專利名稱：全數(shù)字實(shí)時噪聲測量分析方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全數(shù)字實(shí)時噪聲測量分析方法及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
噪聲，又稱無調(diào)聲，是使人們聽起來有不舒服的嘈雜感覺而且妨害人們正 常生活和工作的聲音。從物理學(xué)觀點(diǎn)看，是不同頻率和不同強(qiáng)度聲音的無規(guī)律 雜亂組合。從生理學(xué)觀點(diǎn)講，凡是使人們討厭的、煩躁的和不需要的聲音都叫 噪聲。因而噪聲有時不只單獨(dú)由物理量所能定義的，還與人們的心理和生理狀 態(tài)有關(guān)。根據(jù)發(fā)生噪聲的性質(zhì)可以分為交通噪聲、工業(yè)噪聲、建筑施工噪聲、 生活噪聲等各類噪聲源。噪聲污染影響人們的正常工作、休息和身心健康，已 經(jīng)成為當(dāng)代環(huán)境的主要污染源之一，與空氣污染、水污染一起被公認(rèn)為當(dāng)代世 界三大公害。
控制噪聲首先就要測量分析噪聲。在機(jī)械工程領(lǐng)域，噪聲測量的任務(wù)主要 是測定噪聲的強(qiáng)烈強(qiáng)度、分析噪聲的結(jié)構(gòu)和特性、查找噪聲源等。噪聲分析 儀就是基于此目的提出的，通過對噪聲信號的采集、測量和分析來達(dá)到研究噪 聲的目的。目前應(yīng)用最為廣泛的噪聲分析儀以聲級計居多，而早期的聲級計多 采用單片機(jī)為微控制器，處理速度慢、內(nèi)存小、精度低，顯示像素少，無法達(dá) 到實(shí)時測量的要求，而且產(chǎn)品功耗高，體積大，也不方便隨身攜帶。隨著數(shù)字 信號處理技術(shù)和半導(dǎo)體工藝的不斷發(fā)展，功耗低、處理速度快的嵌入式處理器 日益涌現(xiàn)，嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用為噪聲測量儀實(shí)時化、小型化、低 功耗、高處理能力等性能的實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。
在國外，實(shí)時噪聲測量產(chǎn)品應(yīng)經(jīng)被廣泛應(yīng)用，像德國(HeadAcoustics公司、 RacalHeim公司、DataKustics公司)、丹麥(GRAS公司)、挪威(Norsonic公司)、
日本等國家的一些公司能生產(chǎn)具有實(shí)時功能的全數(shù)字便攜式噪聲分析儀。如 Pulsar 30型聲級計，由英國帕爾莎公司設(shè)計生產(chǎn)，具有積分、統(tǒng)計、頻譜分析 功能為一體的實(shí)時分析儀器，其中增加了 1/3倍頻程的實(shí)時分析。
而國內(nèi)噪聲控制技術(shù)研究起步比較晚，與發(fā)達(dá)國家相比差距較大，特別在 計算機(jī)技術(shù)對噪聲測量和產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計方面比較薄弱。但近20年來發(fā)展比較快，
從事噪聲分析儀器生產(chǎn)的公司引進(jìn)國外先進(jìn)的技術(shù)，并根據(jù)需要自主研發(fā)，生 產(chǎn)出一系列新的噪聲分析產(chǎn)品。 一些國內(nèi)企業(yè)紛紛推出了具有國際領(lǐng)先水平的實(shí)時噪聲分析儀，打破了外國在這類產(chǎn)品的市場壟斷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種全數(shù)字實(shí)時噪聲測量分析方法及其系統(tǒng)，是對 現(xiàn)有的噪聲分析設(shè)備進(jìn)行分析改進(jìn)，設(shè)計一款便攜式具有多種功能的噪聲測量 分析儀。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題釆用的技術(shù)方案是
1、 一種全數(shù)字實(shí)時噪聲測量分析方法
由噪聲采集系統(tǒng)完成對噪聲的采集、預(yù)處理和與PDA的USB通信，再經(jīng) 過USB傳送至PDA進(jìn)行噪聲測量與分析，并能顯示時域波形、頻域波形，提 供系統(tǒng)設(shè)置；用戶能選擇噪聲采集系統(tǒng)的采樣頻率，采樣時間；能選擇頻率計 權(quán)的L線性、A和C方式；能選擇時間計權(quán)的時間平均、快檔和慢檔；圖形顯 示模式中用戶根據(jù)需要選擇信號的頻域分析方法并顯示出相應(yīng)的頻譜圖，其中 包括FFT頻譜分析、倍頻程頻譜分析和1/3倍頻程頻譜分析功能，實(shí)現(xiàn)對實(shí)時 噪聲的測量和分析。
2、 一種全數(shù)字實(shí)時噪聲測量分析系統(tǒng)
在所述的噪聲測量分析系統(tǒng)中裝有噪聲測量分析軟件的PDA，裝有噪聲測 量分析軟件PDA的噪聲測量分析系統(tǒng)與噪聲采集系統(tǒng)通過USB 口連接。
所述的噪聲采集系統(tǒng)是由噪聲傳聲器采集的噪聲信號，并將噪聲信號轉(zhuǎn)換 成電信號，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在微控制器的 控制下經(jīng)USB 口與裝有噪聲測量分析軟件PDA的噪聲測量分析系統(tǒng)連接。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有的有益效果是
1) 技術(shù)上采用計算機(jī)數(shù)字化處理技術(shù)與采用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)噪聲測量與分析 相比，大大簡化了硬件設(shè)計、縮小了體積、減少了功耗，攜帶方便。
2) 方法上采用了計算機(jī)全數(shù)字處理技術(shù)，噪聲測量分析全部采用軟件完成， 拓展功能、升級系統(tǒng)方便。PDA顯示屏為彩色VGA顯示器，最大顯示分辨率達(dá) 640x480，真彩顯示，噪聲分析圖譜顯示逼真、效果好。
3) 采用分體式設(shè)計，系統(tǒng)軟硬件升級方便、成本低、可擴(kuò)展性好，可適用于 不同用戶的不同需求。
本發(fā)明利用PDA計算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低成本、高質(zhì)量、全數(shù)字實(shí)時噪聲信號測
量與分析，形成一套便攜式多種功能的實(shí)時噪聲測量分析儀。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖。
4圖2是噪聲信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖。 圖3是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路圖。
圖4是噪聲信號測量與分析部分，外觀是PDA，安裝PDA-運(yùn)行噪聲檢測分 析系統(tǒng)軟件。
圖5是噪聲信號采集系統(tǒng)， 一端安裝噪聲傳聲器、另一端安裝USB口。 圖6是本發(fā)明系統(tǒng)構(gòu)成圖(總尺寸在21x7x2cmS以內(nèi))。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的噪聲測量分析系統(tǒng)中裝有噪聲測量分析軟件的PDA， 裝有噪聲測量分析軟件PDA的噪聲測量分析系統(tǒng)與噪聲采集系統(tǒng)通過USB 口 連接。
如圖2所示，本發(fā)明的噪聲采集系統(tǒng)是由噪聲傳聲器采集的噪聲信號，并 將噪聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 在微控制器的控制下經(jīng)USB 口與裝有噪聲測量分析軟件PDA的噪聲測量分析 系統(tǒng)連接。
本發(fā)明系統(tǒng)工作原理如下
PDA上的噪聲測量分析系統(tǒng)發(fā)送命令，通過usb傳送給噪聲采集系統(tǒng)，然 后噪聲采集系統(tǒng)按照命令采集數(shù)據(jù)，再通過usb傳送給PDA上的噪聲測量分析 系統(tǒng)，噪聲測量分析系統(tǒng)接受到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后顯示頻譜圖，倍 頻程，1/3倍頻程等圖。
上位機(jī)PDA上的噪聲測量分析系統(tǒng)，如圖4所示，圖中l(wèi)是PDA-運(yùn)行 噪聲檢測分析系統(tǒng)軟件，下位機(jī)噪聲測量分析系統(tǒng)，如圖5所示，圖中2是托 板，3是噪聲傳聲器位置，4是噪聲信號的采集、預(yù)處理和實(shí)時USB通信系統(tǒng)， 噪聲采集系統(tǒng)的USB 口和托板(如圖5所示)作為二者的連接固定，全數(shù)字實(shí)時 噪聲測量系統(tǒng)，如圖6所示。
噪聲測量分析系統(tǒng)的算法中頻譜圖的計算通過基爾傅里葉變換得到，倍頻 程同樣是噪聲處理的通用算法，而由于硬件的要求，在計算1/3倍頻程時，使 用了多抽樣算法，
噪聲傳聲器(也稱Microphone、麥克風(fēng))采集噪聲信號，并將噪聲信號轉(zhuǎn)換 成電信號，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在微控制器 (MCP，相當(dāng)于單片機(jī))的控制下將數(shù)字化的噪聲信號發(fā)送給噪聲測量分析系統(tǒng)； 噪聲測量分析系統(tǒng)由軟件全數(shù)字進(jìn)行噪聲的時域波形、頻域波形顯示；聲學(xué)測 量；聲級測量頻率計權(quán)(A， C， Z);時間計權(quán)(F(快)，S(慢)，I(脈沖))；頻譜分析(FFT分析、倍頻程分析和1/3倍頻程分析)。微控制器還起到控制噪聲采樣 頻率和管理噪聲采集系統(tǒng)的作用。 噪聲分析儀系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)
本發(fā)明設(shè)計的噪聲分析儀滿足國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61673-2002 I級聲級計要求
測量聲級范圍25dB 100dB(以20pPa為參考0dB);
聲壓級35dB 100dB;
加速度0.01m/s2~200m/s2;
聲學(xué)測量頻率范圍10Hz 20kHz;
聲級測量頻率計權(quán)A， C, Z;
時間計權(quán)F(快)，S(慢)，I(脈沖)；
頻譜分析
(1) FFT分析譜線數(shù)目8192、 16364可選;
(2) 倍頻程分析濾波器中心頻率31.5Hz 16kHz;
(3) 1/3倍頻程分析濾波器中心頻率25Hz ~ 20kHz;
噪聲信號采集卡是噪聲測量分析系統(tǒng)的前端設(shè)備，負(fù)責(zé)噪聲信號的采集和
預(yù)處理，在設(shè)計中采集卡做到
功耗低為開發(fā)成便攜式產(chǎn)品，系統(tǒng)采用了低功耗16位單片機(jī)控制噪聲信 號的采集及傳送，在相關(guān)外圍芯片的選擇上也以功耗低，體積小為原則。
動態(tài)范圍寬系統(tǒng)中使用16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對電聲信號進(jìn)行采集，其動態(tài)
范圍達(dá)到96dB，可以根據(jù)需求采用更高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。
傳輸速率高系統(tǒng)要對高達(dá)20kHz的聲音信號進(jìn)行采樣，根據(jù)乃奎斯特定 律采樣率必須大于40kHz，則每秒采樣至少80kB數(shù)據(jù)，要將這些數(shù)據(jù)實(shí)時地 傳輸給上位機(jī)，傳輸速度也必須達(dá)到80kB/s， USB1.1協(xié)議中數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到 12Mb/s，而其后的USB2.0速度增加到480Mb/s，充分滿足了系統(tǒng)的傳輸要求。 名詞解釋
PDA是Personal Digital Assistant的縮寫，字面意思是"個人數(shù)字助理"。PDA 所使用的操作系統(tǒng)主要有Palm OS、 Windows CE、 Windows Mobile和EPOC等。 狹義的PDA指可以稱作電子記事本，其功能較為單一；廣義的PDA主要指掌 上計算機(jī)。本項(xiàng)發(fā)明中的PDA指采用Windows CE、 Windows Mobile等操作系 統(tǒng)的掌上計算機(jī)。
權(quán)利要求
1、一種全數(shù)字實(shí)時噪聲測量分析方法，其特征在于由噪聲采集系統(tǒng)完成對噪聲的采集、預(yù)處理和與PDA的USB通信，再經(jīng)過USB傳送至PDA進(jìn)行噪聲測量與分析，并能顯示時域波形、頻域波形，提供系統(tǒng)設(shè)置；用戶能選擇噪聲采集系統(tǒng)的采樣頻率，采樣時間；能選擇頻率計權(quán)的L線性、A和C方式；能選擇時間計權(quán)的時間平均、快檔和慢檔；圖形顯示模式中用戶根據(jù)需要選擇信號的頻域分析方法并顯示出相應(yīng)的頻譜圖，其中包括FFT頻譜分析、倍頻程頻譜分析和1/3倍頻程頻譜分析功能，實(shí)現(xiàn)對實(shí)時噪聲的測量和分析。
2、 一種實(shí)施權(quán)利要求1所述的一種全數(shù)字實(shí)時噪聲測量分析方法的系統(tǒng)， 包括噪聲測量分析系統(tǒng)，其特征在于在所述的噪聲測量分析系統(tǒng)中裝有噪聲 測量分析軟件的PDA,裝有噪聲測量分析軟件PDA的噪聲測量分析系統(tǒng)與噪 聲采集系統(tǒng)通過USB 口連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種全數(shù)字實(shí)時噪聲測量分析方法的系統(tǒng)，其特 征在于所述的噪聲采集系統(tǒng)是由噪聲傳聲器采集的噪聲信號，并將噪聲信號 轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在微控制 器的控制下經(jīng)USB口與裝有噪聲測量分析軟件PDA的噪聲測量分析系統(tǒng)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全數(shù)字實(shí)時噪聲測量分析方法及其系統(tǒng)。裝有噪聲測量分析軟件PDA的噪聲測量分析系統(tǒng)與噪聲采集系統(tǒng)通過USB口連接。實(shí)現(xiàn)了頻率計權(quán)、時間計權(quán)、倍頻程和1/3倍頻程處理的數(shù)字化。并可顯示時域波形、頻域波形，提供系統(tǒng)設(shè)置，用戶可以選擇，噪聲采集系統(tǒng)的采樣頻率，采樣時間設(shè)置，選擇頻率計權(quán)的L線性、A和C方式，選擇時間計權(quán)的時間平均、快檔和慢檔。圖形顯示模式中用戶根據(jù)需要選擇信號的頻域分析方法并顯示出相應(yīng)的頻譜圖，其中包括FFT頻譜分析，倍頻程頻譜分析和1/3倍頻程頻譜分析等功能，實(shí)現(xiàn)對實(shí)時噪聲的測量和分析。本發(fā)明利用PDA計算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低成本、高質(zhì)量、全數(shù)字實(shí)時噪聲信號測量與分析。
文檔編號G01R29/26GK101539602SQ20091009779
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日
發(fā)明者張瑞林, 微 李, 李鋒良, 林志鋒, 樊冬毅, 許錦亮, 陳永強(qiáng) 申請人:浙江理工大學(xué)