基于单片机的便携式互谱声强测量仪的研究

     0　引　　言

    从80年代初起,国外几家著名的仪器公司已推出若干种声强测量分析系统,但其价格非常昂贵。近年来,我国的少数高校和研究所,开始对声强测量的理论和方法作了初步研究,但所用仪器几乎全赖进口,仪器的匮缺是这项先进技术在我国难以推广应用的主要原因。为此,我们选用了国内十分流行的MCS-51系列单片微型计算机,使用程控放大、程控滤波、大容量数据存储、双路同时启动模/数转换以及多极化电压发生等硬件技术和全浮点数据格式的加窗、FFT、自/互功率谱分析、传递函数计算、声强/声功率运算等软件技术研制出了这台便携式互谱声强测量仪。该仪器可以在现场测量声强、声压、声功率等物理量的数值;可以自动修正测量系统两通道之间等效电参数不同所带来的相位失配误差;可以对声强谱、声功率谱作线性、A计权分析;可以将结果通过数据接口传送给计算机,作三维声强谱图、等声强线拟合等进一步的分析处理。

    1　互谱声强测量的基本原理

    现代声强测量技术发展的基础是声强的互谱关系式,由美国的J.Y.Chung于1977年导出。其表达式为:

    式中:I(X)为声强频谱,X=2Pf为圆频率,f为频率,Q0为标准状态下空气密度,$r为感受声压信号p1与p2的两只传声器的中心间距。

　　应用条件:$r<

    依此式,可知声强测量的基本条件是用两只传声器构成声强探头,将同时感受到的声压信号p1、p2作互谱计算,再作频域代数运算。根据这一原理设计的便携式互谱声强测量仪如图1所示。

    2　硬件设计

    根据声强互谱测量法理论,系统有两路信号,故模拟信号处理(从输入到ADC)均为双路。两路的等效电参数不同将直接影响测量结果的精度。为此,从电路实现、元器件选配直至印刷板的布线和最终的调试工作都极为严格,并适当采取参数补偿等措施进行相位校正和幅值校正。在软件上还采取了频响校正和传递函数补偿等技术,以求得到准确的测量结果。

     硬件设计时主要考虑以下几个方面:

    (1)声强探头

    声强探头为声音的传感器件,对它的最基本要求是两只同型号的传声器的幅值频响特性平坦、相位频响特性尽可能相互匹配。根据丹麦B&K公司的实验,选用一对幅相频特性符合要求的传声器作面对面形式组合,中间加隔离体效果较优。前置放大器要求有非常高的输入阻抗和尽可能小的输入电容,本系统使用了两只经过选配的国产电容式传声器,配以高输入阻抗的前置放大器组成的声强探头。考虑系统的灵活性,在设计时将输入部分和探头极化电压供电部分设计成可调式,因而可方便地配接多种声强探头,如B&K3519等。