(zhuǎn)換為電壓值并傳給計算機，通過LabVIEW軟件的控制將這些電信號傳給計算機。程序設(shè)定接受的音源形式為單聲道16 bit。

(2)噪聲分析模塊

在計算機成功接收音源信號后，可以采用多種方法對其進行分析，如實時測量聲音的波峰和波谷值，或?qū)y量的電壓值數(shù)組進行分析，選出最大幅值等。但在實際的應用測量中，由于環(huán)境噪聲本身是不規(guī)則且大幅波動的，這兩種方法所測結(jié)果波動過大，在穩(wěn)定指標上難以達到要求，而有的軟件對聲源進行統(tǒng)計、加權(quán)等計算過于復雜。本程序旨在實時監(jiān)測生活區(qū)的噪聲情況，因此減小了計權(quán)聲級問題的影響，從而大幅減少了計算量。

針對以上方法的缺點，本程序為了解決測量結(jié)果不穩(wěn)定、計算量繁多的問題，采用了對聲音積分的方法進行分析。雖然噪聲是不規(guī)則且浮動較大的，但是相同聲級的噪聲在一個測量周期內(nèi)所產(chǎn)生的能量總和是大致相等的。用這個原理可以有效地解決噪音測量結(jié)果不穩(wěn)定的問題。

在得到能量的測量結(jié)果后，為了便于計算，對積分再求平均值，用這個平均值與噪音計測聲壓值結(jié)合，根據(jù)聲壓值的計算公式對它們進行擬合，繪制出對數(shù)分布圖，然后利用Excel公式擬合出精確的聲壓級公式，最后將公式導入LabVIEW軟件的公式框圖中，對噪聲進行實時測量。

(3)報警模塊

聲音超過80 dB時，會影響人們的正常生活。所以，在噪聲超過80 dB時，系統(tǒng)會明燈報警。

2.2.3 前面板顯示結(jié)果

前面板分別顯示所測得的聲壓值及當前時間(如圖4所示)。

圖4

3 研究結(jié)果

3.1 程序在PC機上運行的測量值與校準噪聲值對比

系統(tǒng)運行后測量得到的聲壓值結(jié)果與校準噪聲計所測結(jié)果基本一致(如圖5所示)。

圖5

3.2 程序在ARM板上運行的測量值與校準噪聲值對比

圖6

另外，我們將做好的系統(tǒng)移植到ARM板上，并且在Windows CE系統(tǒng)下運行，運用LabVIEW的MOBILE模塊將程序?qū)階RM板上。經(jīng)過調(diào)試后，系統(tǒng)在ARM板上運行達到測量較為準確的指標(如圖6所示)。

系統(tǒng)運行后測量得到的聲壓值結(jié)果與校準噪聲計的結(jié)果基本一致。

4 結(jié)束語

環(huán)境噪聲測試系統(tǒng)通過聲級標準儀(噪聲器)標定校準，達到了測量環(huán)境噪聲值(分貝值dB)的基本要求。LabVIEW是一個簡單、易于操作的虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計平臺，它集多種傳統(tǒng)儀器的功能與一身，并可以根據(jù)用戶的需求進行利用和綜合開發(fā)，十分方便。我們應用該平臺搭建的噪聲測試分析儀，不僅能較為準確地測量環(huán)境中的噪聲，還能降低成本，同時也能提高噪聲測試分析的效率。LabVIEW是我們學習和工作的好伙伴，是不可或缺的重要檢測及開發(fā)軟件，在科學領(lǐng)域中有著重要的地位，能夠幫助我們解決很多疑難問題。我們的虛擬噪聲測試儀(聲級計)的開發(fā)設(shè)計還有待進一步完善，相信必定會在日后有更大的突破。

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