【摘　要】提出了一個具體的全數(shù)字化噪聲測量系統(tǒng)，并分析了系統(tǒng)中的硬件選擇和軟件設計，同時給出了采用該系統(tǒng)所獲得的實際測量結(jié)果，可為數(shù)字化測量提供一種實際參考模型。
?? 關鍵詞：噪聲 數(shù)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，通常使用聲級計進行測量。聲級計一般由傳聲器、放大器、衰減器、計權網(wǎng)絡、檢波器、指示器、電源等部分組成〔1〕。隨著科學技術的發(fā)展 ，聲級計也發(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。計算機技術的應用使積分聲級計變得簡單可靠，實現(xiàn)了噪聲測量自動化。目前常見聲級計的計權網(wǎng)絡、濾波器是靠運算放大器通過阻容器件的配合來實現(xiàn)的。檢波器也是用對數(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、線路復雜等。模擬線路有局限性 ，這樣，數(shù)字技術就得到了迅速發(fā)展，從而使噪聲全數(shù)字化測量的需求得以實現(xiàn)。
2　系統(tǒng)組成
　 全數(shù)字化噪聲測量系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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行A聲級測量；計算處理部分則是個人計算機加專用軟件包。下面對系統(tǒng)各組成作逐一介紹：
? （1）傳聲器
　 它用來把聲信號轉(zhuǎn)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
　 由于噪聲測量的動態(tài)范圍要求大（30dB～140dB），用一檔量程進行測量困難較大，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(shù)字轉(zhuǎn)換器。這是全數(shù)字化噪聲測量的關鍵器件，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)越多價格越高。16位A／D理論上的最大動態(tài)范圍是96dB，但考慮到器件的非線性誤差及小信號的分辨率，實際動態(tài)范圍大約為80dB。A／D轉(zhuǎn)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
　 當今個人計算機飛速發(fā)展，運算速度大大提高，價格越來越低，用個人計算機進行高速數(shù)據(jù)處理成為現(xiàn)實。信號采集部分放在計算機的外面，通過計算機的打印并行口進行數(shù)據(jù)通信 ，用戶不必打開計算機就可以使用，通用性強，安裝和維護方便，只需對軟件進行升級即可獲得不同的功能。
3　硬件設計
　 采用全數(shù)字處理技術，使得測量部分的線路大為簡化。前置級采用場效應管進行阻抗變換，由于采用了自舉和負反饋技術，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(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)在的計算機都配有EPP并口，傳輸速率可達300kb／s，能夠滿足高速數(shù)據(jù)采集的要求，而且接口簡單，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(nèi)，考慮到用戶可能要在不連接計算機的情況下測量噪聲，所以又按傳統(tǒng)方法加入了A聲級測量線路。
4　軟件設計
　 全數(shù)字化噪聲測量的關鍵在于怎樣把時域的時間序列變成頻域的功率譜，計算出A、C聲級，F(xiàn)FT算法是一種最常用的信號處理的算法。由于A／D的結(jié)果是實信號，所以利用FFT的對稱性又可使FFT的計算量減少一半〔2〕。
4．1　有效值檢波器的實現(xiàn)
?? 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〕：
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?? 用FFT算法把時域的時間序列轉(zhuǎn)換成頻域的信號后，求落在20～20kHz的信號的均方根，轉(zhuǎn)換為對數(shù)，再校準后，就可得到聲壓級。由于A／D的采集速度很快，信號不會丟失，積分計算法可以近似為累加計算，可見，這種方法是真有效值檢波。實測結(jié)果表明，峰值因數(shù)可以達到10。
4．2　頻率計權的實現(xiàn)
　 A／D轉(zhuǎn)換出來的結(jié)果是沒有進行頻率計權的時間序列，用FFT變換得到功率譜，按下列兩個公式計算出對應頻率的衰減量〔4〕，經(jīng)過衰減后再進行疊加就可得到相應計權的聲級。
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實際測量系統(tǒng)的各計權衰減結(jié)果見表1。
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可見頻率計權已經(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　頻譜分析的實現(xiàn)
　 數(shù)字式頻譜分析常見的有兩種方法，一是用FFT計算出線性譜后再根據(jù)分數(shù)倍頻程濾波器的上下限來合成對數(shù)譜，二是采用相應的數(shù)字濾波器直接進行。方法一的特點是計算速度快 ，濾波器的衰減特性好，但是由于FFT的每條譜線是等帶寬的，在低頻時帶寬比較大，合成分數(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低頻的分辨率，但在分數(shù)倍頻程濾波器的帶寬較小時，用此方法很難保證濾波器的指標能滿足GB／T3241－1998的要求〔4〕。方法二的特點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(shù)據(jù)采用雙浮點型。計算的精度很高，可以保證在140dB動態(tài)范圍內(nèi)的計算誤差不大于±0．1dB。1／3倍頻程數(shù)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8階巴特沃茲帶通濾波器；（2）對模擬頻率進行預畸變；（3）利用雙線性變換法求出數(shù)字濾波的傳遞函數(shù)；（4）輸入一個采樣值，計算出一個輸出值，求各輸出值的均方根；（5）線性平均后轉(zhuǎn)為聲級顯示。從實測的結(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完全可以達到國標GB／T 3241－1998對1型濾波器的要求。
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5 全數(shù)字化噪聲測量的優(yōu)點
?? 全數(shù)字化噪聲測量有下面一些優(yōu)點：
?。?）穩(wěn)定性高，無漂移現(xiàn)象，溫度穩(wěn)定性好，長期穩(wěn)定性好；
　（2）動態(tài)范圍大，線性好，70dB級的線性范圍內(nèi)最大誤差為0．5dB；
? （3）峰值因數(shù)高，可以做到10以上；
?。?）線路簡單，省去了頻率計權、檢波器、時間計權等線路，一致性好，調(diào)試簡單，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）可同時測量A聲級、C聲級的有效值和峰值；
　（7）通過對軟件的升級就可得到不同特性的時間計權、頻率計權濾波器。
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，同時需進一步改進算法，加快處理速度。測量系統(tǒng)的量程控制只能通過手動方式實現(xiàn)，動態(tài)范圍只有70dB，正考慮加入自動量程控制，將動態(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器件把測量儀器做成便攜式全數(shù)字化聲級計。隨著數(shù)字信號處理及相關技術的發(fā)展，隨著對準確、快捷、方便測量系統(tǒng)需求的增加，全數(shù)字化噪聲測量系統(tǒng)及全數(shù)字化聲級計必將擁有更廣闊的發(fā)展空間。


1　張紹棟，孫家麒．聲級計的原理和應用．北京：計量出版社，1986
2　侯朝煥．實用FFT信號處理技術．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(shù)倍頻程濾波器．北京：中國標準出版社，1997