基于虚拟仪器技术的声压测量与信号处理

施水娟 李文文

摘 要：汽车风门执行器运转时的声音将直接影响乘车舒适性，文章作为判别风门执行器是否合格的先行研究，实现了基于虚拟仪器的声压级测量。选用预极化电容式自由场声传感器，以NI 9234声音与振动输入模块实现声压信号的动态采集。直接将传感器信号转化成声压会出现负值，经研究后采用LabVIEW编程实现了等效连续声压级和时间计权声压级的转化，并进行了自然环境和连续敲击时的声压测量试验。

关键词：自由场声传感器;NI 9234;等效连续声压级;时间计权声压级

中图分类号：TB52+2  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）16-124-03

Abstract： The running sound of the air damper actuator affects the ride comfort directly. This paper is the first step to judge the air damper actuator whether pass or not automatically. Pre-polarization capacitance free field microphone was chosen， and the Sound and vibration input module NI 9234 was selected to acquire the sound dynamically. It was found that there was negative value of the sound pressure if the microphone signal was converted without any dispose. Then LabVIEW programming realized the convert of equivalent continuous SPL and time weighting SPL. Finally， the equivalent continuous SPL and time weighting SPL of the natural environment and knock on the desk were measured.

Keywords： Free field microphone; NI 9234; Equivalent continuous SPL; Time weighting SPL

CLC NO.： TB52+2  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）16-124-03

引言

當声波在空气中传播时，会形成弹性媒质（即空气）疏密相间的状态。当媒质密集时这部分的空气压强会比平衡状态下的静态压强大，当媒质稀疏时这部分的空气压强会比平衡状态下的静态压强小。即在声波的传播过程中，空气压强随着声波作周期性变化。因此可以用声扰动在空气中所产生的逾量压强户来表述声波的状态：P=Ps - P0，这个逾量压强多称为该点的瞬时声压，单位是帕斯卡（Pa）。

1 系统构成

1.1 声传感器

声传感器（也称麦克风或传声器）主要是用来测量声压的，最常见的有电容式麦克风、压电式麦克风、炭粒麦克风、磁麦克风、MEMS麦克风等。电容式麦克风又分为外部极化式和预极化式，外部极化式需要200V的极化电压，预极化式内置了CCP前置放大器只需要恒流源供电，并且预极化式允许使用同轴电缆和BNC接头。另外，按照响应类型可将声传感器分为自由场麦克风、压力场麦克风和扩散场麦克风。自由场麦克风在设计和标定时对其自身造成的声压变化作了了补偿，从而确保获得准确的测量数据。如图1所示，消音室或开阔区域是自由场麦克风的理想使用场合[1][2]。

选用丹麦G.R.A.S.公司的46AE型1/2"自由场麦克风，该传感器集成了40AE型预极化式电容传感器头和26CA型前置放大器，采用CCP恒流源供电，其主要参数见表1。

1.2 测量系统

如图2所示，声压测量系统由声传感器、前置放大器、抗混叠滤波、AD采样和信号处理五个部分组成。基于虚拟仪器“软件即仪器”的开发理念，本文选用NI虚拟仪器平台作为声压信号的测量系统[4]。

采用NI 9234声音与振动输入模块，搭载NI cDAQ9171单模块 USB 外盒构成如图3所示的测量系统。NI 9234 是一种 4 通道动态信号采集模块，可对 IEPE 传感器进行高精度测量，其动态范围为 102 dB。4 路输入通道可同时以最高51.2 kS/s 的速率进行采样，该模块还包含了内置抗混叠滤波器，可自动调节至设定的采样率[5]。

2 信号采集与处理

2.1 动态信号测量

利用LabVIEW进行声压传感器信号采集程序编写。首先，将DAQmx Create Virtual Channel多态vi设成Analog Input→Sound Pressure→Microphone，并设置采样物理通道、IEPE内部激励方式、IEPE电流为4mA、最大声压级为120dB、麦克风灵敏度为50mV/Pa、终端接入方式为伪差分;其次，利用DAQmx Timing vi设置采样时钟源为板载时钟、采样方式为连续采样、采样率为50kS/s（S表示采样点数量）、每循环采样数为5000;然后，利用DAQmx Start Task vi开始连续采样，并在while循环中利用DAQmx Read vi读取采集的数据;最后，利用DAQmx Stop Task vi停止连续采样并利用DAQmx Clear Task vi清除当前采集任务。图4给出了程序框图，可使用Sample Clock：Rate属性节点获取实际采样率。试验发现设置采样率为50kS/s时，实际采样率为51.2kS/s。