以 LabVIEW 大幅簡化聲音測量

聲音測量是一項艱鉅的工作，需要高品質的訊號取得、複雜的換算、大量的分析和多種圖像式表現。虛擬儀控開啟了自訂聲音測量應用新的可能性。使用業界標準電腦的強大功能及LabVIEW的彈性，您就可以執行自訂的聲音測量。本文件解釋了如何使用LabVIEW和「聲音及振動工具組」來擷取、分析及呈現聲音資料。最常用的測量結果，還有在聲音測量過程中執行多種工作的LabVIEW範例。

簡介

史上第一次嘗試測量聲音訊號，是在1627年發生的，當時Francis Bacon嘗試在開放的野外測量聲音的速度。雖然他的用意良好，但是因為技術的限制，無法得到有效的測量結果。到了今日，我們可以使用軟體及硬體來協助我們分析聲音訊號的各種面相，而不是只有速度而已。像LabVIEW的可程式化軟體，可以給予我們容易使用、高效能及強大的功能，在短時間內開發複雜的測量。本文件說明了能達成更佳產能，同時提供延展性聲音測量系統的開發步驟。而這種系統將是以LabVIEW工業標準測量軟體為基礎的。

     現代的聲音測量可以說是數位測量系統最艱鉅的工程之一。為了執行成功的聲音測量，軟體必須能夠執行數種工作 (像是資料換算、篩選、分析及視覺化)。從取得資料到呈現結果，LabVIEW都擁有能夠確保精確測量結果的彈性及模組化特性。National Instruments以一組專為讓聲音及振動測量變得更容易的工具組，將LabVIEW的功能加以擴充。National Instruments硬體及軟體緊密地整合，能取代許多套裝的儀器，並提供更多的自訂化能力及功能。

下列的小節提供了某些聲音測量的常見工作的解釋。本文件中的範例使用LabVIEW專業開發系統或完整的開發系統，有些則是使用LabVIEW「聲音及振動工具組」。這些範例可以輕易整合，建立出自訂的聲音測量系統。

資料擷取、換算及加重

大部份的測量系統都是由某些能依據物理現象，產生電子訊號的感應器或變換器開始的。測量這些電子訊號，以及將它們輸入電腦以進行處理的處理過程，就稱為資料擷取。像是音訊之類的動態訊號，需要高解析度及高動態範圍的數位化裝置。National Instruments NI 4472提供了24位元的類比對數位轉換器，能同時在DC到45 kHz的頻寬取得輸入訊號，以確保高解析度的測量值。圖1顯示LabVIEW VI的方塊圖和前方面板部份，最高能同步驅動14台NI 4472裝置，以同時取得112個取樣聲道。在此例中，使用者可以設定積體電路壓電激發，並以每個聲道為基礎搭配AC/DC。然後可將取得的資料製成圖表。

 

 
 

圖 1. 最高以每個取樣24位元同時取得及測試112聲道。

訊號換算

LabVIEW「聲音及振動工具組」(SVT) 提供了高層級的VI，能夠以適當的單位呈現資料 – 包括時域的資料會以正確的工程單位、頻率資料會以分貝呈現等等。然而，經由資料擷取裝置所取得的數據，通常與感應器的電壓有線性的關係；未經處理的數據都帶有正常的電壓單位。訊號換算是將電壓數值轉換為正確工程單位所必須的處理過程。SVS換算電壓為EU.vi提供了簡易的方法，可以將電壓訊號換算為像是pascals、g、m/s²等單位。換算VI是來自數位化裝置的未經處理資料，以及與所使用的麥克風或感應器相關的有用數值之間的橋梁。圖2顯示了一個使用SVT，以對應所觀察到的實際物理現象的單位範圍，來呈現取得資料的VI。

 

 

 

圖2. 以LabVIEW聲音及振動工具組將未經處理資料換算為適當的工程單位。

 

為了獲得正確的訊號換算，可能必須校正系統。當測量的數值和一個標準所提供的數值之間有已知關係時，就能夠完成校正。在聲音測量系統需要含已知數值的外部聲音來源時，通常會來自活塞發聲器或音響測定器。SVT提供了能協助確保完整測量系統精確性的校正VI。

加重濾波器

測量硬體通常是設計為能夠在聲音頻帶之間擁有平整響應的。就另一方面來說，人類的耳朵聽到的是非線性的響應。因為在大部份的情況，最後的感應器是人類的耳朵，因此我們需要將測量的結果加以調適，以符合耳朵的模式。使用加重濾波器就是最能符合我們主觀聲音接收的標準方式。傳統上，加重濾波器是使用類比元件建立的，但是，SVT提供了從時間到頻率資料的數位加重濾波器。圖3顯示一個套用了加重濾波器的VI，並與符合美國國家標準機構 (ANSI) 標準的National Instruments硬體相結合。

圖3. 對以SVT換算的資料套用加重濾波器。

以LabVIEW進行聲音測量

取得、換算並加重聲音訊號之後，我們現在就可以充分利用電腦的處理能力，執行複雜的訊號分析了。本節說明業界中經常使用的通用聲音測量值。除了簡要的解釋之外，還會提供一個展示如何以 SVT執行這些測量值的範例。第一個部份包含了能單獨以LabVIEW完成的標準測量值；第二個部份則展示了SVT如何以簡單的LabVIEW程式碼，執行高層級的聲音測量。

單音資訊

許多聲音測量的標準方法，都需要單音的激發及分析。LabVIEW提供了一個高層級的VI來擷取關於訊號中的音調的重要資訊。擷取單音資訊vi可以尋找訊號中最高的振幅，並計算振幅、頻率及相位。這個VI也可以選擇匯出擷取的音調或減去擷取音調的訊號。為了獲得更佳的效能，本VI也可以將搜尋範圍變窄為特定的頻帶。圖4顯示擷取單音資訊vi分析一個充滿雜訊的正弦波，並報告出數值。這個例子僅限於單聲道分析，但是只要做出小小的變化，就可以同時分析數個聲道。

 

 
 

圖4. 擷取一訊號的單音頻率、振幅及相位。

 

均方根值(RMS)

適用於某些訊號振幅還不足以構成資訊的應用領域。在許多測量領域，像是取得計算結果及功率時，都需要一個訊號的均方根值 (RMS)。LabVIEW 提供了一個能夠藉由平方同時發生的訊號資料，輕易計算均方根值的 VI，在想要的時間內完成整合，並取得平方根值。基本平均DC-RMS.vi也能夠平均由訊號所計算出所需要的均方根值。這個VI也包括了提供時間視窗的選項，以便獲得更佳的測量值。圖5顯示LabVIEW如何使用Hanning視窗，計算線性平均DC及均方根值。

 
 

圖 5. 取得一獲得訊號的平均均方根值。

 

增益

對音訊系統所執行的基本測量之一，就是增益 (Gain)。系統會獲得一個刺激訊號，並產生一個響應訊號。訊號由系統增強的因素就是增益。在不同的頻率計算一系列增益測量值時，可以產生系統的頻率響應函式。圖6顯示依據取得的刺激和響應，計算一系統增益的基本VI。這個例子藉由計算響應的均方根值對輸入均方根值的比率，來得出增益。增益也可以以刺激和響應訊號的振幅比率來表示。這個例子以分貝表示增益，這是評估這種響應的通用方法。

 

圖6. 以取得訊號的均方根值計算系統增益。

 

聲道間串音

通常，串音 (Cross Talk) 是定義為從一個聲道到另一個聲道的訊號漏損量。想進行這種測量，必須對一輸入套用一個訊號；然後測量該訊號出現在另一個非驅動聲道的數據。有許多種不同的標準，可以為不同的條件及特定的適用方式，定義這種類型的測量值。這種測量通常是以非驅動的聲道對驅動聲道的分貝定量所表示的。圖7顯示如何從兩個取得的訊號進行串音分析。

 

 
 

圖 7. 從兩個取得的訊號計算串音。

整體失真

失真 (Harmonic Distortion) 是指不想要的額外訊號，它的頻率為輸入訊號的整數倍數。這種型式的失真，通常是由類比電路所產生的，在決定音訊品質時是重要的測量值。失真是以單一諧波的層級對上原始訊號的層級比率來計算的。整體失真 (THD) 是輸入訊號的諧波所引進的整體失真的測量單位。LabVIEW包括了一個能夠偵測基頻的失真分析器，能計算諧波元件的振幅、測量THD，並匯出選定的訊號。圖8顯示在LabVIEW中使用失真分析器.vi，以取得輸入訊號的THD。所測得的基頻可以用來查驗測量的狀況。

 
 

圖 8. 以LabVIEW測量整體失真。

訊號對雜訊及失真比

LabVIEW SINAD analyzer.vi 中包括了另一種除了THD的測量選項。訊號對雜訊及失真比 (SINAD) 是輸入訊號的能量，對上雜訊及失真能量總數的比率。音訊品質也是使用SINAD測量值來評估的，因為它的結果可以讓我們瞭解想要的訊號，比起不想要的雜訊和失真佔有多少優勢。圖9顯示如何在LabVIEW中進行SINAD測量。在該例子中，取一個取得的訊號，並計算測得的基頻的頻率，並以dB計算出SINAD。在其他的例子中，這個VI也可以用於取得資料的一個聲道或多個聲道。

 

圖9. 測量訊號對雜訊及失真比 (SINAD)。

整體失真加雜訊

能得到一個訊號的SINAD，會讓其他的測量變得較為容易，例如整體失真加雜訊 (THD+N)，就可以輕易由SINAD計算出來。THD+N通常以百分比表示。以分貝表示的THD+N是SINAD的負數，所以需要轉換，方可得到以百分比表示的THD+N。報告出測量所用的確實激訊層級是很重要的，SINAD和THD+N在所適用的刺激上是互相獨立的。圖10中的例子顯示如何由SINAD數值，得出THD+N的百分比表示。

圖10. 由SINAD值計算出THD + N的百分比。

 

動態範圍

聲音系統的通用規格是動態範圍 – 也就是系統中最長範圍訊號對最小訊號的比率。動態範圍可以視為訊號雜訊比，因為系統中最小的訊號通常是雜訊；主要的差別則是動態範圍在出現訊號時，是以系統的雜訊底 (Noise Floor) 計算的。動態範圍通常是以分貝表示，並可以在加重的雜訊底上執行，以得到加重的動態範圍。圖11計算了一包含單一音調的訊號的動態範圍。加重可以加入SVT加重VI，以建立加重動態範圍測量。

 

 

圖11. 判斷一個單一音調訊號的動態範圍。

LabVIEW 聲音及振動工具組範例

 

聲音層級測量

聲音層級可能是最常見的聲音測量值。聲音層級乃是定義為壓力的動態變化。測量值通常參考人類聽覺的臨界值 (通常是 20 µP)，並依據對數振幅單位以dB呈現。在進行聲音層級測量時，您通常會使用加重濾波器及平均法。SVT能夠輕易執行各種不同類型的聲音層級測量。在圖12中，我們呈現了一個依據取得的資料，計算不同聲音壓力的測量值。您也能夠進行重複的測量，以計算長時間的響應次數或相等的雜訊層級。

 

 

圖12. 使用SVT從取得的資料計算數種聲音層級測量值。

八音度分析

少量八度音分析是用來分析聲音及音響訊號的廣泛使用技巧，因為這種分析能展現與人類耳朵響應相似的特性。它的處理過程包括透過一排帶通濾波器送出時域訊號，計算訊號的平均方根值，並以條狀圖顯示數值。八度音分析器的規格是由ANSI和國際電子技術協會 (IEC) 標準所定義的。帶通濾波器及圖形的特性，則是由所需的頻帶及所需的八度音部份定義的。將SVT配合National Instruments DSA板使用，就能夠建立完全符合國際標準的少量八度音分析器。SVT包括了同時符合ANSI和IEC標準的VI；它們可以進行全八度音到1/24八度音的分析。圖13顯示了使用SVT進行1/3八度音分析。

 

 

圖13. 依據ANSI標準進行1/3八度音分析。

頻帶功率

 

頻率測量在聲音應用中是非常廣泛使用的。正因如此，SVT也包括了強大的頻率分析工具。包括了基頻FFT、基頻子集分析及縮放FFT；它們可以得出功率譜、功率譜密度等等。SVT頻帶功率.vi是頻譜分析VI的一種。它能計算特定頻率範圍內的平均功率。如圖14所示，您可以從功率譜、功率密度譜、度量譜或連貫功率譜得出頻帶功率。結果則可以依據輸入單位，以適當單位呈現。

 

 

圖14. 找出特定頻帶的功率呈現。

 

頻率響應

 

執行頻率響應分析的目的，通常是表示系統進行測試中的頻率響應函式 (FRF) 的特色。FRF代表頻域中輸出對輸入的比率。FRF曲線是聲音裝置中經常可以看到的規格。有許多不同的方法可以取得FRF；雙聲道頻率分析可能是最快的方法。跨譜技巧可以依據兩種輸入產生頻率曲線，通常是來自測試單位 (UUT) 的刺激和響應。

 

頻率響應分析的通常步驟，需要使用寬頻刺激進入測試單位 (通常是雜訊或多音調訊號)。然後會同時取得來自UUT的刺激和響應。執行雙聲道頻率分析可以取得UUT的頻率響應及相位響應，以及訊號的連貫性。為了改善FRF的測量值，您可以將響應平均；您所平均的FRF越多，響應曲線越精確。這種方法擁有勝過雜訊、失真及非關聯效果的優點。此外，這項技巧也可以極度快速，因為它可以同時測量所有相交的頻率。它唯一的限制是訊號雜訊比可能會比較低。圖15顯示了從依據SVT所取得的刺激和響應獲得Bode測試的VI。

 

圖15. 以跨譜技巧得出頻率響應函式。

總結

這裡所提出的測量值只是LabVIEW在聲音測量的其中一些可能性。硬體和軟體可以互相整合，完成完整的測量程序 – 取得資料、分析及呈現。LabVIEW的功能及彈性，可以用來擴充系統，以產生多種測量結果、將測試自動化並產生報告，並因此得到更高的效能和較低的整體成本。

網路資源

• NI相關產品:  http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zht/nid/12049
• LabVIEW首頁: http://ni.com/taiwan/labview