一种低成本噪声计设计

    噪声污染和气体污染、固体物质污染已称为当今世界三大污染。过高的噪声会损害人们的健康,如产生神经衰弱、神经质等。噪声监测是提高人类生活水平的重要途径。人耳的听阈一般是20LPa,痛阈一般为200 Pa,其间相差107倍,这样宽广的声压范围不易测量,而且人耳对声压相对变化的分辨具有非线性特征,通常采用40方等响曲线的反曲线对声压级进行计权校正,即用A计权网络测A声级,它的单位是dB[1]。目前,国外公司一直占据国内高精度噪声计市场,它的价格普遍偏高,严重制约了噪声计的广泛使用。然而,用于日常生活的环境噪声测量设备并不需要复杂和十分精确的测量仪器,因此设计一种低成本、便携式、可满足日常生活使用的噪声计十分重要。

    1 电路设计

    声学中常用声压级LP来反映声压的变化,将声压P的声压级表示为:

LP=20lg(P/P0)

    式中:基准量P0单位为LPa,当P= P0时,LP=0 dB;当P =107P0时,LP=140 dB。

    系统原理图如图1所示,在信号采集和放大电路中采用了驻极体传声器,并采用反相放大器将信号放大到适宜处理的范围;通过A计权网络[2]很好地满足人耳对不同频率声音的敏感性;AD536芯片[3]很容易得到有效值及其相对应的分贝值,避免采用单片机进行大运算量的对数处理,提高了反应速度;调整电路可以确定所需的不同测量零点;最后用数码管对结果进行实时显示,具有快慢显示功能。

    1.1 噪声信号的采集及放大电路实现

    驻极体话筒[3]采用源极接地,漏极输出的方法连接,动态范围宽,灵敏度高。在VCC=9 V的电压驱动下,动态范围可以达到-2~+2 V。经过调试,当话筒电压1= VCC/2时,话筒灵敏度达到最大。在本电路中取漏极负载电阻R1=20 k8,电路图如图2所示。

    传感器将噪声信号变换为电信号后,继续将其放大。放大电路采用带宽大于2 MHz的运算放大器。

    电路参数:R2=20 k8,R3=51 k8,C=0.22LF;

    增益:A=R3/R2=2.55;

    输出电压幅值大致范围:0~5 V。

    1.2 滤波电路方案实现

    根据人耳对不同频率的响度感觉,在噪声测量中,常用A计权网络测得A声级[2]。表1给出倍频带中心频率与A声级校正量之间的关系。

    计权网络由无源高通滤波和有源低通滤波两部分构成[5],精心计算和调试相关外围元件参数,使其幅频特性与A计权曲线相近,电路图如图3所示。

    高通滤波器相应参数计算如下:

    取C1=10LF,利用等式=1 kHz,求得后级电阻R2=1008,前级电阻取R1=100 k8,以便得到较高的输入阻抗。

   二阶巴特沃斯有源滤波电路的相应参数计算如下: