CN101672692B - 一种基于虚拟仪器的音叉谐振频率快速测量方法 - Google Patents

一种基于虚拟仪器的音叉谐振频率快速测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于测试测量的技术领域。一种基于功率谱分析的音叉谐振频率快速测量方法，其特征是音叉在有色噪声信号的激励下起振，采集音叉输出的端信号，再对采集回来的信号进行滤波和频谱分析。由频谱分析可以快速计算出音叉的谐振频率。测量系统由通用计算机、智能测量软件、专业声卡组成。智能测量软件通过驱动专业声卡产生指定带宽和幅值的有色噪声信号，该信号作为音叉输入端激励信号，然后通过专业声卡采集得到音叉输出端信号。通过功率谱分析，谱峰所对应的频率即为音叉的谐振频率。本发明基于通用计算机平台，以声卡作为数据采集卡，运用LabVIEW虚拟仪器平台技术编写智能测量软件。

Description

一种基于虚拟仪器的音叉谐振频率快速测量方法
技术领域
本发明属于测试测量技术领域，涉及一种以虚拟仪器技术为基础，通过数字信号处理技术快速测量音叉谐振频率的方法。
背景技术
音叉可以被视为一个双端口网络，在被测量时，自身被正弦波信号激励起振，并且音叉的振幅随着激励正弦波频率变化而变化。音叉滤波器具有如下优点：结构简单，体积小，频率温度系数低、品质因数大、通频带窄，介入损耗小、寿命长等。因此，音叉滤波器目前被广泛应用到工业领域里的物料检测开关系统。
音叉滤波器需要闭环系统结合才能正常工作，闭环系统的设计依赖于它本身的谐振频率，音叉滤波器谐振频率可以通过理论计算和仿真分析等方法近似得出，但由于材料特性、加工工艺等因素影响，其结果往往与音叉滤波器的实际固有频率有一定的误差，这就需要测量音叉的实际谐振频率。
一种基于虚拟仪器的音叉谐振频率快速测量方法是通过计算机、声卡和智能测量软来实现的。图1给出了一种音叉频率特性的测量系统。该系统包括通用计算机，智能测量软件，声卡。组成系统的硬件设备均采用通用设备，不需要专门设计，既节省开支，操作起来也方便高效。
LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。
声卡是计算机进行声音处理的适配器，可作为虚拟仪器的数据采集卡和信号发生卡。它有三个基本功能：一是音乐合成发音功能；二是混音器功能和数字声音效果处理器(DSP)功能；三是模拟声音信号的输入和输出功能。声卡处理的声音信息在计算机中以文件的形式存储。声卡工作应有相应的软件支持，包括驱动程序、混频程序和CD播放程序等。本发明中采用的声卡具有24位量化精度的4声道ADC(模数转换)和4声道DAC(数模转换)功能，最高支持192KHz的采样频率。
音叉固有频率的基本测量方法取决于加到被测量音叉的测试信号。传统的测量方法有扫频法测量和点频法测量。扫频法能快速测量出音叉的动态频率特性曲线，但该动态特性曲线峰值低于点频法测量所得的静态特性曲线，所测量的增益最大值处频率不够准确。点频法简单并能准确测量系统的静态特性曲线，从而也能准确测量音叉的固有频率。但对于像音叉这类机械滤波器，其起振时间较长，当涉及的频带较宽、频点较多时，该方法的测量时间相对较长，工作效率相对较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于虚拟仪器的音叉固有频率快速测量方法，克服了现有技术不足，提出了一种基于虚拟仪器的音叉固有频率快速测量方法，实现了音叉固有频率的快速测量。
本发明的技术方案：
该测量装置包括计算机(上位机)、智能测量软件和声卡。智能测量软件通过驱动声卡产生指定带宽和幅值的有色噪声信号，该信号作为音叉输入端激励信号，声卡数据采集通道采集得到相关数据。计算机上的智能测量软件通过数值计算、数字滤波处理、自功率谱分析测量出音叉的谐振频率。
所述的智能测量软件是在LABVIEW环境中编写的，包括配置声音输出和输入、产生高斯白噪声波形、Butterworth滤波器、写入声音输出与读取声音输入和自功率谱分析。软件的程序流程图如图3所示，具体如下：
配置声音输出和输入：配置声卡的每通道采样总数、采样模式、设备ID、采样率、通道数和每采样比特数。通过以上步骤，配置一个生成数据的声音输出和输入设备。
产生均匀白噪声波形：通过配置采样率、采样数和幅值生成一个均匀分布的伪随机波形信号。
Butterworth滤波器：通过调用Butterworth系数模块，根据实际需要设计生成一个目标带宽的数字Butterworth滤波器。均匀白噪声波形信号通过该数字滤波器及得到目标带宽有色噪声信号。
写入声音输出与读取声音输入：目标带宽有色噪声信号数据写入声音输出设备，同时从声音输入设备读取待分析的音叉输出信号数据。
自功率谱分析：对音叉输出端输出信号进行时域信号的单边且经缩放的自功率谱计算。该模块使用下列等式计算功率谱：
Figure G200910308262320091014D000021
其中N是信号中点的个数，*是复共轭，该模块再把功率谱转换为一个单边功率谱。通过产生指定带宽和幅值的有色噪声信号用来激励音叉，音叉在多种频率分量下受激励后起振，频率成份接近音叉固有频率的噪声信号对音叉的起振起到明显的激励作用。通过采集音叉输出端信号，对采集回来的信号进行数字信号处理，包括：数字滤波、自功率谱分析，即可找到功率谱峰值点处对应的频率，即音叉的谐振频率。采用有色噪声，带宽的取值范围包括被测音叉的谐振频率。
最后，通过提取最大功率点处的频率即可快速测量音叉的固有频率。
本发明的有益效果是本发明直接利用现有声卡的成熟技术，通过个人电脑构建虚拟仪器平台智能测量软件，声卡作为专业的数据采集卡，通过产生激励信号，采集数据以及记录分析储存数据，从而实现了音叉的固有频率测量。
由于基于通用计算机平台，利用现有通用计算机的高性能，便捷等特点，并且运用了LabVIEW虚拟仪器平台技术编写智能测量软件，声卡作为数据采集卡，从而构成了可以根据被测量对象音叉的特点而专门设计的固有频率测量系统。整套系统的构成充分利用了现有的资源，减少了额外购置专门设备的开支。
该系统可以用于音叉谐振频率快速测量，也可以用于其它工作频率小于40KHz的电子系统、机械滤波器的固有频率测量。
附图说明
图1为本发明的测量装置的结构示意图。
图2为本发明所述的固有频率快速测量方法流程图。
图3为本发明的程序软件流程图。
图4是正弦波激励频率低于谐振频率点时音叉的起振过程。音叉起振瞬态响应时间接近0.8秒。
图5是正弦波激励频率高于谐振频率点时音叉的起振过程。音叉起振瞬态响应时间接近0.8秒。
图6是正弦波激励频率等于谐振频率点时音叉的起振过程。音叉起振瞬态响应时间约为0.8秒。
图7是时间长度为2秒钟的有色噪声信号。
图8是对音叉输出端采集得到的信号数据。
图9是通过信号自功率谱分析后计算得到音叉的固有频率。
具体实施方式
如图1所示，本发明，计算机、智能测量软件、声卡组成。智能测量软件通过驱动声卡产生指定幅值和带宽的有色噪声信号，音叉是一个双端口网络，该信号作为音叉输入端激励信号，声卡数据采集通道采集得到相关数据。通过数字信号处理的方法测量得到音叉的固有频率。
如图2所示，白噪声信号通过带通滤波器得到有色噪声信号，有色噪声信号生成可以通过智能测量软件驱动专业声卡实现，有色噪声信号激励双端口网络音叉，声卡的数据采集通道同时采集音叉输出端的信号数据。智能测量软件把采集到的信息先经过数字滤波器处理，然后对数据进行自功率谱分析就计算出了音叉的固有频率。

Claims (1)

1.一种基于虚拟仪器的音叉谐振频率快速测量方法，其特征在于：
该基于虚拟仪器的音叉谐振频率快速测量方法的装置包括计算机、智能测量软件和声卡；智能测量软件通过驱动声卡产生指定带宽和幅值的有色噪声信号，该信号作为音叉输入端激励信号，声卡数据采集通道采集得到相关数据；计算机上的智能测量软件通过数值计算、数字滤波处理、自功率谱分析测量音叉的谐振频率；所述的智能测量软件是在LABVIEW环境中编写的，包括配置声音输出和输入、产生均匀白噪声波形、Butterworth滤波器、写入声音输出与读取声音输入和自功率谱分析；具体如下：
(1)配置声音输出和输入：配置声卡的每通道采样总数、采样模式、设备ID、采样率、通道数和每采样比特数；通过以上步骤，配置一个生成数据的声音输出和输入设备；
(2)产生均匀白噪声波形：通过配置采样率、采样数和幅值生成一个均匀分布的伪随机波形信号；
(3)Butterworth滤波器：通过调用Butterworth系数模块，根据实际需要设计生成一个目标带宽的数字Butterworth滤波器；均匀白噪声波形信号通过该数字Butterworth滤波器即得到目标带宽有色噪声信号；
(4)写入声音输出与读取声音输入：目标带宽有色噪声信号数据写入声音输出设备，同时从声音输入设备读取待分析的音叉输出端输出数据；
(5)自功率谱分析模块：对音叉输出端输出信号进行时域信号的自功率谱计算；自功率谱分析模块使用下列等式计算功率谱：
Figure FDA0000031769290000011
其中N是信号中点的个数，*是复共轭，自功率谱分析模块再把功率谱转换为一个单边功率谱；
通过产生指定带宽和幅值的有色噪声信号用来激励音叉，音叉在多种频率分量下受激励后起振，频率成份接近音叉固有频率的噪声信号对音叉的起振起到明显的激励作用；通过采集音叉输出端信号，对采集回来的信号进行数字信号处理，包括：数字滤波、自功率谱分析，即可找到功率谱峰值点处对应的频率，即音叉的谐振频率；采用有色噪声，带宽的取值范围包括被测音叉的谐振频率；最后，通过提取最大功率点处的频率快速测量出音叉的固有频率。
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