基于LabVIEW的机电设备噪声信号采集分析系统开发

魏勇

(平顶山工业职业技术学院 机械工程学院，河南 平顶山 467001)

0 引言

噪声污染在我国城市中平均占到各种公害投诉案件的60%～70%，北京2005年反映噪声污染问题的数目占到所有反映污染事件总数的46%[1]。噪声通常是由各种机电设备持续运转所带来的，过高的噪声对人体的危害是多方面的，除了危害听觉系统，还对神经系统、心血管系统、内分泌系统等有明显不良影响。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：每周工作5 d，每天工作8 h，稳态噪声限值为85 dB(A)，非稳态噪声等效声级的限值为85 dB(A)[2]。

噪声治理需要测量声压级并对噪声信号进行数据处理与分析，识别机电设备噪声源，从而在声源控制、传播途径控制等方面采取措施降噪，以保障人们的身心健康。因此，开发噪声信号采集分析系统具有一定的现实意义。

1 系统总体设计

NI公司的LabVIEW是目前计算机测控领域应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境[3-4]。利用LabVIEW2011技术开发平台，结合信号采集硬件，能方便快捷地开发噪声信号采集分析系统。噪声信号采集分析系统由硬件和软件两部分组成，技术框架如图1。

图1 噪声信号采集分析系统技术框架

2 噪声信号采集分析系统硬件

硬件主要包括PC机、爱华AWA14425传声器、爱华AWA14604前置放大器和NI USB-4431数据采集卡等,硬件系统工作原理如图2。

图2 硬件系统工作原理

爱华AWA14425传声器是预极化电容传声器，标称灵敏度为40 mV/Pa，频率范围为10～16 000 Hz。传声器由相互紧靠着的后极板和绷紧的金属膜片组成，当声波作用在膜片上时，膜片发生振动并产生一个与声波成比例的交变电压信号，该信号被送到AWA14604前置放大器，BNC插头输出，频率范围为10～100 000 Hz。电压信号经前置放大器阻抗变换放大后，送到采集卡的模拟输入端。Ni公司的USB-4431数据采集卡是一款具有24位分辨率的便携式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4路模拟输入通道，每路同步采样率最高102.4 kS/s。采集卡将模拟电压信号经A/D数模转换成数字信号，通过USB电缆线传输到PC机软件中。

3 噪声信号采集分析系统软件

系统软件开发采用模块化结构，主要包括信号采集与存储、信号处理、时域与频域分析3部分,开发流程如图3。

图3 系统软件开发流程

软件通过DAQ助手中创建模拟输入声压信号测量任务,将采集卡物理通道获取的噪声信号实时输出到波形图并计算噪声A声级，当获取足够的数据后停止采集并存储信号。将采集到的信号回放并截取所需要分析的片断，然后经滤波后存储为待分析信号。通过时域和频域分析，可分析得出信号的倍频程频谱、1/3倍频程频谱、功率谱、功率谱密度等数据。

3.1 信号采集与存储模块

信号采集与存储模块可采集并存储原始的噪声信号数据，前面板如图4。

图4 信号采集与存储前面板

通过对设备名、物理通道、噪声频率范围、传声器灵敏度及采样频率等参数进行设置，系统能采集环境噪声信号，并能实时显示信号波形图和A计权网络声压级(A声级)。A声级能较好地反映噪声对人吵闹的主现感觉和人耳听力损伤的程度[5]。本系统中A声级的计算方法是：在该声音频谱的每一个中心频率的频带上进行A计权，求得每一个频带A声级(dB)LAi，LAi=Lpi+Δi，式中Δi为A计权修正值。则该声音总A声级(dB)为[5]：LA=10lg(∑100.1LAi)。采集信号前使用声级计校准器进行声学校准。

采集到的信号以TDMS文件格式存储。TDMS文件是NI公司推出的数据管理系统，以二进制方式存储数据，拥有高速、文件小、易存取等优点，可以在NI的各种数据分析之间进行无缝交互。为了方便地识别、查看所存储的信号文件，系统中将采集时间加以处理作为文件名前缀。

3.2 信号处理模块

信号处理模块包括信号截取和信号滤波功能，前面板如图5和图6。

图5 信号截取前面板

图6 信号滤波前面板

信号截取主要通过在回放的波形图上移动2个游标到合适的位置上，然后在程序中将2个游标所代表的数据位置处理为起始采样时间和持续采样时间，从而实现截取信号片断功能，并存储为TDMS文件。

在信号采集过程中，受系统内外各种干扰，或多或少会在信号数据中混入干扰信号。因此，信号必须经过滤波器。本系统主要使用Butterworth 带通滤波器。Butterworth 带通滤波器，其功能是仅能通过指定带宽的频率。在截止频率以外，频率响应单调下降，下降的快慢与滤波器阶数成正比，阶数越高衰减越快[6]。

3.3 时域与频域分析模块

时域与频域分析模块主要包括噪声信号的时域分析、倍频程频谱、1/3倍频程频谱和功率频谱、功率谱密度等功能。前面板如图7-图8。

图7 倍频程频谱、1/3倍频程频谱前面板

图8 功率谱、功率谱密度前面板

时域分析主要计算A计权声压级以及波形图的最大值、最小值、平均值以及标准差。信号的时域显示可以通过离散傅里叶变换(DFT)和快速傅里叶变换(FFT)的方法转换为频域显示[7]。

人耳听阈范围从20～20 000Hz，若按间隔1Hz来测定就需要设置19 981个整数频率，数据量太大。通常将频率分段成若干有代表性的频带，每个频带的带宽为Δf=f2/f1，f2为上限频率，f1为下限频率。分段法则常用等比法划分，即Δf=2n，n=1时称为倍频程，f2/f1=2；n=1/3时称为1/3倍频程，f2/f1=1.26。倍频程频谱、1/3倍频程频谱主要分析信号不同频率段的声压级(dB)，并将中心频率及其对应的声压级(dB)数据列表。

系统经声级计校准器校准后，通过与专业厂家制造的爱华AWA5636型声级计测量数据对比，声压级测试误差在±0.2dB以内，符合要求。系统中的信号截取、带通滤波、1/3倍频程频谱、功率谱、功率谱密度等功能普通声级计不具备。

4 结语

基于NI公司的LabVIEW虚拟仪器技术，结合相关硬件，能方便快捷地开发完成噪声信号采集分析系统，实现噪声信号的采集、处理与分析等功能。经应用测试，系统运行稳定、可靠，提供的噪声分析数据准确，达到了预期的目标。

参考文献:

[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LabVIEW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] JeffreyTravis,Jim Kring.LabVIEW大学实用教程[M]. 乔瑞萍等，译. 北京：电子工业出版,2011.

[5] 吴胜举,张明铎. 声学测量原理与方法[M]. 北京：科学出版社,2016.

[6] 胡广书. 数字信号处理-理论、算法与实现[M]. 北京：清华大学出版社,2012.

[7] 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.