全數(shù)字化噪聲測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘　要】提出了一個(gè)具體的全數(shù)字化噪聲測(cè)量系統(tǒng)，并分析了系統(tǒng)中的硬件選擇和軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)給出了采用該系統(tǒng)所獲得的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，可為數(shù)字化測(cè)量提供一種實(shí)際參考模型。
關(guān)鍵詞：噪聲 數(shù)字化 頻譜分析
　　
1　引　言
　 準(zhǔn)確測(cè)量噪聲是控制噪聲的前提條件，通常使用聲級(jí)計(jì)進(jìn)行測(cè)量。聲級(jí)計(jì)一般由傳聲器、放大器、衰減器、計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)、檢波器、指示器、電源等部分組成〔1〕。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ，聲級(jí)計(jì)也發(fā)生了很大的變化，主要表現(xiàn)在指示器由模擬表頭變成數(shù)字顯示。計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使積分聲級(jí)計(jì)變得簡(jiǎn)單可靠，實(shí)現(xiàn)了噪聲測(cè)量自動(dòng)化。目前常見聲級(jí)計(jì)的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)、濾波器是靠運(yùn)算放大器通過阻容器件的配合來實(shí)現(xiàn)的。檢波器也是用對(duì)數(shù)放大器的方法來完成，因此就涉及到模擬線路共有的問題：一致性差、穩(wěn)定性差、線路復(fù)雜等。模擬線路有局限性 ，這樣，數(shù)字技術(shù)就得到了迅速發(fā)展，從而使噪聲全數(shù)字化測(cè)量的需求得以實(shí)現(xiàn)。
2　系統(tǒng)組成
　 全數(shù)字化噪聲測(cè)量系統(tǒng)由傳聲器、前置放大器、量程控制、A／D、計(jì)算處理部分等組成，結(jié)構(gòu)上分成兩大塊：信號(hào)采集和計(jì)算處理。傳聲器、前置放大器、量程控制、A／D、電源組成了信號(hào)處理部分，信號(hào)處理部分還可獨(dú)立進(jìn)行A聲級(jí)測(cè)量；計(jì)算處理部分則是個(gè)人計(jì)算機(jī)加專用軟件包。下面對(duì)系統(tǒng)各組成作逐一介紹：
（1）傳聲器
　 它用來把聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。一般要求它的頻率范圍寬、頻率響應(yīng)平直、失真小、動(dòng)態(tài)范圍大、穩(wěn)定性好，目前常用的是1／2英寸駐極體電容傳聲器。
（2）前置放大器
　 電容傳聲器是一個(gè)電容性元件，它的輸出阻抗高，所以要求前置放大器的輸入阻抗高，輸入電容小。我們選用了AWA14401型前置放大器，它的輸入阻抗大于500MΩ，輸入電容小于1pF ，放大倍數(shù)為1。
（3）量程控制
　 由于噪聲測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍要求大（30dB～140dB），用一檔量程進(jìn)行測(cè)量困難較大，所以我們把該測(cè)量范圍分成三檔，即20dB～100dB，40dB～120dB，60dB～140dB。
（4）高速A／D
　 A／D是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。這是全數(shù)字化噪聲測(cè)量的關(guān)鍵器件，目前A／D的種類很多。一般來說，決定A／D精度的指標(biāo)是位數(shù)。噪聲的變化范圍很寬，所以選用A／D的位數(shù)要多，但位數(shù)越多價(jià)格越高。16位A／D理論上的最大動(dòng)態(tài)范圍是96dB，但考慮到器件的非線性誤差及小信號(hào)的分辨率，實(shí)際動(dòng)態(tài)范圍大約為80dB。A／D轉(zhuǎn)換的速度決定了噪聲測(cè)量的頻率上限，由采樣定理可知測(cè)量頻率的上限為20kHz時(shí)采樣頻率必須大于40kHz，最好大于50kHz。我們選用了16位、50kHz采樣速度的A／D。
（5）計(jì)算處理部分
　 當(dāng)今個(gè)人計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展，運(yùn)算速度大大提高，價(jià)格越來越低，用個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)處理成為現(xiàn)實(shí)。信號(hào)采集部分放在計(jì)算機(jī)的外面，通過計(jì)算機(jī)的打印并行口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 ，用戶不必打開計(jì)算機(jī)就可以使用，通用性強(qiáng)，安裝和維護(hù)方便，只需對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)即可獲得不同的功能。
3　硬件設(shè)計(jì)
　 采用全數(shù)字處理技術(shù)，使得測(cè)量部分的線路大為簡(jiǎn)化。前置級(jí)采用場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換，由于采用了自舉和負(fù)反饋技術(shù)，使得輸入阻抗大于500MΩ，輸入電容小于1pF。
　 A／D轉(zhuǎn)換部分采用數(shù)字電源和模擬電源分開，地線盡量短等措施，使電路的噪聲最小。
　 計(jì)算機(jī)提供的標(biāo)準(zhǔn)接口比較少，一般有RS232C口、打印并行口，最近又有了USB口 。RS23 2C口的數(shù)據(jù)傳輸速率最高只有115200bps，而16位50kHz的采樣速率卻要求大于6400000bps，可見串行口不能進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸；USB的傳輸速度較高，但開發(fā)成本過高；所以只有選用并行打印口了?，F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)都配有EPP并口，傳輸速率可達(dá)300kb／s，能夠滿足高速數(shù)據(jù)采集的要求，而且接口簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)。傳聲器、前置放大器、量程控制、A／D、電源等組成了信號(hào)采集器，放在塑料外殼內(nèi)，考慮到用戶可能要在不連接計(jì)算機(jī)的情況下測(cè)量噪聲，所以又按傳統(tǒng)方法加入了A聲級(jí)測(cè)量線路。
4　軟件設(shè)計(jì)
　 全數(shù)字化噪聲測(cè)量的關(guān)鍵在于怎樣把時(shí)域的時(shí)間序列變成頻域的功率譜，計(jì)算出A、C聲級(jí)，F(xiàn)FT算法是一種最常用的信號(hào)處理的算法。由于A／D的結(jié)果是實(shí)信號(hào)，所以利用FFT的對(duì)稱性又可使FFT的計(jì)算量減少一半〔2〕。
4．1　有效值檢波器的實(shí)現(xiàn)
有效值檢波器指示出交流信號(hào)的有效值。有效值的計(jì)算公式如下〔3〕：

用FFT算法把時(shí)域的時(shí)間序列轉(zhuǎn)換成頻域的信號(hào)后，求落在20～20kHz的信號(hào)的均方根，轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)，再校準(zhǔn)后，就可得到聲壓級(jí)。由于A／D的采集速度很快，信號(hào)不會(huì)丟失，積分計(jì)算法可以近似為累加計(jì)算，可見，這種方法是真有效值檢波。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，峰值因數(shù)可以達(dá)到10。
4．2　頻率計(jì)權(quán)的實(shí)現(xiàn)
　 A／D轉(zhuǎn)換出來的結(jié)果是沒有進(jìn)行頻率計(jì)權(quán)的時(shí)間序列，用FFT變換得到功率譜，按下列兩個(gè)公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)頻率的衰減量〔4〕，經(jīng)過衰減后再進(jìn)行疊加就可得到相應(yīng)計(jì)權(quán)的聲級(jí)。

實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)的各計(jì)權(quán)衰減結(jié)果見表1。

可見頻率計(jì)權(quán)已經(jīng)符合IEC60651中對(duì)1型聲級(jí)計(jì)的要求，甚至達(dá)到了0型聲級(jí)計(jì)的要求。
4．3　頻譜分析的實(shí)現(xiàn)
　 數(shù)字式頻譜分析常見的有兩種方法，一是用FFT計(jì)算出線性譜后再根據(jù)分?jǐn)?shù)倍頻程濾波器的上下限來合成對(duì)數(shù)譜，二是采用相應(yīng)的數(shù)字濾波器直接進(jìn)行。方法一的特點(diǎn)是計(jì)算速度快 ，濾波器的衰減特性好，但是由于FFT的每條譜線是等帶寬的，在低頻時(shí)帶寬比較大，合成分?jǐn)?shù)倍頻程濾波器后，濾波器的精度較差，盡管可以用頻率抽樣等方法改進(jìn)低頻的分辨率，但在分?jǐn)?shù)倍頻程濾波器的帶寬較小時(shí)，用此方法很難保證濾波器的指標(biāo)能滿足GB／T3241－1998的要求〔4〕。方法二的特點(diǎn)是可以利用非常成熟的模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法，濾波器的特性較好 ，可以很容易地滿足國標(biāo)GB／T 3241－1998對(duì)1計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度很快，所以采用第二種方法較好。為了避免舍位誤差的影響，數(shù)據(jù)采用雙浮點(diǎn)型。計(jì)算的精度很高，可以保證在140dB動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的計(jì)算誤差不大于±0．1dB。1／3倍頻程數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法如下：（1）用模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)一個(gè)8階巴特沃茲帶通濾波器；（2）對(duì)模擬頻率進(jìn)行預(yù)畸變；（3）利用雙線性變換法求出數(shù)字濾波的傳遞函數(shù)；（4）輸入一個(gè)采樣值，計(jì)算出一個(gè)輸出值，求各輸出值的均方根；（5）線性平均后轉(zhuǎn)為聲級(jí)顯示。從實(shí)測(cè)的結(jié)果看，用數(shù)字濾波器的方法做出的1／3倍頻程濾波器的性能指標(biāo)完全可以達(dá)到國標(biāo)GB／T 3241－1998對(duì)1型濾波器的要求。

5 全數(shù)字化噪聲測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)
全數(shù)字化噪聲測(cè)量有下面一些優(yōu)點(diǎn)：
　（1）穩(wěn)定性高，無漂移現(xiàn)象，溫度穩(wěn)定性好，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好；
?。?）動(dòng)態(tài)范圍大，線性好，70dB級(jí)的線性范圍內(nèi)最大誤差為0．5dB；
（3）峰值因數(shù)高，可以做到10以上；
　（4）線路簡(jiǎn)單，省去了頻率計(jì)權(quán)、檢波器、時(shí)間計(jì)權(quán)等線路，一致性好，調(diào)試簡(jiǎn)單，便于大批量生產(chǎn)；
?。?）頻譜分析的速度快，1秒種就可以完成20Hz～20kHz共31組1／3倍頻程濾波器的頻譜分析，而用傳統(tǒng)的模擬濾波器最少也要3分鐘，工作效率大大提高；
　（6）可同時(shí)測(cè)量A聲級(jí)、C聲級(jí)的有效值和峰值；
?。?）通過對(duì)軟件的升級(jí)就可得到不同特性的時(shí)間計(jì)權(quán)、頻率計(jì)權(quán)濾波器。
6　結(jié)束語
該系統(tǒng)所使用的軟件是在DOS下編制的，操作界面不夠理想，同時(shí)需進(jìn)一步改進(jìn)算法，加快處理速度。測(cè)量系統(tǒng)的量程控制只能通過手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)范圍只有70dB，正考慮加入自動(dòng)量程控制，將動(dòng)態(tài)范圍增大到110dB，并需有高速計(jì)算機(jī)才能做頻譜分析。下一步可采用DSP器件把測(cè)量?jī)x器做成便攜式全數(shù)字化聲級(jí)計(jì)。隨著數(shù)字信號(hào)處理及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，隨著對(duì)準(zhǔn)確、快捷、方便測(cè)量系統(tǒng)需求的增加，全數(shù)字化噪聲測(cè)量系統(tǒng)及全數(shù)字化聲級(jí)計(jì)必將擁有更廣闊的發(fā)展空間。

　　參　考　文　獻(xiàn)

1　張紹棟，孫家麒．聲級(jí)計(jì)的原理和應(yīng)用．北京：計(jì)量出版社，1986
2　侯朝煥．實(shí)用FFT信號(hào)處理技術(shù)．北京：海洋出版社，1990
3　國家標(biāo)準(zhǔn)出版社總編室．GB3785－83聲級(jí)計(jì)的電、聲性能及測(cè)試方法．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997
4　國家標(biāo)準(zhǔn)出版社總編室．GB／T 3241—1998倍頻程和分?jǐn)?shù)倍頻程濾波器．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997