謝育金，黃淳，趙靜儀

(汕頭市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東汕頭515041)

0 引言

機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，部件間的摩擦力、撞擊力或非平衡力會(huì)使機(jī)械部件和殼體產(chǎn)生振動(dòng)而輻射噪聲。機(jī)械噪聲過(guò)高不僅會(huì)損害操作者，而且會(huì)影響周邊的環(huán)境質(zhì)量。因此，一般機(jī)械產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中都嚴(yán)格限定產(chǎn)品噪聲功率級(jí)。然而，機(jī)械產(chǎn)品通常體積大、組裝復(fù)雜，在對(duì)其進(jìn)行噪聲檢測(cè)時(shí)，受檢驗(yàn)設(shè)備、檢驗(yàn)條件等因素的影響，無(wú)法完全按照標(biāo)準(zhǔn)方法檢驗(yàn)，難以得到穩(wěn)定、準(zhǔn)確的數(shù)值，給產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)帶來(lái)不便。

本文基于LabVIEW 對(duì)噪聲功率級(jí)測(cè)定系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。LabVIEW 的全稱是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)［1-2］，是一種基于圖形化編程語(yǔ)言的測(cè)試系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)?；贚abVIEW 的機(jī)械產(chǎn)品噪聲功率級(jí)測(cè)定方法，可以有效地運(yùn)用LabVIEW 強(qiáng)大的虛擬儀器開發(fā)功能，在實(shí)現(xiàn)同步多點(diǎn)測(cè)量的同時(shí)，實(shí)時(shí)顯示各測(cè)量點(diǎn)的聲壓級(jí)，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)計(jì)算出平均聲壓級(jí)和聲功率級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源現(xiàn)場(chǎng)的及時(shí)評(píng)判［3］。

本文研究實(shí)現(xiàn)了基于LabVIEW 的噪聲功率級(jí)測(cè)定系統(tǒng)。在下面的討論中，我們首先介紹該系統(tǒng)的硬件部分，包括所設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡接口擴(kuò)展模塊等;然后敘述基于LabVIEW 對(duì)噪聲功率級(jí)進(jìn)行計(jì)算的步驟;第三節(jié)通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出該系統(tǒng)對(duì)一臺(tái)立式充填封口機(jī)噪聲功率級(jí)的測(cè)定，并利用二維圖實(shí)時(shí)顯示出測(cè)量結(jié)果。

1 硬件設(shè)計(jì)

基于LabVIEW 的噪聲功率級(jí)測(cè)定系統(tǒng)的硬件由4路駐極體電容傳聲器作為拾取噪聲傳感器，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波之后，采用單端接入法接到USB2810A 數(shù)據(jù)采集卡上，經(jīng)USB 數(shù)據(jù)傳輸線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。下面就硬件各模塊進(jìn)行分析。

1.1 傳聲器與信號(hào)調(diào)理

要實(shí)現(xiàn)噪聲聲功率的測(cè)量，首先要解決的是用何種器件將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在測(cè)量過(guò)程中，我們先通過(guò)傳聲器將外界作用于傳聲器上的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。聲電換能傳聲器性能的優(yōu)劣在很大程度上決定了噪聲聲功率級(jí)測(cè)量的準(zhǔn)確性［4］。傳聲器按其換能原理的不同，大體可分為電動(dòng)式、壓電式和電容式三種類型，而一個(gè)好的傳聲器，應(yīng)具有頻率范圍寬、頻率響應(yīng)平直、動(dòng)態(tài)范圍大、失真度小、靈敏度高、噪聲小、電磁干擾小等特性。駐極體電容傳聲器是一種不需要外加極化電壓的電容傳聲器，其具有頻率范圍寬、頻率響應(yīng)平直、靈敏度變化小、長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，利用其設(shè)計(jì)聲級(jí)測(cè)量?jī)x器能使測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)更緊湊、體積更小、重量更輕，便于攜帶。本文中使用的駐極體電容傳聲器靈敏度為-35dB ≈

17.8mV/Pa。

從傳感器得到的信號(hào)大多要經(jīng)過(guò)調(diào)理才能進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號(hào)調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波等。本文所采用的數(shù)據(jù)采集卡本身具有硬件放大功能，在信號(hào)調(diào)理部分主要實(shí)現(xiàn)了濾波處理。

由于人耳能聽到的聲音頻率在20 Hz ～20 kHz 之間，因此需要加一個(gè)帶通濾波器，實(shí)現(xiàn)在這個(gè)頻率范圍內(nèi)的濾波?；趥髀暺鞯男盘?hào)采集與調(diào)理電路如下圖1所示。

圖1 傳聲器與信號(hào)調(diào)理電路PCB 圖

1.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集卡一般由多路開關(guān)、放大器、采樣/保持器、A/D 轉(zhuǎn)換器等組成，能實(shí)現(xiàn)模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器等功能。挑選數(shù)據(jù)采集卡時(shí)，用戶需要考慮的是根據(jù)需要選取適當(dāng)?shù)目偩€形式，適當(dāng)?shù)牟蓸铀俾?，適當(dāng)?shù)哪M輸入、模擬輸出通道數(shù)量，適當(dāng)?shù)臄?shù)字輸入、數(shù)字輸出通道數(shù)量等，基于以上各因素的分析，本設(shè)計(jì)采用北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司的USB2810A 數(shù)據(jù)采集卡。

數(shù)據(jù)采集卡USB2810A 的AD 模擬量信號(hào)輸入連接器是37 芯D 型插頭，如圖2(a)所示。圖中，AI0-AI31是AD 模擬量輸入管腳，分別對(duì)應(yīng)于32 個(gè)模擬單端通道，當(dāng)為雙端時(shí)，其AI0-AI15 分別與AI16-AI31 構(gòu)成信號(hào)輸入的正負(fù)兩端;AGND 為模擬信號(hào)地;NC 則無(wú)定義。

為了實(shí)現(xiàn)USB2810A 模擬接口的擴(kuò)展，我們?cè)O(shè)計(jì)了USB2810A 模擬信號(hào)輸入連接器37 芯D 型接口的擴(kuò)展模塊，如圖2(b)和(c)所示。

圖2 USB2810A37 芯D 型接口及其擴(kuò)展

1.3 測(cè)點(diǎn)分布

噪聲源測(cè)量面的選擇原則:在滿足測(cè)量環(huán)境的要求下，盡可能提高測(cè)量準(zhǔn)確度。測(cè)點(diǎn)分布方式主要有半球測(cè)量面和矩形測(cè)量面兩種。在半消聲室或具有良好條件的露天地域，以半球測(cè)量面為好;在聲學(xué)條件較差的測(cè)量環(huán)境下，最好選用矩形測(cè)量面，且距基準(zhǔn)體的距離盡量小。對(duì)小型機(jī)械或機(jī)器雖大但近似于立方體的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可采用半球測(cè)量面;而對(duì)長(zhǎng)方形機(jī)器或高大的機(jī)器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，則可采用矩形測(cè)量面［5］。

半球測(cè)量面的測(cè)點(diǎn)分布在面積為2πr2的測(cè)量面上，分4 個(gè)點(diǎn)，其中r 為測(cè)距，測(cè)距應(yīng)大于或等于聲源最大線性尺寸的2 倍，4 個(gè)測(cè)點(diǎn)距地面的高度為0.6r，距離基準(zhǔn)體中心水平距離為0.8r，分別分布在x，y 軸上;矩形測(cè)量面測(cè)點(diǎn)分別分布在組成矩形測(cè)量面的5個(gè)平面上(不包括地面)，測(cè)量面與基準(zhǔn)體的5 個(gè)平面平行，頂面上的測(cè)點(diǎn)在頂面的中心線上且距頂面距離為d(d 一般取1 m)，4 個(gè)側(cè)面的測(cè)點(diǎn)在4 個(gè)側(cè)面的垂直中心線上，且距基準(zhǔn)體表面距離也為d，而距地面高度為，其中H 為基準(zhǔn)體高度［6］。

2 軟件設(shè)計(jì)

本文基于LabVIEW 對(duì)噪聲功率級(jí)測(cè)定系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。用LabVIEW 開發(fā)出的應(yīng)用程序被稱作VI(Virtual Instrument，即虛擬儀器)，一個(gè)VI 由前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接器三個(gè)基本要素組成，采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)，具有順序、循環(huán)、條件等多種程序結(jié)構(gòu)。

經(jīng)由USB 傳進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)采集卡的放大、濾波等操作而轉(zhuǎn)換為采集設(shè)備能夠識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，在計(jì)算聲功率級(jí)前需要進(jìn)行信號(hào)還原。USB2810A 是LabVIEW 軟件直接支持的板卡，在LabVIEW 環(huán)境中調(diào)用非常方便［2］，通過(guò)還原得到的原始瞬時(shí)聲壓P(t)，再由公式(1)計(jì)算出測(cè)試點(diǎn)的有效聲壓級(jí)PRMS。

式中:PRMSi為第i 測(cè)點(diǎn)的有效聲壓級(jí)，dB;K1i為第i 測(cè)點(diǎn)背景噪聲修正值，dB;N 為測(cè)點(diǎn)總數(shù)。

聲功率級(jí)Lw由公式(3)得到:

式中:S 為測(cè)量面面積，S0=1m2。

程序首先調(diào)用一個(gè)順序結(jié)構(gòu)，共5 幀，目的是使程序能夠按照既定的順序去執(zhí)行，否則，將可能使得加載驅(qū)動(dòng)跟設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)的步驟或其他步驟同時(shí)發(fā)生，引起錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第一幀，利用USB2810_ CreateDevice 創(chuàng)建裝置;順序結(jié)構(gòu)第二幀，通過(guò)函數(shù)USB2810_ InitDeviceAD，初始化數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)，包括采集通道數(shù)(由首通道、末通道決定)、量程選擇、接地方式，并初始化ADBuffer 數(shù)據(jù)為0;順序結(jié)構(gòu)第三幀，利用兩個(gè)while 循環(huán)的內(nèi)嵌，通過(guò)函數(shù)USB2810_ ReadDeviceAD 實(shí)現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)采集卡上的數(shù)據(jù)，因?yàn)橛? 個(gè)通道，利用USB2810A 數(shù)據(jù)采集卡ADBuffer 采集數(shù)據(jù)的排放方式，通過(guò)抽取一維數(shù)組，實(shí)現(xiàn)把4 路通道的數(shù)據(jù)分別拆分出來(lái)，然后通過(guò)層級(jí)計(jì)算公式(1)，(2)，(3)求出聲壓，再由聲壓求出相應(yīng)的聲壓級(jí)，最后轉(zhuǎn)換為聲功率級(jí)，通過(guò)前面板顯示出來(lái)，具體程序框圖可由LabVIEW 生成;順序結(jié)構(gòu)第四幀，利用USB2810_ ReleaseDeviceAD 釋放AD 設(shè)備，停止采樣;順序結(jié)構(gòu)第五幀，利用USB2810_ ReleaseDevice 釋放整個(gè)裝置，框圖程序結(jié)束。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一臺(tái)立式充填封口機(jī)(長(zhǎng)1.2 m×寬1.0 m×高1.8 m)，利用系統(tǒng)對(duì)聲音進(jìn)行采集、分析處理并顯示結(jié)果。其中測(cè)點(diǎn)的分布模擬半球形分布方法，對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的連接方式采用單端輸入，選取± 5V 的輸入量程供選擇，實(shí)際每次讀取的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為4096，通過(guò)組件抽取一維數(shù)組，實(shí)現(xiàn)把每個(gè)通道的1024 個(gè)數(shù)據(jù)獨(dú)立抽取出來(lái)，最后通過(guò)公式(1)，(2)，(3)轉(zhuǎn)換為聲功率級(jí)并以二維圖的形式顯示出來(lái)，如圖3所示，其中橫軸表示采樣的時(shí)間點(diǎn)數(shù)，縱軸給出測(cè)定得到的聲功率級(jí)。

圖3 立式充填封口機(jī)噪聲功率級(jí)測(cè)定結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，由于聲源聲功率各向散布比較均勻，此時(shí)各點(diǎn)瞬時(shí)聲壓基本相似，計(jì)算得到的聲功率級(jí)基本維持在85 ～90 dB 之間，如圖3 中通道合成聲功率級(jí)所示。同時(shí)，從界面可以簡(jiǎn)單明了的看出此時(shí)系統(tǒng)使用的是哪幾個(gè)通道、輸入量程及接地方式是什么，選取的測(cè)量半徑為多少等，系統(tǒng)界面友好。

4 結(jié)語(yǔ)

噪聲功率級(jí)測(cè)定是一個(gè)要求高、影響因素復(fù)雜的測(cè)試工程，本文研究了基于虛擬儀器LabVIEW 的噪聲功率級(jí)測(cè)定方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的軟硬件部分。利用駐極體電容傳聲器采集信號(hào)，通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，濾波后的數(shù)據(jù)經(jīng)由USB2810A 數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入PC 機(jī);實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的軟件部分，基于采集、濾波后的聲壓數(shù)據(jù)，經(jīng)由有效聲壓、聲壓級(jí)、聲功率級(jí)層級(jí)計(jì)算公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出噪聲功率級(jí)，并利用二維圖表實(shí)時(shí)顯示計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)進(jìn)一步開發(fā)可用于對(duì)機(jī)械產(chǎn)品噪聲功率級(jí)的檢驗(yàn)。

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