全数字化噪声测量系统设计

提出了一个具体的全数字化噪声测量系统，并分析了系统中的硬件选择和软件设计，同时给出了采用该系统所获得的实际测量结果，可为数字化测量提供一种实际参考模型。
关键词：噪声 数字化 频谱分析
　　
1　引　言
　 准确测量噪声是控制噪声的前提条件，通常使用声级计进行测量。声级计一般由传声器、放大器、衰减器、计权网络、检波器、指示器、电源等部分组成〔1〕。随着科学技术的发展 ，声级计也发生了很大的变化，主要表现在指示器由模拟表头变成数字显示。计算机技术的应用使积分声级计变得简单可靠，实现了噪声测量自动化。目前常见声级计的计权网络、滤波器是靠运算放大器通过阻容器件的配合来实现的。检波器也是用对数放大器的方法来完成，因此就涉及到模拟线路共有的问题：一致性差、稳定性差、线路复杂等。模拟线路有局限性 ，这样，数字技术就得到了迅速发展，从而使噪声全数字化测量的需求得以实现。
2　系统组成
　 全数字化噪声测量系统由传声器、前置放大器、量程控制、A／D、计算处理部分等组成，结构上分成两大块：信号采集和计算处理。传声器、前置放大器、量程控制、A／D、电源组成了信号处理部分，信号处理部分还可独立进行A声级测量；计算处理部分则是个人计算机加专用软件包。下面对系统各组成作逐一介绍：
（1）传声器
　 它用来把声信号转换成电信号。一般要求它的频率范围宽、频率响应平直、失真小、动态范围大、稳定性好，目前常用的是1／2英寸驻极体电容传声器。
（2）前置放大器
　 电容传声器是一个电容性元件，它的输出阻抗高，所以要求前置放大器的输入阻抗高，输入电容小。我们选用了AWA14401型前置放大器，它的输入阻抗大于500MΩ，输入电容小于1pF ，放大倍数为1。
（3）量程控制
　 由于噪声测量的动态范围要求大（30dB～140dB），用一档量程进行测量困难较大，所以我们把该测量范围分成三档，即20dB～100dB，40dB～120dB，60dB～140dB。
（4）高速A／D
　 A／D是模拟数字转换器。这是全数字化噪声测量的关键器件，目前A／D的种类很多。一般来说，决定A／D精度的指标是位数。噪声的变化范围很宽，所以选用A／D的位数要多，但位数越多价格越高。16位A／D理论上的最大动态范围是96dB，但考虑到器件的非线性误差及小信号的分辨率，实际动态范围大约为80dB。A／D转换的速度决定了噪声测量的频率上限，由采样定理可知测量频率的上限为20kHz时采样频率必须大于40kHz，最好大于50kHz。我们选用了16位、50kHz采样速度的A／D。
（5）计算处理部分
　 当今个人计算机飞速发展，运算速度大大提高，价格越来越低，用个人计算机进行高速数据处理成为现实。信号采集部分放在计算机的外面，通过计算机的打印并行口进行数据通信 ，用户不必打开计算机就可以使用，通用性强，安装和维护方便，只需对软件进行升级即可获得不同的功能。
3　硬件设计
　 采用全数字处理技术，使得测量部分的线路大为简化。前置级采用场效应管进行阻抗变换，由于采用了自举和负反馈技术，使得输入阻抗大于500MΩ，输入电容小于1pF。
　 A／D转换部分采用数字电源和模拟电源分开，地线尽量短等措施，使电路的噪声最小。
　 计算机提供的标准接口比较少，一般有RS232C口、打印并行口，最近又有了USB口 。RS23 2C口的数据传输速率最高只有115200bps，而16位50kHz的采样速率却要求大于6400000bps，可见串行口不能进行高速的数据传输；USB的传输速度较高，但开发成本过高；所以只有选用并行打印口了。现在的计算机都配有EPP并口，传输速率可达300kb／s，能够满足高速数据采集的要求，而且接口简单，通用性强。传声器、前置放大器、量程控制、A／D、电源等组成了信号采集器，放在塑料外壳内，考虑到用户可能要在不连接计算机的情况下测量噪声，所以又按传统方法加入了A声级测量线路。
4　软件设计
　 全数字化噪声测量的关键在于怎样把时域的时间序列变成频域的功率谱，计算出A、C声级，FFT算法是一种最常用的信号处理的算法。由于A／D的结果是实信号，所以利用FFT的对称性又可使FFT的计算量减少一半〔2〕。
4．1　有效值检波器的实现
有效值检波器指示出交流信号的有效值。有效值的计算公式如下〔3〕：

用FFT算法把时域的时间序列转换成频域的信号后，求落在20～20kHz的信号的均方根，转换为对数，再校准后，就可得到声压级。由于A／D的采集速度很快，信号不会丢失，积分计算法可以近似为累加计算，可见，这种方法是真有效值检波。实测结果表明，峰值因数可以达到10。
4．2　频率计权的实现
　 A／D转换出来的结果是没有进行频率计权的时间序列，用FFT变换得到功率谱，按下列两个公式计算出对应频率的衰减量〔4〕，经过衰减后再进行叠加就可得到相应计权的声级。

实际测量系统的各计权衰减结果见表1。

可见频率计权已经符合IEC60651中对1型声级计的要求，甚至达到了0型声级计的要求。
4．3　频谱分析的实现
　 数字式频谱分析常见的有两种方法，一是用FFT计算出线性谱后再根据分数倍频程滤波器的上下限来合成对数谱，二是采用相应的数字滤波器直接进行。方法一的特点是计算速度快 ，滤波器的衰减特性好，但是由于FFT的每条谱线是等带宽的，在低频时带宽比较大，合成分数倍频程滤波器后，滤波器的精度较差，尽管可以用频率抽样等方法改进低频的分辨率，但在分数倍频程滤波器的带宽较小时，用此方法很难保证滤波器的指标能满足GB／T3241－1998的要求〔4〕。方法二的特点是可以利用非常成熟的模拟滤波器的设计方法，滤波器的特性较好 ，可以很容易地满足国标GB／T 3241－1998对1计算机运算速度很快，所以采用第二种方法较好。为了避免舍位误差的影响，数据采用双浮点型。计算的精度很高，可以保证在140dB动态范围内的计算误差不大于±0．1dB。1／3倍频程数字滤波器的设计方法如下：（1）用模拟滤波器的设计方法设计一个8阶巴特沃兹带通滤波器；（2）对模拟频率进行预畸变；（3）利用双线性变换法求出数字滤波的传递函数；（4）输入一个采样值，计算出一个输出值，求各输出值的均方根；（5）线性平均后转为声级显示。从实测的结果看，用数字滤波器的方法做出的1／3倍频程滤波器的性能指标完全可以达到国标GB／T 3241－1998对1型滤波器的要求。

5 全数字化噪声测量的优点
全数字化噪声测量有下面一些优点：
　（1）稳定性高，无漂移现象，温度稳定性好，长期稳定性好；
　（2）动态范围大，线性好，70dB级的线性范围内最大误差为0．5dB；
（3）峰值因数高，可以做到10以上；
　（4）线路简单，省去了频率计权、检波器、时间计权等线路，一致性好，调试简单，便于大批量生产；
　（5）频谱分析的速度快，1秒种就可以完成20Hz～20kHz共31组1／3倍频程滤波器的频谱分析，而用传统的模拟滤波器最少也要3分钟，工作效率大大提高；
　（6）可同时测量A声级、C声级的有效值和峰值；
　（7）通过对软件的升级就可得到不同特性的时间计权、频率计权滤波器。
6　结束语
该系统所使用的软件是在DOS下编制的，操作界面不够理想，同时需进一步改进算法，加快处理速度。测量系统的量程控制只能通过手动方式实现，动态范围只有70dB，正考虑加入自动量程控制，将动态范围增大到110dB，并需有高速计算机才能做频谱分析。下一步可采用DSP器件把测量仪器做成便携式全数字化声级计。随着数字信号处理及相关技术的发展，随着对准确、快捷、方便测量系统需求的增加，全数字化噪声测量系统及全数字化声级计必将拥有更广阔的发展空间。