论文研究-基于LabVIEW的声源信号采集与处理 .pdf

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基于LabVIEW的声源信号采集与处理,李运炅,谢峰,为实现噪声源的识别与定位,对声源信号进行了一定的研究,开发了能够实现声源信号采集与运算处理的系统。系统的信号采集部分,可
围到技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 声源识别定位系统 示波模块 标定模块 采集模块 时域示波 通道设置 采集设置 频域示波 灵敏度 声压信号 的采集 功率署 波 图2软件模块示意图 Fig 2 Schemat ic diagram of the software module 11示波模块 70 示波模块用」采集信号的显示,其目的是检查各个通道的连接情況,观察信号源整体的 波形情況,从而可对所测声信号的频率、相位和幅值情况进行了解。同时,也可以通过打开 文件的方式对以往采集获得并保存的声源信号进行示波。示波模块的后台程序图如图3所 示。图4所示为示波模块不同功能,按从左到右,从上到下的顺序,依次是时域示波、频域 示波、功率谱示波和1/3倍频程 窗区数 幅值 dBon①频率范围 TEN dBon(重新平均 回 Power spectrur 文件对话 y→EJ 框 草拟 TFk TFD 所选路径一 频率范围 L EOE N octave gra dB On m TF 平均横式 平均方 averaging parameters 计权模氏 平均 U32H 雪加还原真 1US2H 线性模式 time reco LD K da 75 图3示波模块程序框图 Fig 3 Blo ck diagr am of the oscilloscop e module 武获记文在线 http:/www.paper.edu.cn 词显导示的系香1F胜 。u ANc4pN-A X /i 42 il 150200250200350A0C 幸H-] 时城示频显示功塑示波13他程 示|量示功率卷读12倍 200 Fren FrequenDY [ Hzl 了均力式 密函数 下地遵式 dB Cn m 重新干均F ∠ UUUJHZ 计权 图4示波模块不同功能显示 Fig 4 Different functions of the oscilloscope module 在该界面中,可以通过切換选项卡选择不同功能的示波,其中包括时域显示、频域显示、 80 功率谱小波以及三分之一倍频程这四种功能小波。在小波前面板中间是一个小波图,用于小 波显示。在界面的右上方,点击打开按钮可以从计算机中选择采集后保存的文件,对该文件 进行示波。示波模块下方能够选择窗函数,采用不同的窗函数对信号进行截断可以减少频谱 能量泄露。点击窗函数按钮,示波图中出现实时示波和加窗示波这两种图形,同时窗函数按 钮会变成“不加窗”,再点击不加窗按钮,加窗图像就会消失。 85 1.2标定模块 标定模块的目的就是获得传声器的灵敏度,通过传声器获取的模拟信号,灵敏度和声压 三者之间的函数关系计算岀所需物理量,且精确的灵敏度是准确采集声压数据的重要前提。 如图5所示,为标定模块的界面 武获记文在线 http:/www.paper.edu.cn 转速设置 傈作 文什 标定值 Fl] 0.0001 啼开始 15915 0.0001 ■山 色保 -00003 9400 10000 物理通道 通道名称 祸棋山 见号物理量 备注 N=N 转速2 6「MN 入1 Insar 90 图5标定模块示意图 Fig 5 Schematic diagram of the calibration module 在开始标定之前要对所使用通道进行设置,并将标定和所使用通道设置在一个前面板, 这样可以方便査看不同功能的通道改置对标定的影响。在物理通道中包含转速通道和普通的 输入通道,因为两种通道连接的传感器不同,所以在校准器设置中要对两种不同通道分别设 95 置。在转速校准器设置中,标定值和频率分别默认是1.00EU和159.15酝;在声压校准器设 置中,标定值和频率分别默认是94dB和1000z。由于传感器产生的电量是很小的,因此 传感器产生的电信号很容易受到噪声干扰,需要用灵敏的电子器件对其进行放大和信号调 理。IPEP中集屮了灵敏的电子器件使其尽量靠近传感器以保证更好的抗噪声性并吏容易封 装,且两种不同传感器也对应不同的IEPE开关。在通道设置中,横着的一行代表一个通道 100 竖着的一刎代表一种属性,通过拉取右边的滚动条可以查看更多的通道。对需要标定的通道, 就在它的廾关复选框中打钩,不在复选框打钩的通道也就说明不参与木次标定ε在标定界面 中有一个波形图,可以显小勾选通道的实时波形。 1.3采集模块 准确地获取声信号是准确识別声源的关键,该系统具有多通道冋步数据采集功能,能够 105 实现多通道信号的同步数据采集,同时可以实现多通道信号同步示波。如图6所示,为采集 模块的界面。 武获记文在线 http:/www.paper.edu.cn 0. 0C06 -0.0002 0. 0006 n 0.05 0.1 0.1E.2 0.25 0.3 035 0.40.45050.550606507.751805.051 物连追 样时间Isl 并片条 一样粒 图6米集模块示意图 Fig 6 Schematic diagram of the acquisition module 110 在前面板上把采集显示的图形分为五种显示方式,即一次显示一个、两个、三个、四个 或者六个波形图,在图形显示个数的下拉菜单选择,每一个波形图都可以选择想要显示的通 道。在下拉菜单对采集进行设置,包括采样设置、触发设置、通道设置和平均设置ε点击停 止按钮停止采集,采集后的信息点保存按钮保存到计算机中。系统声压数据的采集程序如图 7所示 理通道回个 Finite Samplesx 压 样钟 模拟波形 1通道N采样 115 图7采集模块程序框图 Fig 7 Block diagram of the acquisition module 数据采集程序主要由5个采集指令函数组成,分别为 DAQmx创建虚拟通道函数 DAQmx采样定时函数、 DAQmx任务开始函数、 DAQmx读取数据函数以及 DAQmx清除任 120 务函数。创建虚拟通道函数对声压信号进行数据采集。采样定时函数是用来配置采样点数 采样频率以及将采样模式设定为有限点采样。开始任务函数的作用是保持采集数据任务的运 行状态。 DAQmx读取数据函数用来读取采集的数据,该指令函数是多态Ⅵ。 DAQmx清除 任务函数用来结束采集数据后对硬件资源的释放。 2声源数据运算处理 125 木文系统中的声源数据处理模块结合了两种声源识别定位算法对声溟进行识别定位,分 别为平面NAH、互谱成像算法。 国武获记文在线 http:/www.paper.edu.cn 21平面NAH模块 NAH解决了传统声全息技术无法准确记永声信号中随传输距离变化幅值急剧衰减的 “倏逝波”部分,并在声场重建过程中充分利用倏逝波,得到不受瑞利判据影响的声学像。 130 NAH的理论过稈是通过获得测量(全息)面的声压反演出距离声源更近表面(重建面) 的声压,振速等声学量。其理论反演表达式为 P(k, k, z)=P(k,k, z,e h-s 上式中的k,k,k,分别为x,y,z轴上的声源波数,P(k,k,z)为重建面z=z,面上 的复声压,P(k,k,2)为全息面z=z面上的复声压。 下面使用本系统NAH算法处理模块对声源信号进行处理,并对比 Matlab的仿貞结果, 135 对系统算法进行验证。仿貞模型如图8所示。 重建面S 2m 全息面H 0.06 0.03 重建面 测量(全息)面 11水41 41*41 图8平面NAH仿真示意图 Fig 8 Simu lation diagr an of p lane NAh algorithm 声源信号采用的是一个脉动球声源,其频率为1500H,球半径为r=0.02m,球心位于 坐标原点,全息测量面设置的大小为1m×1m(-10m≤x≤1.0m-10m≤y≤1.0m),各测点 的间隔均为0.05m,测点数为41×41个,且到声源的距离为0.06m,重建面到声源的距离 可设置为003m。则分别经过 Matlab软件和 Lab View处理后的重建面三维声压分布如图9 140 所 中国到获记文在线 http:/www.paper.edu.cn 重建面声压 250 200 150 0.5 0.5 0 -0.5 NAH实验NAH真 重速面理(b) 声源频率声源半径 25648 1500 0.02 声源 88 0 0 128.78 声源 空气密度 1.21 1.08 重建面起始值全息面起始值 -1.0 156 间隔 1c 005 0.05 重建面终值全息面终值 1.0 重建面距高全息面距高 0.03 0.06 图9平面NAH声压重建结果 Fig9 Result of the plane nah algorithm 图9(a)表小 Matlab程序中面NAH的声场重建结果,图9(b)表小本文LabⅥEW系统 中平面NAH的声场重建结果。对比图%a)和9(b),可以看出本系统中的平面NAH算法能 145 够准确的重建出声场中重建面上的声压信息,可以达到和 Matlab软什仿真一样好的效果。 22互谱成像算法模块 互谱成像算法是通过测量阵列采集得到的声压数据反向聚焦声源面划分出的网格,将输 武获记文在线 http:/www.paper.edu.cn 出最大处看作声源的具体位置,具体互谱成像算法示意图如图10所示,图中r表示测点到 测量面中心的距离,为聚焦点到测量面中心的距离。 聚焦面 150 测量面 图10互谱成像算法示意图 Fig. 10 Schematic diagram of cross-spectral imaging al gor ithm 通过互谱成像算法对聚焦面上r处进行反向聚焦,得到的输出为: b(r) v(r) M 上式中vr)=[v(r),v();…)为导向向量,M为测点个数,向量中的元素为 155 中).-为聚焦点到测点的距离H为张焦点到测量而 中心的距离。pp为声压互谱矩阵,()"为矩阵的共轭转置形式。 下面使用本系统互谱成像算法处理模块对声源信号进行处理,并对比 Matlab的仿真结 果,对系统算法进行验证。仿真模型如图11所示。 聚焦面 测量面 韭 聚焦面 测量闻 21*21 图11互谱成像算法仿真示意图 160 Fig 11 Simulation diagram of cross-spectral imaging al gorithm 声源信号采用一个点声源,位于坐标原点,声源频率为1000H,声源(聚焦)面设置的 武获记文在线 http:/www.paper.edu.cn 大小为1m×1m(0.5m≤x0.5m-0.5m≤y≤0.5m),各聚焦点的间隔均为0.05m,聚焦点 数为21×21个。声测量面设置的大小也是1m×1m(0.5m≤x≤0.5m-0.5m<y≤0.5m),各 聚测点的间隔均为0.05m,测点数为21×21个,且到声源的距离为0.1m。则分别经过 Matlab 165 软件和LabⅥEW处理后识屴出的声源位置如图12所小。 -0.5 0.5 互谱成像实验互成像仿真 050 -0.99 单声源双声源 声原1 声源1z声源1频率 1000 声源面起始值测量面始值 -010 声游面明隔测量面问隔 005 030 声源面终值测量面终值 测量距高信比 010 1239164 ⅩAis 图12互谱成像算法单个声源定位结果 12 Single source lo calization result of cross-spectral imaging algorithm 图12(a)表小 Matlab程序中互谱成像算法的声源定位结果,图12(b)表小本文 LabView 系统中互溍成像算法的声源定位结果。对比12(a)和12(b),可以看出本系统中的互谱成像算 170 法能够准确识別岀声场中声源所处的位置,且可以达到和 Matlab软件仿真一样好的效果。 系统中的互谱成像算法不仅可以识別单个点声源,当声场中出现2个声源时,系统算法 同样可以对其进行定位。两个声源分别位于(0m,-0.1m,0m)和(0m,01mn,0m),其他参数 与识别单个声源时相同。双声源定位结果如图13所示,图中的两个红色斑点屮心即为两个

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