【正文】 號失真；輸入信號幅值衰減為 3dB時(shí)的頻率為 —44kHz。在保持一定的數(shù)據(jù)采樣率并且用戶緩存確定的情況下，如果存儲過程中，單批量寫入硬盤的數(shù)據(jù)過少，會出現(xiàn)不能及時(shí)將數(shù)據(jù)從用戶緩存中讀出，從而導(dǎo)致用戶緩存溢出的錯(cuò)誤。 buffer size 用于輸入緩存大小，一般為默認(rèn)。 圖 前面板設(shè)計(jì) 軟件程序 設(shè)計(jì) 首先添加順序結(jié)構(gòu)，第一幀用于錄音前的 等待，大約 5 秒鐘，然后進(jìn)入第二幀。 圖 配置聲音輸入子 VI 的后面板 程序在運(yùn)行時(shí)首先對設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的軟件采集模塊進(jìn)行初始化，進(jìn)行輸入信號是否錯(cuò)誤的判 斷，若輸入信號無錯(cuò)誤，配置聲音格式參數(shù)，如果參數(shù)配置錯(cuò)誤，庫函數(shù)會發(fā)送生成錯(cuò)誤調(diào)用鏈 ； 若無錯(cuò)誤，完成聲音輸入配置，通過聲卡采集數(shù)據(jù)，把 采集到的信 號送入 LabVIEW 模塊中，在 LabVIEW 程序運(yùn)行下，把采集到的信號用 波形顯示出來。 (2)聲音輸入采集子 vi SI 為啟動聲音輸 入 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，程序見圖 所示。 圖 讀取聲音輸入前面板 (4)聲音輸 入清零子 VI SI 的前面板如圖 所示 。 用一個(gè)布爾型控件控制循環(huán)的結(jié)束，亦即錄音結(jié)束。用數(shù)組里面的函數(shù)取出基波頻率。 將提取的基波頻率以文本文件的格式存入文件中。 圖 基波頻率保存路徑 讀出存入的基波頻率與采集的信號的基波頻率比較，誤差為 177。當(dāng)樣本聲音和待檢聲音都被采集并處理后，兩個(gè)頻率就被送入檢測模塊。 圖 聲音 檢測 模塊 當(dāng)差值在閾值范圍之內(nèi)時(shí)，表示輸入聲音與 風(fēng)扇正常運(yùn)行 聲音 基本 匹配 ，前面板顯示綠燈 ；當(dāng)元素 不在 閾值 范圍內(nèi) 時(shí)，說明相應(yīng)的聲音不匹配 ，風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)存在故障， 前面板上顯示紅燈亮 。因此，可將采集過程中的波形和參數(shù)顯示出來，即將采集到數(shù)據(jù)中有用的波形和特征參數(shù)在界面上顯示出來。 本系統(tǒng)是集 聲 音 采集、播放、 時(shí)域與頻域分析等功能于一體。 聲 音 信號是一種典型的非平穩(wěn)信號。 在實(shí)驗(yàn)過程中，提取了 聲音的幅值，聲音的頻率及頻率密度，作為實(shí)驗(yàn)可觀測對象，從簡單 直觀的感覺也能分辨出風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)是否出現(xiàn)故障，但得出的結(jié)論并不準(zhǔn)確，且不能實(shí)現(xiàn)自動檢測。 經(jīng)過諧波失真 檢測出 基頻 ， 基頻是復(fù)雜聲 音中最低且 通常情況下最強(qiáng)的頻率 ， 大多數(shù)通常被認(rèn)為是聲音的基礎(chǔ)音調(diào) 。 圖 諧波失真分析后面板 頻域分析 時(shí)域和頻域是觀察信號的兩種方法，時(shí)域分析和頻域分析技術(shù)也是目前信號處理的主要方法。在時(shí)域信號處理中復(fù)雜的方程和算法，變換到頻域進(jìn)行解決，求解起來就有可能會變得很方便。 對 信號進(jìn)行譜分析，本文主要進(jìn)行了 “ 功率譜 密度 分析 ” 和 “ 幅度譜分析 ” 。 圖 頻譜分析后面板 在程序的條件循環(huán) 過程 中，可通過 布爾控件 選擇功率譜 密度 或幅度譜。隨機(jī)信號是時(shí)域無限信號，不具備可積分條件，因此不能直接進(jìn)行傅氏變換。所以標(biāo)準(zhǔn)叫法是功率譜密度。保留頻譜的幅度信息，但是丟掉了相位信息 ，所以頻譜不同的信號其功率譜是可能相同的。自功率譜密度有明確的物理含義：當(dāng) tao＝ 0時(shí)， Sxx（ f） 曲線與頻率軸 f所包圍的面積就是信號的平均功率。完成調(diào) 試后可以通過運(yùn)行來檢查所編寫 VI 的功 能。 3） 子 VI 處于斷開狀態(tài)，或在程序框圖上放置子 VI 后又對該子 VI 的連線板進(jìn)行修改而沒有更新 調(diào)試 VI 在程序調(diào)試中根據(jù)出現(xiàn)的問題，找到以下幾種解決方法 : 1）找出語法錯(cuò)誤 如果一個(gè) VI 程序存在語法錯(cuò)誤，則在面板工具條上的運(yùn)行按鈕將會變成一個(gè)折斷的箭頭 ，表示程序不能被執(zhí)行。這樣，你就可以在根據(jù)數(shù)據(jù)的流動狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí)行。斷點(diǎn)的顯示對于節(jié)點(diǎn)或者圖框表示為紅框?qū)τ诼?lián)機(jī)表示為紅點(diǎn)。 4）探針 可以用探針工具來查看當(dāng)框圖程序流經(jīng)某一根連接線時(shí)的數(shù)據(jù)值。在框圖中使用選擇工具或聯(lián)機(jī)工具，在聯(lián)機(jī)上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在聯(lián)機(jī)的彈出式菜單中選擇“探針”命令同樣可以為該聯(lián)機(jī)加上一個(gè)探針。 實(shí)驗(yàn) 測試 結(jié)果 （假設(shè)為理想無噪聲環(huán)境） （ 1） 風(fēng)扇正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 得到各聲音波形及聲音基波頻率 風(fēng)扇聲音采集部分得到的采集監(jiān)控波形，如圖 所示。 圖 風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)無故障得到的兩次基波頻率 （ 2） 發(fā)生故障時(shí) 得到各聲音波形及聲音基波頻率 風(fēng)扇聲音采集部分得到的采集監(jiān)控波形，如圖 所示。 圖 風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn) 正常運(yùn)轉(zhuǎn) 得到的基波頻率 與故障時(shí)的基波頻率 （ 1） 風(fēng)扇正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)。 圖 幅度譜或功率譜密度曲線 快速傅里葉分析得到相頻與幅頻 曲線，如圖 所示 。 圖 幅度譜或功率譜密度曲線 快速傅里葉分析得到相頻與幅頻曲線，如圖 所示 。LabVIEW 雖然為我們提供了功能完善的調(diào)試工具，但仍然存在著許多隱含在程序 內(nèi)部的錯(cuò)誤無法發(fā)現(xiàn)。這時(shí)顯示器上會出現(xiàn)一個(gè)探針顯示窗口。按下單步執(zhí)行按鈕，閃爍的節(jié)點(diǎn)被執(zhí)行，下一個(gè)將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)變?yōu)殚W爍，指示它將被執(zhí)行。使用斷點(diǎn)工具可以在程序的某一地點(diǎn)中止程序執(zhí)行，用探針或者單步方式查看數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊它，則 LabVIEW彈出錯(cuò)誤清單窗口，點(diǎn)擊其中任何一個(gè)所列出的錯(cuò)誤，選用 Find 功能，則出錯(cuò)的對象或端口就會變成高亮。 2）必須連接的程序框圖接線端沒有連線。 在實(shí)驗(yàn)過程中，自功率譜向外輸出的信息并不穩(wěn)定，所以不能以“ 隨機(jī)信號自身與其他信號在不同時(shí)刻的內(nèi)在聯(lián)系 ”來作為是否發(fā)生故障的依據(jù)。 自功率譜詳細(xì)信息 自功率譜密度函數(shù) Sxx（ f） ：反映相關(guān)函數(shù)在時(shí)域內(nèi)表達(dá)隨機(jī)信號自身與其他信號在不同時(shí)刻的內(nèi)在聯(lián)系。像白噪聲就是平行于 w軸，在 w軸上方的一條直線。功率譜與自相關(guān)函數(shù)是一個(gè)傅氏變換對。 圖 配置頻譜測量 利用 “ Scaled Time Domain Window” 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加窗處理，其主要目的是平滑截?cái)喑霾贿B續(xù)的變化并減少泄漏，不同窗處理會帶來不同影響，本設(shè)計(jì)共有 “ Hanning” “ Hamming” “ BlackmanHaarris” 等 19 種窗函數(shù)供用戶結(jié)合實(shí)際處理信號進(jìn)行選擇。隨機(jī)過程或系統(tǒng)的頻率成分，它表示隨機(jī)信號頻率的統(tǒng)計(jì)特性，有明顯的物理意義，是信號處理的重要研究內(nèi)容之一，隨機(jī)信號是無始無終具有無限能量的，所以其傅立葉變換并不存 在， 因 為它不滿足絕對可積的條件，因此需要研究其在頻域上的功率分布情況，即功率譜密度或功率譜，幅度譜就是復(fù)頻譜，取幅度后得到的幅度與頻率之間的關(guān)系曲線。在 LabVIEW 中提供了許多頻域分析的函數(shù)節(jié)點(diǎn)。一般在頻域分析信號可以得到更多的信息，因此 以往 更重視在頻域內(nèi)對信號進(jìn)行分析。 在程序運(yùn)行過程中，分別經(jīng)過短時(shí)功率譜分析，諧波失真分析之后，進(jìn)而提取聲音基波頻率，聲音基波頻率顯示在系統(tǒng)前面板，并且將進(jìn)入索引數(shù)組的基波頻率值進(jìn)入系統(tǒng)檢測環(huán)節(jié)。 諧波失真指原有頻率的各種倍頻的有害干擾 放大的頻率信號 產(chǎn)生的次諧波 及許多更高次的諧波 ， 理論上此數(shù)值越小 ， 失真度越低 。這樣，我們就可以采用平穩(wěn)過程的分析處理方法來處理了。 時(shí)域分析 聲 音 信號本身就是時(shí)域信號，進(jìn)行 聲音 信號分析時(shí)， 最直觀的就是 聲音 信號的 時(shí)域波形，因而時(shí)域分析是最早使用 、 應(yīng)用范圍最廣的一種方法。 LabVIEW 的程序支持模塊化開發(fā)，大大方便了程序的設(shè)計(jì)及運(yùn)行。 如圖 所示 。然后 再與設(shè)定的閾值作比較（閾值體現(xiàn)了系統(tǒng)允許的匹配誤差范圍，由用戶自行設(shè)定）。如果在誤差范圍內(nèi)則通過，超出范圍則不通過。如圖 所示 。 采集與檢測方法也就是采集 基波頻率 與 待檢測頻率相匹配 的過程。 圖 聲卡初始化設(shè)置的程序框圖 提取特征頻 率部分。 在 loop 循環(huán)內(nèi)添加移位寄存器，初始化為空的數(shù)組，每采樣一個(gè)數(shù)值加進(jìn)數(shù)組。 當(dāng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度比較緩慢時(shí)，使得緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)被覆蓋后，會報(bào)告產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤信息，在這個(gè)時(shí)候，程序開發(fā)人員或者系統(tǒng)使用人員應(yīng)該重新設(shè)置采樣頻率，盡可能在在數(shù)據(jù)存儲和讀取之間找到一個(gè)合格的兼容。這里可利用筆記本電腦內(nèi)置的麥克風(fēng)， line， 錄 入音頻信號。 為了防止 信號干擾 ， 程序首先進(jìn)入有效音頻等待階段 ， 此時(shí)程序通過 “ SI READ” 子 VI 讀取聲卡采集的信號 ， 并捆綁為一個(gè)波形 ， 通過 “ 提取單頻信息 ” 模塊提取該聲音信號的主頻率的幅值輸出顯示 。中間的 五 個(gè)波形顯示器用于顯示實(shí)時(shí)波形，最終 數(shù)組捆綁 波形， 幅度 譜 及經(jīng)過快速傅立葉分析的幅 頻 與相頻信號波形 。 前面板設(shè)計(jì) 添加布爾型控件 ‘ 采音 /檢測 ’ ，用于選擇采集 聲音 還是 檢測故障 ，下面的 stop 控件用于停止錄音。 聲卡初始化設(shè)置 ： 聲卡初始化設(shè)置參數(shù) （ 通道形式、聲卡采樣頻率、每采樣位數(shù) ）由 “ sound format” 子 VI 輸入 “ 聲音輸入配置 ” 子 VI， 并將設(shè)置參數(shù)中的 “ 聲卡采樣頻率 ” 輸出作為后面程序參數(shù) ， 根據(jù)聲卡的性能指標(biāo)以及本設(shè)計(jì)的需要 ， 將聲卡采 樣頻率設(shè)為 441000Hz， 采樣位數(shù)為 16 位 ， 采樣參數(shù)為單聲道 。 圖 揚(yáng)聲器采樣頻率和深度 I/O 設(shè)備： 鍵盤、鼠標(biāo)、耳機(jī) （ 或音響 ） 、麥克風(fēng)。 圖 風(fēng)扇故障檢測信號處理平臺的系統(tǒng)功能模塊圖 風(fēng)扇故障檢測信號處理平臺的系統(tǒng)流程圖，如圖 所示。總之，模塊化編程不但可以提高編程效率、重復(fù)利用子程序、便于程序調(diào)試和修改，而且便于模塊的集成開發(fā)、程序的擴(kuò)展和系統(tǒng)功能的完善。 LabVIEW 內(nèi)置 有基于軟件的測量函數(shù)和復(fù)雜的分析功能。因?yàn)榫亩x了程序的模塊接口，很容易把問題定位到特定的模塊。在模塊化編程中，可以把這些部分保存起來，以備將來使用。定義好模塊的輸入和輸出之后，程序員可以給模塊提供需要的輸入，通過檢測輸出來判斷模塊的正確性。模塊化程序一般比單塊程序容易編寫、調(diào)試修改。該系統(tǒng)除 了前面介紹的功能和優(yōu)點(diǎn)外，還具有良好的移植性。當(dāng)然，也有一些便宜的國產(chǎn)數(shù)據(jù)采集卡，但這些數(shù)據(jù)采集卡良莠不齊，讓用戶很難分辨其性能的好壞，且驅(qū)動更新很困難、測量精度也不高、傳輸速率比較慢等。 NI 公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡有多種總線類型（可選擇），模擬輸入有多通道（ 4 個(gè)通道以上），傳輸帶寬比較大，采樣精度高、延時(shí)少，而其價(jià)格（官方網(wǎng)站報(bào)價(jià)為 RMB 8， 010～ 89， 090）卻不是普通用戶能夠承受的。因此，用聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡是可行的。聲卡可以較準(zhǔn)確地測量音頻范圍內(nèi)的信號，例如：振動、轉(zhuǎn)速、心肺聽診、心電圖、地震波，聲音 ，電源諧波 等， 根據(jù)所用傳感器的不同而不同，當(dāng)然還要看所用的軟件。聲卡的時(shí)基精度通常為 %。測量的準(zhǔn)確度由聲卡的質(zhì)量決定。聲卡通常被用來作為音頻輸入、輸出設(shè)備，用于記錄、合成和回放語言、音樂和歌曲。然而，其性能與價(jià)格基本成正比，少則幾百、多則上萬元的價(jià)格使得系統(tǒng)開發(fā)成本大大增加，系統(tǒng)性價(jià)比（性能 /價(jià)格）大大減小。這稱之為采樣定理。在實(shí)際工作中，信號的抽樣是通過 A/D 芯片來實(shí)現(xiàn)的。連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，經(jīng)歷兩個(gè)斷續(xù)過程： 1） 時(shí)間斷續(xù) 對連續(xù)的模擬信號 x（ t） ，按一定的時(shí)間間隔 Ts，抽取相應(yīng)的瞬時(shí)值 （ 也就是通常所說的離散化 ） ，這個(gè)過程稱為采樣。 聲卡測量信號的引入采用音頻電纜或屏蔽電纜以降低噪聲干擾 .由于該傳感器沒有前置濾波去噪功能 ， 可能在采集時(shí)帶來部分噪聲信號 ， 但對一般的實(shí)驗(yàn)性研究不會帶來太多影響 ， 在后面可以通過軟 件濾波消噪 達(dá)到良好的效果 。一般聲卡的緩沖區(qū)是 8KB（ 8192）。 f） 總諧波失真：英文全稱為 Total Harmonic Distortion，簡稱 THD，是指用信號源輸入信號時(shí)，輸出信號（諧波及其倍頻成分）比輸入信號多出的額外諧波成分，通常用百分?jǐn)?shù)來表示。若用單聲道采樣，左右聲道信號都相同，且幅值為原信號的 1/2；用立體聲采樣，左右聲道互不干擾，可以采集兩路不同的信號，而且幅值與原信號相同。在計(jì)算機(jī)中一般的聲卡是 16 位的，信噪比可達(dá) 96dB。 b） 采樣位數(shù)：將聲音從模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的二進(jìn)制位數(shù)，即進(jìn)行 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換的精度。 a） 復(fù)音數(shù)量：復(fù)音數(shù)不是聲卡的 DAC（ DigitaltoAnalog Conversion，數(shù)字 /模 擬轉(zhuǎn)換器）或 ADC（ AnalogtoDigital Conversion，模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換器）的轉(zhuǎn)換位數(shù)，而 是代表聲卡能同時(shí)發(fā)出多少種聲音。 聲卡工作原理及性能指標(biāo) 聲音的本質(zhì)是一種波，表現(xiàn)為振幅、頻率、相位等物理量的連續(xù)性變化。一般聲卡 16 位的 A/D 轉(zhuǎn)換精度，比通常 12 位 A/D 卡的精度高，對于許多工程測量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)來說都是足夠高的，其價(jià)格卻比后者便宜得多。 圖 聲卡的工作流程 目前市售的數(shù)據(jù)采集卡都包含了完整的數(shù)據(jù)采集電路和與計(jì)算機(jī)的接口電路，但其價(jià)格與性能基本成正比，一般比較昂貴。聲