全數字化噪聲測量系統設計
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關(guān)鍵詞：噪聲 數字化 頻譜分析
1 引 言
準確測量噪聲是控制噪聲的前提條件，通常使用聲級計進(jìn)行測量。聲級計一般由傳聲器、放大器、衰減器、計權網(wǎng)絡(luò )、檢波器、指示器、電源等部分組成〔1〕。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ，聲級計也發(fā)生了很大的變化，主要表現在指示器由模擬表頭變成數字顯示。計算機技術(shù)的應用使積分聲級計變得簡(jiǎn)單可靠，實(shí)現了噪聲測量自動(dòng)化。目前常見(jiàn)聲級計的計權網(wǎng)絡(luò )、濾波器是靠運算放大器通過(guò)阻容器件的配合來(lái)實(shí)現的。檢波器也是用對數放大器的方法來(lái)完成，因此就涉及到模擬線(xiàn)路共有的問(wèn)題：一致性差、穩定性差、線(xiàn)路復雜等。模擬線(xiàn)路有局限性 ，這樣，數字技術(shù)就得到了迅速發(fā)展，從而使噪聲全數字化測量的需求得以實(shí)現。
2 系統組成
全數字化噪聲測量系統由傳聲器、前置放大器、量程控制、A／D、計算處理部分等組成，結構上分成兩大塊：信號采集和計算處理。傳聲器、前置放大器、量程控制、A／D、電源組成了信號處理部分，信號處理部分還可獨立進(jìn)行A聲級測量；計算處理部分則是個(gè)人計算機加專(zhuān)用軟件包。下面對系統各組成作逐一介紹：
（1）傳聲器
它用來(lái)把聲信號轉換成電信號。一般要求它的頻率范圍寬、頻率響應平直、失真小、動(dòng)態(tài)范圍大、穩定性好，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 ，放大倍數為1。
（3）量程控制
由于噪聲測量的動(dòng)態(tài)范圍要求大（30dB～140dB），用一檔量程進(jìn)行測量困難較大，所以我們把該測量范圍分成三檔，即20dB～100dB，40dB～120dB，60dB～140dB。
（4）高速A／D
A／D是模擬數字轉換器。這是全數字化噪聲測量的關(guān)鍵器件，目前A／D的種類(lèi)很多。一般來(lái)說(shuō)，決定A／D精度的指標是位數。噪聲的變化范圍很寬，所以選用A／D的位數要多，但位數越多價(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(xiàn)性誤差及小信號的分辨率，實(shí)際動(dòng)態(tài)范圍大約為80dB。A／D轉換的速度決定了噪聲測量的頻率上限，由采樣定理可知測量頻率的上限為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）計算處理部分
當今個(gè)人計算機飛速發(fā)展，運算速度大大提高，價(jià)格越來(lái)越低，用個(gè)人計算機進(jìn)行高速數據處理成為現實(shí)。信號采集部分放在計算機的外面，通過(guò)計算機的打印并行口進(jìn)行數據通信 ，用戶(hù)不必打開(kāi)計算機就可以使用，通用性強，安裝和維護方便，只需對軟件進(jìn)行升級即可獲得不同的功能。
3 硬件設計
采用全數字處理技術(shù)，使得測量部分的線(xiàn)路大為簡(jiǎn)化。前置級采用場(chǎng)效應管進(jìn)行阻抗變換，由于采用了自舉和負反饋技術(shù)，使得輸入阻抗大于500MΩ，輸入電容小于1pF。
A／D轉換部分采用數字電源和模擬電源分開(kāi)，地線(xiàn)盡量短等措施，使電路的噪聲最小。
計算機提供的標準接口比較少，一般有RS232C口、打印并行口，最近又有了USB口 。RS23 2C口的數據傳輸速率最高只有115200bps，而16位50kHz的采樣速率卻要求大于6400000bps，可見(jiàn)串行口不能進(jìn)行高速的數據傳輸；USB的傳輸速度較高，但開(kāi)發(fā)成本過(guò)高；所以只有選用并行打印口了?，F在的計算機都配有EPP并口，傳輸速率可達300kb／s，能夠滿(mǎn)足高速數據采集的要求，而且接口簡(jiǎn)單，通用性強。傳聲器、前置放大器、量程控制、A／D、電源等組成了信號采集器，放在塑料外殼內，考慮到用戶(hù)可能要在不連接計算機的情況下測量噪聲，所以又按傳統方法加入了A聲級測量線(xiàn)路。
4 軟件設計
全數字化噪聲測量的關(guān)鍵在于怎樣把時(shí)域的時(shí)間序列變成頻域的功率譜，計算出A、C聲級，FFT算法是一種最常用的信號處理的算法。由于A(yíng)／D的結果是實(shí)信號，所以利用FFT的對稱(chēng)性又可使FFT的計算量減少一半〔2〕。
4．1 有效值檢波器的實(shí)現
有效值檢波器指示出交流信號的有效值。有效值的計算公式如下〔3〕：
用FFT算法把時(shí)域的時(shí)間序列轉換成頻域的信號后，求落在20～20kHz的信號的均方根，轉換為對數，再校準后，就可得到聲壓級。由于A(yíng)／D的采集速度很快，信號不會(huì )丟失，積分計算法可以近似為累加計算，可見(jiàn)，這種方法是真有效值檢波。實(shí)測結果表明，峰值因數可以達到10。
4．2 頻率計權的實(shí)現
A／D轉換出來(lái)的結果是沒(méi)有進(jìn)行頻率計權的時(shí)間序列，用FFT變換得到功率譜，按下列兩個(gè)公式計算出對應頻率的衰減量〔4〕，經(jīng)過(guò)衰減后再進(jìn)行疊加就可得到相應計權的聲級。
實(shí)際測量系統的各計權衰減結果見(jiàn)表1。
可見(jiàn)頻率計權已經(jīng)符合IEC60651中對1型聲級計的要求，甚至達到了0型聲級計的要求。
4．3 頻譜分析的實(shí)現
數字式頻譜分析常見(jiàn)的有兩種方法，一是用FFT計算出線(xiàn)性譜后再根據分數倍頻程濾波器的上下限來(lái)合成對數譜，二是采用相應的數字濾波器直接進(jìn)行。方法一的特點(diǎn)是計算速度快 ，濾波器的衰減特性好，但是由于FFT的每條譜線(xiàn)是等帶寬的，在低頻時(shí)帶寬比較大，合成分數倍頻程濾波器后，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，但在分數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能滿(mǎn)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計方法，濾波器的特性較好 ，可以很容易地滿(mǎn)足國標GB／T 3241－1998對1計算機運算速度很快，所以采用第二種方法較好。為了避免舍位誤差的影響，數據采用雙浮點(diǎn)型。計算的精度很高，可以保證在140dB動(dòng)態(tài)范圍內的計算誤差不大于±0．1dB。1／3倍頻程數字濾波器的設計方法如下：（1）用模擬濾波器的設計方法設計一個(gè)8階巴特沃茲帶通濾波器；（2）對模擬頻率進(jìn)行預畸變；（3）利用雙線(xiàn)性變換法求出數字濾波的傳遞函數；（4）輸入一個(gè)采樣值，計算出一個(gè)輸出值，求各輸出值的均方根；（5）線(xiàn)性平均后轉為聲級顯示。從實(shí)測的結果看，用數字濾波器的方法做出的1／3倍頻程濾波器的性能指標完全可以達到國標GB／T 3241－1998對1型濾波器的要求。
5 全數字化噪聲測量的優(yōu)點(diǎn)
全數字化噪聲測量有下面一些優(yōu)點(diǎn)：
?。?）穩定性高，無(wú)漂移現象，溫度穩定性好，長(cháng)期穩定性好；
?。?）動(dòng)態(tài)范圍大，線(xiàn)性好，70dB級的線(xiàn)性范圍內最大誤差為0．5dB；
（3）峰值因數高，可以做到10以上；
?。?）線(xiàn)路簡(jiǎn)單，省去了頻率計權、檢波器、時(shí)間計權等線(xiàn)路，一致性好，調試簡(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，而用傳統的模擬濾波器最少也要3分鐘，工作效率大大提高；
?。?）可同時(shí)測量A聲級、C聲級的有效值和峰值；
?。?）通過(guò)對軟件的升級就可得到不同特性的時(shí)間計權、頻率計權濾波器。
6 結束語(yǔ)
該系統所使用的軟件是在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。測量系統的量程控制只能通過(guò)手動(dòng)方式實(shí)現，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，并需有高速計算機才能做頻譜分析。下一步可采用DSP器件把測量?jì)x器做成便攜式全數字化聲級計。隨著(zhù)數字信號處理及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，隨著(zhù)對準確、快捷、方便測量系統需求的增加，全數字化噪聲測量系統及全數字化聲級計必將擁有更廣闊的發(fā)展空間。
參 考 文 獻
1 張紹棟，孫家麒．聲級計的原理和應用．北京：計量出版社，19862 侯朝煥．實(shí)用FFT信號處理技術(shù)．北京：海洋出版社，1990
3 國家標準出版社總編室．GB3785－83聲級計的電、聲性能及測試方法．北京：中國標準出版社，1997
4 國家標準出版社總編室．GB／T 3241—1998倍頻程和分數倍頻程濾波器．北京：中國標準出版社，1997
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