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【摘 要】提出了一個具體的全數字化噪聲測量系統，并分析了系統中的硬件選擇和軟件設計，同時給出了采用該系統所獲得的實際測量結果，可為數字化測量提供一種實際參考模型。
?? 關鍵詞：噪聲 數字化 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、計權網絡、檢波器、指示器、電源等部分組成〔1〕。隨著科學技術的發展 ，聲級計也發生了很大的變化，主要表現在指示器由模擬表頭變成數字顯示。計算機技術的應用使積分聲級計變得簡單可靠，實現了噪聲測量自動化。目前常見聲級計的計權網絡、濾波器是靠運算放大器通過阻容器件的配合來實現的。檢波器也是用對數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、穩定性差、線路復雜等。模擬線路有局限性 ，這樣，數字技術就得到了迅速發展，從而使噪聲全數字化測量的需求得以實現。
2 系統組成
全數字化噪聲測量系統由傳聲器、前置放大器、量程控制、A／D、計算處理部分等組成，結構上分成兩大塊：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。下面對系統各組成作逐一介紹：
? （1）傳聲器
它用來把聲信號轉換成電信號。一般要求它的頻率范圍寬、頻率響應平直、失真小、動態范圍大、穩定性好，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 ，放大倍數為1。
? （3）量程控制
由于噪聲測量的動態范圍要求大（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是模擬數字轉換器。這是全數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。噪聲的變化范圍很寬，所以選用A／D的位數要多，但位數越多價格越高。16位A／D理論上的最大動態范圍是96dB，但考慮到器件的非線性誤差及小信號的分辨率，實際動態范圍大約為80dB。A／D轉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據處理成為現實。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據通信 ，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轉換部分采用數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口的數據傳輸速率最高只有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據傳輸；USB的傳輸速度較高，但開發成本過高；所以只有選用并行打印口了。現在的計算機都配有EPP并口，傳輸速率可達300kb／s，能夠滿足高速數據采集的要求，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，考慮到用戶可能要在不連接計算機的情況下測量噪聲，所以又按傳統方法加入了A聲級測量線路。
4 軟件設計
全數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，FFT算法是一種最常用的信號處理的算法。由于A／D的結果是實信號，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
?? 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換成頻域的信號后，求落在20～20kHz的信號的均方根，轉換為對數，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。實測結果表明，峰值因數可以達到10。
4．2 頻率計權的實現
A／D轉換出來的結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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實際測量系統的各計權衰減結果見表1。
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可見頻率計權已經符合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
數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分數倍頻程濾波器的上下限來合成對數譜，二是采用相應的數字濾波器直接進行。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，數據采用雙浮點型。計算的精度很高，可以保證在140dB動態范圍內的計算誤差不大于±0．1dB。1／3倍頻程數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字濾波的傳遞函數；（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）線性平均后轉為聲級顯示。從實測的結果看，用數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 全數字化噪聲測量的優點
?? 全數字化噪聲測量有下面一些優點：
（1）穩定性高，無漂移現象，溫度穩定性好，長期穩定性好；
（2）動態范圍大，線性好，70dB級的線性范圍內最大誤差為0．5dB；
? （3）峰值因數高，可以做到10以上；
（4）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，調試簡單，便于大批量生產；
（5）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 結束語
?? 該系統所使用的軟件是在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。測量系統的量程控制只能通過手動方式實現，動態范圍只有70dB，正考慮加入自動量程控制，將動態范圍增大到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字化聲級計。隨著數字信號處理及相關技術的發展，隨著對準確、快捷、方便測量系統需求的增加，全數字化噪聲測量系統及全數字化聲級計必將擁有更廣闊的發展空間。
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倍頻程和分數倍頻程濾波器．北京：中國標準出版社，1997
?? 關鍵詞：噪聲 數字化 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、計權網絡、檢波器、指示器、電源等部分組成〔1〕。隨著科學技術的發展 ，聲級計也發生了很大的變化，主要表現在指示器由模擬表頭變成數字顯示。計算機技術的應用使積分聲級計變得簡單可靠，實現了噪聲測量自動化。目前常見聲級計的計權網絡、濾波器是靠運算放大器通過阻容器件的配合來實現的。檢波器也是用對數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、穩定性差、線路復雜等。模擬線路有局限性 ，這樣，數字技術就得到了迅速發展，從而使噪聲全數字化測量的需求得以實現。
2 系統組成
全數字化噪聲測量系統由傳聲器、前置放大器、量程控制、A／D、計算處理部分等組成，結構上分成兩大塊：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。下面對系統各組成作逐一介紹：
? （1）傳聲器
它用來把聲信號轉換成電信號。一般要求它的頻率范圍寬、頻率響應平直、失真小、動態范圍大、穩定性好，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 ，放大倍數為1。
? （3）量程控制
由于噪聲測量的動態范圍要求大（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是模擬數字轉換器。這是全數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。噪聲的變化范圍很寬，所以選用A／D的位數要多，但位數越多價格越高。16位A／D理論上的最大動態范圍是96dB，但考慮到器件的非線性誤差及小信號的分辨率，實際動態范圍大約為80dB。A／D轉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據處理成為現實。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據通信 ，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轉換部分采用數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口的數據傳輸速率最高只有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據傳輸；USB的傳輸速度較高，但開發成本過高；所以只有選用并行打印口了。現在的計算機都配有EPP并口，傳輸速率可達300kb／s，能夠滿足高速數據采集的要求，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，考慮到用戶可能要在不連接計算機的情況下測量噪聲，所以又按傳統方法加入了A聲級測量線路。
4 軟件設計
全數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，FFT算法是一種最常用的信號處理的算法。由于A／D的結果是實信號，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
?? 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〕：
??????????????????????????
?? 用FFT算法把時域的時間序列轉換成頻域的信號后，求落在20～20kHz的信號的均方根，轉換為對數，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。實測結果表明，峰值因數可以達到10。
4．2 頻率計權的實現
A／D轉換出來的結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〕，經過衰減后再進行疊加就可得到相應計權的聲級。
???????????????
實際測量系統的各計權衰減結果見表1。
????????????????????
可見頻率計權已經符合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
數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分數倍頻程濾波器的上下限來合成對數譜，二是采用相應的數字濾波器直接進行。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，數據采用雙浮點型。計算的精度很高，可以保證在140dB動態范圍內的計算誤差不大于±0．1dB。1／3倍頻程數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字濾波的傳遞函數；（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）線性平均后轉為聲級顯示。從實測的結果看，用數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。
?????????
5 全數字化噪聲測量的優點
?? 全數字化噪聲測量有下面一些優點：
（1）穩定性高，無漂移現象，溫度穩定性好，長期穩定性好；
（2）動態范圍大，線性好，70dB級的線性范圍內最大誤差為0．5dB；
? （3）峰值因數高，可以做到10以上；
（4）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，調試簡單，便于大批量生產；
（5）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 結束語
?? 該系統所使用的軟件是在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。測量系統的量程控制只能通過手動方式實現，動態范圍只有70dB，正考慮加入自動量程控制，將動態范圍增大到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字化聲級計。隨著數字信號處理及相關技術的發展，隨著對準確、快捷、方便測量系統需求的增加，全數字化噪聲測量系統及全數字化聲級計必將擁有更廣闊的發展空間。
參 考 文 獻
1 張紹棟，孫家麒．聲級計的原理和應用．北京：計量出版社，19862 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倍頻程和分數倍頻程濾波器．北京：中國標準出版社，1997
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