高棱　劉詠梅　潘錦強(qiáng)

摘 要：文章基于Labview軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，其測(cè)量原理采用管道內(nèi)聲波的共振原理以及快速傅里葉算法（FFT）。硬件部分包括一臺(tái)筆記本電腦、一臺(tái)聲音激發(fā)裝置和一個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置；軟件部分包括數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)通訊、系統(tǒng)配置等模塊。試驗(yàn)表明，本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化測(cè)量管道長(zhǎng)度，測(cè)量時(shí)間短，僅需15秒鐘就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量，在所測(cè)量的實(shí)例中，相對(duì)誤差均在0.7%以下。

關(guān)鍵詞：Labview；管道長(zhǎng)度；FFT；聲卡

引言

在居民生活或者工業(yè)的應(yīng)用中，很多大長(zhǎng)度管道一般都彎曲、深埋地下，測(cè)量較為困難。傳統(tǒng)的測(cè)量方法一般是運(yùn)用手工丈量，勞動(dòng)強(qiáng)度高，且準(zhǔn)確率低。通過(guò)查閱文獻(xiàn)可知，已有一些研究采用激光測(cè)量的方式測(cè)量管道長(zhǎng)度[1-4]，但是其激光設(shè)備成本高，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)彎折管道測(cè)量；也有相關(guān)研究采用聲波定位的方式測(cè)量[5-6]，通過(guò)聲波在管道傳播的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)管件長(zhǎng)度的測(cè)量，但其無(wú)法實(shí)現(xiàn)單端測(cè)量，且無(wú)法適用于彎折管道測(cè)量；也有文獻(xiàn)采用聲波共振原理測(cè)量管道長(zhǎng)度[7]，但其系統(tǒng)采用時(shí)域音頻信號(hào)，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，需3分鐘的測(cè)量時(shí)間，且因基于STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)，測(cè)量精度也較低，實(shí)驗(yàn)誤差為1.5%以下。因此，作者開(kāi)發(fā)一款基于Labview的管道長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)，以管道內(nèi)空氣柱的共振原理為理論基礎(chǔ)，以筆記本電腦聲卡作為數(shù)據(jù)信號(hào)采集裝置，采用快速傅里葉（FFT）頻域分析法，具有成本低廉、測(cè)量時(shí)間短、精度高以及抗干擾強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，解決了彎曲管道的長(zhǎng)度和深埋地下的管道長(zhǎng)度的測(cè)量等難題。

1 測(cè)量原理

當(dāng)聲波為低頻波時(shí)，也即存在管道直徑d與波長(zhǎng)？姿比小于0.5時(shí)，聲波在管道內(nèi)傳播可看成一維平面波。當(dāng)沿著管道傳播的方向的激發(fā)聲波與反方向傳播的反射聲波疊加時(shí)，在管道內(nèi)形成了駐波產(chǎn)生共振。其中管道的長(zhǎng)度與聲音共振的頻率相關(guān)，通過(guò)公式推導(dǎo)可知

2 管道長(zhǎng)度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此測(cè)量系統(tǒng)主要包括兩部分，硬件部分以及軟件部分。由拾音器模塊、聲音播放模塊和筆記本電腦構(gòu)成系統(tǒng)的硬件部分，基于Labview的數(shù)據(jù)處理分析構(gòu)成軟件部分。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 拾音器MSMAS42Z傳感器

聲音信號(hào)的采集是該系統(tǒng)的關(guān)鍵，對(duì)于該系統(tǒng)傳感器需要滿(mǎn)足的條件有：（1）靈敏度高，能夠較好的聲壓信號(hào)。（2）對(duì)不同頻率的響應(yīng)較一致，即對(duì)相同響度的不同頻率采集到的響應(yīng)較一致。

本系統(tǒng)選用MSMAS42Z拾音器傳感器，MSMAS42Z是由敏芯微電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的微型麥克風(fēng)傳感器，該麥克風(fēng)傳感器性能優(yōu)越，具有較好的響應(yīng)曲線，從圖1中可看出，從250Hz至450Hz的響應(yīng)曲線都比較平緩，響應(yīng)較為一致，失真率較小。滿(mǎn)足系統(tǒng)的靈敏度和響應(yīng)一致性的要求。

2.1.2 聲音播放裝置

采用音箱型號(hào)為MD-95，該型號(hào)的音箱使用較為普遍，容易購(gòu)買(mǎi)，價(jià)格低廉。由信號(hào)發(fā)送裝置驅(qū)動(dòng)該音箱，信號(hào)發(fā)送裝置為普通的USB閃存盤(pán)，里面裝載了特制的音頻信號(hào)。該音頻信號(hào)是由Adobe Audition特殊調(diào)制的音頻信號(hào)，是由頻率為250Hz到450Hz的間隔為0.5Hz的正弦波信號(hào)合成的音頻信號(hào)。合成該信號(hào)的各個(gè)頻率的振幅都相同，以保證激發(fā)信號(hào)的一致性。

2.1.3 聲音采集模塊

聲音采集部分主要為筆記本電腦的聲卡，在文章中采用Realtek

ALC269 High Definition Audio聲卡，聲音信號(hào)通過(guò)筆記本電腦的麥克風(fēng)輸入端口將數(shù)據(jù)輸入聲卡。該聲卡集成于筆記本電腦，價(jià)格低廉，相比較價(jià)格昂貴的數(shù)據(jù)采集卡，具有更較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)[8-9]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管道長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，軟件工作流程圖如圖3所示。

在Labview強(qiáng)大功能的支持下，大大的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，只需一個(gè)操作界面就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理以及顯示，使得管道的測(cè)量操作極大的簡(jiǎn)化。所有的操作在前面板上即可實(shí)現(xiàn)，測(cè)量系統(tǒng)的操作界面如圖4所示。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理核心

由MSMAS42Z傳感器采集到的聲壓信號(hào)為時(shí)域信號(hào)，為得出管道的共振頻率，需要利用FFT算法對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行計(jì)算方可得出頻域信號(hào)。因此，本系統(tǒng)調(diào)用Labview的FFT頻譜算法模塊，計(jì)算頻域信號(hào)。

一方面考慮到傳感器對(duì)較低的音頻信號(hào)響應(yīng)較差，另一方面由于高頻音頻信號(hào)不可當(dāng)成簡(jiǎn)單的平面波導(dǎo)致不適用于本系統(tǒng)，因此數(shù)據(jù)處理模塊首先需要對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行濾波處理。本數(shù)據(jù)處理核心采用帶通濾波器，分別過(guò)濾掉頻率高于450Hz和低于250Hz的頻率。

3 測(cè)量結(jié)果

通常情況下，閉口測(cè)量會(huì)比開(kāi)口測(cè)量更為繁瑣，如閉口測(cè)量需要密封末端端口，因此為了滿(mǎn)足管道測(cè)量的方便性，本系統(tǒng)選用單端開(kāi)口測(cè)量，將拾音器和揚(yáng)聲器放置于管道的同一端口，此種測(cè)量方式便于操作，僅需單端放置測(cè)量系統(tǒng)即可測(cè)量管道的長(zhǎng)度。圖5是將采集到的音頻信號(hào)進(jìn)行了FFT算法變換后的頻譜圖。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求中，利用濾波器過(guò)濾掉了250Hz以下和450Hz以上的頻率，因此本系統(tǒng)也選取250Hz～450Hz之間的共振頻率作為計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。由圖5可以清楚看到管道的空氣柱的共振頻率，其中管道的相鄰共振頻率之間有著固定的差值，從而由公式（2）可以計(jì)算得出管道的長(zhǎng)度。

在實(shí)驗(yàn)中，本測(cè)量系統(tǒng)分別了2m到10m的直管和彎折管，部分管道的測(cè)量結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)，在已測(cè)的各種管件中，很容易看出，相比較已知的管道長(zhǎng)度，測(cè)量的管道長(zhǎng)度的相對(duì)誤差均處于0.7%以下，符合實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

4 誤差分析

本測(cè)量系統(tǒng)的誤差來(lái)源主要有：

（1）工作環(huán)境的聲速影響

由于本系統(tǒng)利用單端開(kāi)口測(cè)量公式（2）來(lái)計(jì)算管道長(zhǎng)度，由公式（2）可知參數(shù)聲速的準(zhǔn)確性會(huì)對(duì)測(cè)量精度結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。本系統(tǒng)定義聲速為340m/s，但在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的聲度會(huì)受到溫度、空氣密度等影響，從而影響測(cè)量的精度。

（2）硬件系統(tǒng)的局限性

當(dāng)采用FFT算法計(jì)算共振頻率時(shí)，其準(zhǔn)確性與拾音器的性能、聲卡的采樣間距、處理器的運(yùn)算速度等因素有關(guān)。任何硬件系統(tǒng)都無(wú)法完全消除誤差，因此會(huì)對(duì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。

（3）管端修正誤差

由公式（2）可知，當(dāng)采用單端開(kāi)口測(cè)量時(shí)，需要增加一項(xiàng)修正項(xiàng)△l，由于該修正項(xiàng)本身存在近似誤差和管內(nèi)徑測(cè)量誤差，因而對(duì)管長(zhǎng)測(cè)量產(chǎn)生影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）基于強(qiáng)大的Labview虛擬儀器技術(shù)，結(jié)合管內(nèi)空氣柱與聲音的共振的基本理論，通過(guò)FFT算法精準(zhǔn)的計(jì)算出共振頻率，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了管道的自動(dòng)化測(cè)量，測(cè)量誤差小，實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差均小于0.8%，測(cè)量誤差小。（2）本系統(tǒng)核心組成部分為L(zhǎng)abview軟件，其硬件部分為簡(jiǎn)單的傳感器的電路以及筆記本電腦，而筆記本電腦已經(jīng)普及，同時(shí)利用聲卡作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比較昂貴的數(shù)字采集卡具有成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。（3）本系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，容易攜帶，方便于在各種室外環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。同時(shí)由于采用單端測(cè)量，可以避免在諸如深埋地下管道等無(wú)法確定管道另外一端口的測(cè)量難題。（4）基于筆記本的強(qiáng)大處理能力，在熟練操作的情況下，整個(gè)測(cè)量時(shí)間僅為15秒，就能實(shí)現(xiàn)管道長(zhǎng)度的快速測(cè)量。（5）本測(cè)控系統(tǒng)，自動(dòng)化程度高，大大簡(jiǎn)化了操作，降低了科研人員的工作強(qiáng)度，具有較廣的市場(chǎng)前景。

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