一種實(shí)驗(yàn)室環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

紀(jì)京召 張軍 陳毅

（第七一五研究所，杭州，310023）

一種實(shí)驗(yàn)室環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

紀(jì)京召 張軍 陳毅

（第七一五研究所，杭州，310023）

在對光纖水聽器的等效噪聲壓測試的過程中，為了掌握等效噪聲壓測量時(shí)環(huán)境噪聲對消聲箱內(nèi)測試的影響情況，準(zhǔn)確監(jiān)測測量實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的環(huán)境噪聲，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)λ趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境噪聲進(jìn)行監(jiān)測的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集環(huán)境噪聲并進(jìn)行處理，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行定時(shí)或指定時(shí)間段的環(huán)境噪聲信號的測試分析，最后通過實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了系統(tǒng)功能。

光纖水聽器；環(huán)境噪聲；等效噪聲；水聲測量；測量系統(tǒng)；監(jiān)測

在水聲測試中，等效噪聲壓是指水聽器在線性工作區(qū)內(nèi)的下限聲壓級，它決定了水聽器的最小可檢測聲壓級[1]。隨著光纖水聽器逐漸得到推廣應(yīng)用，它的等效噪聲壓級也備受關(guān)注。因光纖水聽器的靈敏度較高，測試其等效噪聲壓時(shí)，監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境噪聲就顯得十分重要[2]。在空氣中，通常使用聲級計(jì)對環(huán)境噪聲進(jìn)行簡單的測試評估，而對于特定的測試任務(wù)[3]，使用專門的測試系統(tǒng)會更方便。以往的測試系統(tǒng)一般采用通用的儀器設(shè)備搭建測試系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)[4]。隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，目前以軟件為核心，借助計(jì)算機(jī)、通用的數(shù)據(jù)采集模塊、傳感器等硬件設(shè)備構(gòu)建虛擬儀器的測量系統(tǒng)已成為當(dāng)前測控技術(shù)發(fā)展的主流方向[5]?；谝陨霞夹g(shù)，我們設(shè)計(jì)了一套用于實(shí)驗(yàn)室條件下環(huán)境噪聲的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)基于LabVIEW平臺進(jìn)行開發(fā)，選用了NI（National Instruments）公司的PXI（PCI extensions for Instrumentation）控制模塊及采集模塊作為主要硬件。通過LabVIEW這種直觀的圖形化編程技術(shù)降低噪聲監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)周期，減少執(zhí)行時(shí)間和系統(tǒng)成本，提高效率。整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)具備本底噪聲低，信號運(yùn)算處理功能豐富、軟件面板易操作，結(jié)果顯示信息豐富的特點(diǎn)。

1 測量原理

聲學(xué)傳感器的等效噪聲壓可以定義為平行于傳感器主軸傳播的平面正弦式行波使傳感器產(chǎn)生的開路電壓等于1 Hz的噪聲電壓時(shí)所具有的聲壓[6]。測量原理如下：首先利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對環(huán)境噪聲信號進(jìn)行采集，然后通過計(jì)算對環(huán)境噪聲進(jìn)行評價(jià)。對采集的信號進(jìn)行傅里葉變換得到信號譜：

噪聲壓譜級計(jì)算公式：

式中：LU=20lgU，dB re 1V，U為采集的電壓信號譜，Meff為有效自由場靈敏度[級]，dB re 1V/μPa，u為采集到的電壓信號，t為時(shí)間。

2 測量系統(tǒng)

系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩部分，其中硬件系統(tǒng)部分主要由主控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊，聲學(xué)傳感器以及一些輔助連接設(shè)備構(gòu)成；軟件系統(tǒng)部分基于LabVIEW平臺開發(fā)。通過采用NI公司的提供的PXI構(gòu)架的硬件系統(tǒng)，結(jié)合LabVIEW軟件平臺，搭建了自動化環(huán)境噪聲測試系統(tǒng)平臺。利用LabVIEW 軟件平臺提供的直觀的圖形化編程方法減少了測試開發(fā)時(shí)間，結(jié)合NI公司基于PXI構(gòu)架的模塊化及LabVIEW軟件平臺包含的各種內(nèi)置數(shù)學(xué)和信號處理函數(shù)、專用工程控件和指示控件來自定義用戶界面可以提高編程效率，最終實(shí)現(xiàn)了快速構(gòu)建測試系統(tǒng)的目標(biāo)。

2.1 測量系統(tǒng)硬件

我們構(gòu)建的測試系統(tǒng)使用了NI公司的PXI構(gòu)架虛擬儀器硬件來搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為了滿足低噪聲的測試需求，采用了 24位的低噪聲高精度數(shù)據(jù)采集模塊，它的動態(tài)范圍高達(dá)114 dB，輸入增益+10 dB、+20 dB和+30 dB可選。采樣速率最高可達(dá)204.8 k。輸入端接50 ?電阻時(shí)，1 kHz處等效輸入噪聲低至。能滿足光纖水聽器等效噪聲壓的測試要求。光纖水聽器等效噪聲壓測試系統(tǒng)示意圖如圖1所示。被測光纖水聽器置于隔振臺上的消音箱中，通過消音箱頂部經(jīng)過隔聲處理的過線孔引出，連接至采集卡與計(jì)算機(jī)[7]。

圖1 光纖水聽器等效噪聲壓測試系統(tǒng)示意圖

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖2所示，主控計(jì)算機(jī)通過控制低噪聲數(shù)據(jù)采集模塊對聲學(xué)傳感器所接收到的信號進(jìn)行采集，并對采集到的噪聲信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析。

圖2 測量系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 測量系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)測試軟件采用LabVIEW平臺，借助它的直觀的圖形化編程環(huán)境和數(shù)據(jù)流方法降低了系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，提供了更為直觀的用戶體驗(yàn)。在單一的開發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)測試儀器的自動化，從而節(jié)省時(shí)間和成本。

測量系統(tǒng)軟件是測量系統(tǒng)的主要組成部分，系統(tǒng)通過它實(shí)現(xiàn)了對信號采集的控制、處理、存取及輸出等功能。在使用中，先對采集噪聲信號的采樣率、采樣時(shí)間、傳感器靈敏度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對采集模塊、傳感器等的控制；對采集得到的噪聲信號進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對噪聲信號的頻譜分析與能量分析，完成對環(huán)境噪聲的實(shí)時(shí)監(jiān)測。測試軟件系統(tǒng)框圖如圖3所示。首先對測量系統(tǒng)初始化，包括數(shù)據(jù)初始化，設(shè)備初始化；然后對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包括采樣頻率、采樣時(shí)間、平均次數(shù)等，然后設(shè)置采集通道，發(fā)送命令進(jìn)行采集，然后通過計(jì)算分析模塊對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后通過顯示控件和存儲控件完成結(jié)果的顯示和存儲。

圖3 軟件系統(tǒng)圖

3 實(shí)驗(yàn)

為了準(zhǔn)確測量光纖水聽器的等效噪聲壓，分析環(huán)境噪聲的影響，我們利用該測量系統(tǒng)對光纖水聽器等效噪聲壓測量時(shí)的環(huán)境噪聲進(jìn)行了實(shí)時(shí)的監(jiān)測試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中利用系統(tǒng)的低噪聲采集模塊對消聲箱內(nèi)的被測光纖水聽器與監(jiān)測傳聲器及消聲箱外的環(huán)境監(jiān)測傳聲器的接收信號進(jìn)行測量。采樣率10 kHz，采樣時(shí)間1 s，每隔3 min采樣計(jì)算一次，共監(jiān)測了48 h的環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)。為了比較測試過程中環(huán)境噪聲的穩(wěn)定性，分別選取1 000 Hz以及2 000 Hz的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，圖4中為1 000 Hz分析結(jié)果，圖5為2 000 Hz分析結(jié)果。

圖4 噪聲測試結(jié)果1 000 Hz

圖5 噪聲測試結(jié)果2 000 Hz

從圖4和圖5中可以看出，在夜間的測得的結(jié)果要比白天得到的結(jié)果小，兩天的數(shù)據(jù)并不完全重復(fù)，這些都與實(shí)際情況相符合。2 000 Hz數(shù)據(jù)要比1 000 Hz數(shù)據(jù)起伏小，這是因?yàn)橄粝湟约案粽衽_對頻率較高部分的噪聲有更好的隔離作用。同時(shí)也說明了等效噪聲壓的測量結(jié)果隨環(huán)境噪聲的變化在頻率較低的部分是比較明顯的。從試驗(yàn)結(jié)果中也可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)室條件下1 000 Hz處的等效噪聲隨環(huán)境變化明顯。因此，在進(jìn)行光纖水聽器等效噪聲測試時(shí)應(yīng)該對環(huán)境噪聲帶來的影響采取適當(dāng)?shù)目刂剖侄?。同時(shí)，也可以通過對環(huán)境噪聲的監(jiān)測結(jié)果對光纖水聽器的等效噪聲壓的測試結(jié)果進(jìn)行修正，提高它的測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

通過上述設(shè)計(jì)的環(huán)境噪聲實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的噪聲監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，我們可以得出了以下結(jié)論：

（1）通過對光纖水聽器等效噪聲壓測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的噪聲監(jiān)測，驗(yàn)證了該監(jiān)測系統(tǒng)的功能。通過對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境噪聲在長時(shí)間跨度隨環(huán)境的變化，能幫助我們提高光纖水聽器等效噪聲壓測量結(jié)果評估的準(zhǔn)確性。

（2）基于LabVIEW平臺的測量系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)算處理能力高、操作簡易直觀，具有可擴(kuò)展性，能夠滿足復(fù)雜的測量需求。

（3）本測量系統(tǒng)還可適用于一般的環(huán)境噪聲測量，通過簡單的功能擴(kuò)展能夠完成不同的噪聲測試任務(wù)。

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