魏勇

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 平頂山 467001)

0 引言

噪聲污染在我國(guó)城市中平均占到各種公害投訴案件的60%～70%，北京2005年反映噪聲污染問題的數(shù)目占到所有反映污染事件總數(shù)的46%[1]。噪聲通常是由各種機(jī)電設(shè)備持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)所帶來的，過高的噪聲對(duì)人體的危害是多方面的，除了危害聽覺系統(tǒng)，還對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)等有明顯不良影響。我國(guó)發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBZ/T 189.8-2007《工作場(chǎng)所物理因素測(cè)量:噪聲》對(duì)工作場(chǎng)所的噪聲規(guī)定：每周工作5 d，每天工作8 h，穩(wěn)態(tài)噪聲限值為85 dB(A)，非穩(wěn)態(tài)噪聲等效聲級(jí)的限值為85 dB(A)[2]。

噪聲治理需要測(cè)量聲壓級(jí)并對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，識(shí)別機(jī)電設(shè)備噪聲源，從而在聲源控制、傳播途徑控制等方面采取措施降噪，以保障人們的身心健康。因此，開發(fā)噪聲信號(hào)采集分析系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

NI公司的LabVIEW是目前計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境[3-4]。利用LabVIEW2011技術(shù)開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合信號(hào)采集硬件，能方便快捷地開發(fā)噪聲信號(hào)采集分析系統(tǒng)。噪聲信號(hào)采集分析系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，技術(shù)框架如圖1。

圖1 噪聲信號(hào)采集分析系統(tǒng)技術(shù)框架

2 噪聲信號(hào)采集分析系統(tǒng)硬件

硬件主要包括PC機(jī)、愛華AWA14425傳聲器、愛華AWA14604前置放大器和NI USB-4431數(shù)據(jù)采集卡等,硬件系統(tǒng)工作原理如圖2。

圖2 硬件系統(tǒng)工作原理

愛華AWA14425傳聲器是預(yù)極化電容傳聲器，標(biāo)稱靈敏度為40 mV/Pa，頻率范圍為10～16 000 Hz。傳聲器由相互緊靠著的后極板和繃緊的金屬膜片組成，當(dāng)聲波作用在膜片上時(shí)，膜片發(fā)生振動(dòng)并產(chǎn)生一個(gè)與聲波成比例的交變電壓信號(hào)，該信號(hào)被送到AWA14604前置放大器，BNC插頭輸出，頻率范圍為10～100 000 Hz。電壓信號(hào)經(jīng)前置放大器阻抗變換放大后，送到采集卡的模擬輸入端。Ni公司的USB-4431數(shù)據(jù)采集卡是一款具有24位分辨率的便攜式USB動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊，用于通過集成電路壓電式(IEPE)與非集成電路壓電式(IEPE)傳感器進(jìn)行高精度聲音和振動(dòng)測(cè)量，具有4路模擬輸入通道，每路同步采樣率最高102.4 kS/s。采集卡將模擬電壓信號(hào)經(jīng)A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過USB電纜線傳輸?shù)絇C機(jī)軟件中。

3 噪聲信號(hào)采集分析系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件開發(fā)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括信號(hào)采集與存儲(chǔ)、信號(hào)處理、時(shí)域與頻域分析3部分,開發(fā)流程如圖3。

圖3 系統(tǒng)軟件開發(fā)流程

軟件通過DAQ助手中創(chuàng)建模擬輸入聲壓信號(hào)測(cè)量任務(wù),將采集卡物理通道獲取的噪聲信號(hào)實(shí)時(shí)輸出到波形圖并計(jì)算噪聲A聲級(jí)，當(dāng)獲取足夠的數(shù)據(jù)后停止采集并存儲(chǔ)信號(hào)。將采集到的信號(hào)回放并截取所需要分析的片斷，然后經(jīng)濾波后存儲(chǔ)為待分析信號(hào)。通過時(shí)域和頻域分析，可分析得出信號(hào)的倍頻程頻譜、1/3倍頻程頻譜、功率譜、功率譜密度等數(shù)據(jù)。

3.1 信號(hào)采集與存儲(chǔ)模塊

信號(hào)采集與存儲(chǔ)模塊可采集并存儲(chǔ)原始的噪聲信號(hào)數(shù)據(jù)，前面板如圖4。

圖4 信號(hào)采集與存儲(chǔ)前面板

通過對(duì)設(shè)備名、物理通道、噪聲頻率范圍、傳聲器靈敏度及采樣頻率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)能采集環(huán)境噪聲信號(hào)，并能實(shí)時(shí)顯示信號(hào)波形圖和A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)聲壓級(jí)(A聲級(jí))。A聲級(jí)能較好地反映噪聲對(duì)人吵鬧的主現(xiàn)感覺和人耳聽力損傷的程度[5]。本系統(tǒng)中A聲級(jí)的計(jì)算方法是：在該聲音頻譜的每一個(gè)中心頻率的頻帶上進(jìn)行A計(jì)權(quán)，求得每一個(gè)頻帶A聲級(jí)(dB)LAi，LAi=Lpi+Δi，式中Δi為A計(jì)權(quán)修正值。則該聲音總A聲級(jí)(dB)為[5]：LA=10lg(∑100.1LAi)。采集信號(hào)前使用聲級(jí)計(jì)校準(zhǔn)器進(jìn)行聲學(xué)校準(zhǔn)。

采集到的信號(hào)以TDMS文件格式存儲(chǔ)。TDMS文件是NI公司推出的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以二進(jìn)制方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，擁有高速、文件小、易存取等優(yōu)點(diǎn)，可以在NI的各種數(shù)據(jù)分析之間進(jìn)行無縫交互。為了方便地識(shí)別、查看所存儲(chǔ)的信號(hào)文件，系統(tǒng)中將采集時(shí)間加以處理作為文件名前綴。

3.2 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊包括信號(hào)截取和信號(hào)濾波功能，前面板如圖5和圖6。

圖5 信號(hào)截取前面板

圖6 信號(hào)濾波前面板

信號(hào)截取主要通過在回放的波形圖上移動(dòng)2個(gè)游標(biāo)到合適的位置上，然后在程序中將2個(gè)游標(biāo)所代表的數(shù)據(jù)位置處理為起始采樣時(shí)間和持續(xù)采樣時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)截取信號(hào)片斷功能，并存儲(chǔ)為TDMS文件。

在信號(hào)采集過程中，受系統(tǒng)內(nèi)外各種干擾，或多或少會(huì)在信號(hào)數(shù)據(jù)中混入干擾信號(hào)。因此，信號(hào)必須經(jīng)過濾波器。本系統(tǒng)主要使用Butterworth 帶通濾波器。Butterworth 帶通濾波器，其功能是僅能通過指定帶寬的頻率。在截止頻率以外，頻率響應(yīng)單調(diào)下降，下降的快慢與濾波器階數(shù)成正比，階數(shù)越高衰減越快[6]。

3.3 時(shí)域與頻域分析模塊

時(shí)域與頻域分析模塊主要包括噪聲信號(hào)的時(shí)域分析、倍頻程頻譜、1/3倍頻程頻譜和功率頻譜、功率譜密度等功能。前面板如圖7-圖8。

圖7 倍頻程頻譜、1/3倍頻程頻譜前面板

圖8 功率譜、功率譜密度前面板

時(shí)域分析主要計(jì)算A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)以及波形圖的最大值、最小值、平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差。信號(hào)的時(shí)域顯示可以通過離散傅里葉變換(DFT)和快速傅里葉變換(FFT)的方法轉(zhuǎn)換為頻域顯示[7]。

人耳聽閾范圍從20～20 000Hz，若按間隔1Hz來測(cè)定就需要設(shè)置19 981個(gè)整數(shù)頻率，數(shù)據(jù)量太大。通常將頻率分段成若干有代表性的頻帶，每個(gè)頻帶的帶寬為Δf=f2/f1，f2為上限頻率，f1為下限頻率。分段法則常用等比法劃分，即Δf=2n，n=1時(shí)稱為倍頻程，f2/f1=2；n=1/3時(shí)稱為1/3倍頻程，f2/f1=1.26。倍頻程頻譜、1/3倍頻程頻譜主要分析信號(hào)不同頻率段的聲壓級(jí)(dB)，并將中心頻率及其對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)(dB)數(shù)據(jù)列表。

系統(tǒng)經(jīng)聲級(jí)計(jì)校準(zhǔn)器校準(zhǔn)后，通過與專業(yè)廠家制造的愛華AWA5636型聲級(jí)計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，聲壓級(jí)測(cè)試誤差在±0.2dB以內(nèi)，符合要求。系統(tǒng)中的信號(hào)截取、帶通濾波、1/3倍頻程頻譜、功率譜、功率譜密度等功能普通聲級(jí)計(jì)不具備。

4 結(jié)語(yǔ)

基于NI公司的LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，結(jié)合相關(guān)硬件，能方便快捷地開發(fā)完成噪聲信號(hào)采集分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)的采集、處理與分析等功能。經(jīng)應(yīng)用測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，提供的噪聲分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn):

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[2] 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院. 建設(shè)項(xiàng)目職業(yè)病危害評(píng)價(jià)[M]. 徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2012.

[3] 白云,高育鵬,胡小江. 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2009.

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[5] 吳勝舉,張明鐸. 聲學(xué)測(cè)量原理與方法[M]. 北京：科學(xué)出版社,2016.

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[7] 周新祥. 噪聲控制技術(shù)及其新發(fā)展[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社,2007.