基于LabVIEW及声卡的工程装备噪声测量系统设计

徐肖攀，周建钊

（中国人民解放军理工大学工程兵工程学院，江苏南京 210007）

0 引言

现代工程装备往往工作在高温、潮湿、振动、噪声和灰尘等极为恶劣的环境中，驾驶操作人员健康受到极大的影响。因此用户对现代工程机械设备的舒适性等方面提出越来越高的要求。对于军用工程装备而言，噪声对操作人员的影响是工程装备舒适性的一个重要指标。如何能够准确方便地测量和分析工程装备的噪声特性，是工程机械状态监测与控制研究的内容之一。本文提出了一种经济方便的工程机械噪声测量方案，采用高精度、高兼容性、高可靠性和低成本的声音数据采集卡进行噪声测量，噪声的处理与分析则应用了虚拟仪器技术和LabVIEW图形化软件。该方案在实际应用中效果很好，充分满足了工程机械噪声测量的需求。

1 虚拟仪器及LabVIEW

虚拟仪器（virtual instrument，VI）这一概念是由美国国家仪器公司（National Instrument Corp）于1986年提出，认为“软件即仪器”［1］。它的提出彻底打破了传统仪器的概念，引发仪器设计及控制检测领域的一场重大变革［2］。虚拟仪器是指用户借助通用的计算机平台，根据实际需求定义并设计仪器功能，通过I/O接口设备进行信号采集、测试和调理，并通过计算机软件进行数据运算、分析、处理，将结果显示出来，从而实现各种测试功能的智能化仪器系统。从构成来看，它一般包括三个组成部分:计算机、软件以及硬件设备。硬件设备主要包括各种I/O接口设备，用于待测信号的采集、放大、滤波、A/D或D/A转换等。软件系统主要由VI应用程序和接口设备的相关驱动程序组成，用于数据分析、处理［1］。

LabVIEW是美国国家仪器公司（NI）设计研发的虚拟仪器设计软件，图形化的编程环境使它更为直观，操作性更强［4］。它融合信号采集、测量分析、数据显示等功能于一体，使仪器控制、数据采集、测量分析、仿真模拟等操作过程更加简便。由于LabVIEW采用图形化编程方法，因此它又被称为G编程语言（graphical programming language），应用它开发的程序被称为虚拟仪器。

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2 数据采集设备

2.1 数据采集

随着虚拟仪器技术、计算机技术和测试技术的飞速发展，数据采集越来越重要。为此，美国NI公司推出Lab-VIEW的同时，也推出了一系列数据采集卡（DAQ）及相关驱动程序，配合LabVIEW编写的虚拟仪器应用程序进行数据的采集、测量和处理。当采用DAQ卡测量模拟信号时，必须考虑到以下因素:信号数据的输入模式、分辨率、输入范围、采样频率、采样精度、噪声等。如果不满足DAQ卡的测量要求，一般要设计相应的信号调理电路，对信号进行预处理。LabVIEW的数据采集系统总体结构如图1所示。

声卡采集系统主要由信号源、音频输入设备、信号调理、计算机声卡以及通过LabVIEW设计的VI应用程序组成，系统结构框图如图2所示。信号源产生的待测信号通过音频输入设备进行传递，经由滤波、放大等信号调理电路进行信号调理，通过Line In端口输入声卡。在声卡芯片中，Line In端采集的音频信号经过A/D转换器，将模拟信号转换为数字信号之后，进行数字信号处理，然后输入计算机或工作站。通过VI应用程序对信号进行存储、波形显示和频谱分析等处理。

图1 LabVIEW数据采集系统总体结构图

2.2 声卡

声卡只适合采集频域信号，对于非频域信号如热、压力、位移等必须先经过信号调理，使其转换为频域信号，继而输入到声卡中。

果然周副书记很老到，他说，我带你到几个部门走走。几天来，周书记马不停蹄地带到我找电力、税务、银行、火车站等部门单位化缘，又找到镇上很有些实力企业老板拉了些赞助，五万元的经费基本上没问题。

LabVIEW内置了许多与声卡数据采集有关的函数节点，能够满足编程人员的各种需要［5］。由于音频信号通过Line In接口输入声卡，信号中可能存在一定的弱噪声干扰。除了在音频输入设备和Line In接口之间设置信号调理如滤波器以外，还可以在LabVIEW编程中使用“滤波器”函数节点，对噪声信号进一步滤除，使所采集的信号更加精确、准确。“写入”多态函数节点的作用是将采集到的音频信号保存在“文件路径”节点所指定的存储位置，以备后续分析。程序框图如图3所示。

3 系统设计

3.1 总体设计

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3.2 噪声信号及输入设备

图2 噪声采集系统框图

由于美国NI公司开发的一系列数据采集卡价格高昂，一些第三方公司如阿尔泰科技有限公司开发的基于USB接口的数据采集卡价格昂贵且兼容性和稳定性不高。因此，本课题使用计算机内置的声卡作为音频信号采集卡。利用声卡作为DAQ卡进行数据采集，具有16位量化精度、良好的兼容性、性能稳定、灵活通用、价格低廉等优点。

连接好电路、音筒控制器，将音频输入线接入Line In端口，设置数据存储名称、格式以及存储路径。开启电源，启动程序。通过信号源不断发出声音信号，系统开始不断进行音频数据采集、分析，前面板上的“波形图”控件实时显示出声音信号的波形，“功率谱密度”控件实时显示对于采集的分析结果，如图4所示。

3.3 LabVIEW程序编辑

普通声卡具有“Line In”，“Mic In”等输入端口和“Line Out”，“Spk Out”等输出端口。“Line In”和“Mic In”的区别在于:前者的输入信号强度高，可接入的幅值不超过1 V，而后者的输入信号强度低，幅值大约在0.02～0.2 V之间。声卡使用直接内存读取方式传送数据，极大减少了CPU占用率［3］。此外，它还可以实现音频信号双通道16位、高保真采集，最高采样频率达到44.1 kHz，具有较高的精度和较大的被测信号可采样频率范围。

图3 噪声测量系统程序框图

4 系统测试与实用性分析

4.1 系统测试

在实验室为模拟信号源，将实验设备东风康明斯（DEEC）发动机开启，不断产生声音信号。通过音筒以及信号调理电路对信号进行滤波，然后通过与Line In端口相连的数据线，音频信号被不断输入到声卡之中。由于Line In信道存在弱噪声信号干扰。因此，滤波器非常必要。

图4 程序运行以及数据采集、分析图

在波形图和功率谱密度图中，①波形曲线为原始采样信号，②波形曲线表示使用LabVIEW“滤波器”节点进行数据处理以后所得到的信号。相比之下，滤除噪声信号之后的波形更加平滑流畅。所采集的声音信号会被实时地写入“D:DocumentsDesktopmytest est.wav”文件中加以存储，以备以后重复调用、分析。

4.2 实用性分析

声卡的采样频率可分为:44.1 kHz，22.05 kHz，11.02 kHz，8 kHz［6］。根据 Nyquist采样定理 fs.max≥2fmax，当采样频率大于信号最高频率的2倍以上时，采集的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。在实际应用中，为保证采样信号不失真，采样频率fs.max一般为信号最高频率fmax的5～10倍。因此，声卡的采样频率决定了被测信号的最高频率范围。对于最高频率＜15 kHz的音频信号，此数据采集系统表现良好。因此，在故障检测中对于一般的振动及噪声信号，此系统表现出色。但是，对于最高频率超过20 kHz的高频振动或噪声信号，此系统有待进一步改进以满足准确性要求。

健全的组织结构和具备竞争力的人力资源队伍相辅相成，互相支撑，是地方国有平台公司健康发展的重要保障，本文依据当前现状，提出当前地方国有公司平台在发展中存在的政府行政主导，决策速度慢；力资源管理粗放，缺少竞争机制问题，并针对问题提出实现政企分离，完善人力资源管理机制；加强部门设置、增加党和组织岗位比例；施行完善的人才管理策略，进而有效提升地方国有平台公司组织人力资源配置的公平性、专业性。

5 结语

本系统采用声卡作为数据采集卡，结合LabVIEW图形化编程软件，构造了一个简洁的噪声测量系统。通过反复模拟实验，该系统能够快速、实时、准确地对军用工程装备噪声进行采集、存储，并在此基础上对信号进行时域和频域分析，充分满足了工程机械噪声测量的需求。此外，声卡作为数据采集卡，不仅具有高采样精度、高兼容性和高可靠性，还可有效降低测试装置的复杂性和成本，具有良好的综合性能。这种化繁为简、充分利用计算机硬件设备的设计思路和设计方法，使工程装备故障检测系统更加简洁、测试过程更加自动化和智能化，测试效率更高，具有良好的探讨及应用价值，为今后构建低成本高效率的信号检测系统提供了一个良好的范式和参考。

［1］零点工作室，刘刚，王立香，等.LabVIEW 8.20编程及应用［M］.北京:电子工业出版社，2008.

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［4］高占凤，杜彦良.基于LabVIEW的远程数据采集与传输系统［J］.微电子学与计算机，2007，（3）:1022104.

［5］孙秋野，柳昂，王云爽.LabVIEW 8.5快速入门与提高［M］.西安:西安交通大学出版社，2009.

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