（控制理论与控制工程专业论文）数字信号处理技术在噪声频谱分析仪中的应用.pdf

摘要 本文利用数字信号处理技术研究了噪声频谱分析仪。噪声频谱分析仪是一种 测量仪器，集频谱分析仪、声级计、噪声统计分析仪、数据采集器、数字式记录 仪和噪声剂量计的功能于一体，其性能符合g b t 1 7 1 8 1 1 9 9 7 和i e c 6 1 6 7 2 2 0 0 2 标 准对l 级声级计的要求，同时也满足i e c 6 5 1 和g b t 3 2 4 1 对倍频程滤波器和1 3 倍频程滤波器的要求。噪声频谱分析仪的发展趋势是朝着小型化、数字化及嵌入 数字信号处理技术的方向发展。 论文首先详细介绍了噪声频谱分析仪的结构与原理，给出了关于数字信号处 理技术算法的基本方法的概述，接下来论文重点分析和设计了频率计权滤波器、 时间计权滤波器和1 3 倍频程滤波器算法。本文中的噪声频谱分析仪是由 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机、3 2 0 * 2 4 0 大小的l c d 显示屏、键盘、声音传感器、内部电 路以及其他相关配件组合而成。最后我们得到了一些结论和给出了未来工作的方 向，测试结果表明频率c 计权滤波器、频率a 计权滤波器、时间快速计权滤波器、 时间慢速计权滤波器以及l 3 倍频程滤波器的实现结果符合相关的标准要求，未来 的工作主要是如何改进频率c 计权滤波器和频率a 计权滤波器高频失真，以及1 3 倍频程滤波器的稳定性和精确性的问题。 关键词：噪声频谱分析仪计权网络1 3 倍频程滤波器m s p 4 3 0 单片机 a b s t r a c t t h e p a p e rd e v e l o p s n o i s es p e c t r u m a n a l y z e ru s i n gd s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ) t e c h n o l o g y t h en o i s es p e c t r u ma n a l y z e ri sam e a s u r i n gi n s t r u m e n tw h i c h i n t e g r a t e st h ef u n c t i o n so fs p e c t r u ma n a l y z e r , s o u n dl e v e lm e t e r , n o i s es t a t i s t i c s a n a l y z e r d a t aa c q u i s i t i o n ，d i g i t a lr e c o r d e ra n dn o i s ed o s i m e t e r s i t sp e r f o r m a n c e p r o p e r t i e s m u s t c o m p l y w i t hg b ti7181 19 9 7a n di e c 616 7 2 2 0 0 2s t a n d a r d r e q u i r e m e n t so fas o u n dl e v e lm e t e r , a n dm u s ts a t i s 6 , i e c 6 5 1a n dg b t 3 2 41 o c t a v e b a n da n do n e - t h i r d o c t a v eb a n df i l t e r sr e q u i r e m e n t s t h ed e v e l o p m e n tt r e n d o fn o i s es p e c t r u ma n a l y z e ri sm i n i a t u r i z a t i o n ，d i g i t a la n db u i l t - i nd s pt e c h n o l o g y f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sc o n f i g u r a t i o na n dp r i n c i p l eo fan o i s es p e c t r u m a n a l y z e ri nd e t a i l t h e n ，i tp r o v i d e sa no v e r v i e wo ft h eg e n e r a lm e t h o d o l o g yf o rd s p a l g o r i t h m s n e x t ，i ti sc o n c e m e dw i t hf r e q u e n c yw e i g h i n gf i l t e ra l g o r i t h m s ，t i m e w e i g h i n gf i l t e ra l g o r i t h m sa n do n e - t h i r d - o c t a v e b a n df i l t e r sa l g o r i t h m s t h en o i s e s p e c t r u ma n a l y z e rp r e s e n t e di nt h i sp a p e ri sc o m p o s e do f as i n g l ec h i pc o m p u t e rc a l l e d m s p 4 3 0 f14 9 ，a3 2 0 2 4 0l c dd i s p l a y e r , ak e y b o a r d ，as e to fs o u n ds e n s o ra n di t s i n t e r f a c ec i r c u i t ，a n dt h eo t h e ra u x i l i a r yc i r c u i t s f i n a l l y , i tg e t ss o m ec o n c l u s i o n sa n d d i r e c t i o n sf o rf u t u r ew o r k s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c ep r o p e r t i e s o ft h ef r e q u e n c yc - w e i g h i n gf i l t e r , f r e q u e n c ya w e i g h i n gf i l t e r , t i m ef a s t - w e i g h i n g f i l t e r , t i m es l o w - - w e i g h i n gf i l t e r a n do n e t h i r d o c t a v eb a n df i l t e r sc o m p l yw i t hr e l a t e d s t a n d a r d sr e q u i r e m e n t s f u t u r ew o r ki sr e q u i r e dt oi m p r o v eh i g hf r e q u e n c yr e s p o n s eo f f r e q u e n c yc - w e i g h i n gf i l t e ra n df r e q u e n c ya w e i g h i n gf i l t e r , a n dt oi m p r o v es t a b i l i t y a n da c c u r a c yo fo n e t h i r d - o c t a v eb a n df i l t e r s k e y w o r d ：n o i s es p e c t r u ma n a l y z e r o n e t h i r d 0 e t a v eb a n df i l t e r s w e i g h t i n gn e t w o r k m s p 4 3 0s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 日期： ，口享 第章绪论 1 1 1 噪声 第一章绪论 1 1噪声及其测量仪器的基本概况 噪声 1 l - l s l 是一种声音，声音是由物体的机械振动而产生的。振动的物体称为声 源，它可以是固体、气体或液体。声音可以通过空气、固体或液体等介质进行传 播，形成声波。当声波到达人耳，人们就听到声音，声波在传播过程中可能会产 生反射、绕射、折射和干涉。声波的幅值随时间的变化图称为声波的波形，如果 波形是正弦波，则称为纯音，如果波形是不规则的，或随机的，则称为噪声。如 果噪声的幅值对时间的分布满足正态高斯分布曲线，则称为“无规噪声 。如果在 某个频率范围内单位频带宽度噪声成分的强度与频率无关，也就是具有均匀而连 续的频谱，则此噪声称为“白噪声”。如果每单位频带宽度噪声的强度以每升高一 倍频程下降3 d b 而变化，则此噪声称为“粉红噪声”，粉红噪声是在等比带宽内能 量分布相等的连续谱噪声。 在通常情况下，我们往往把那些不希望听到的声音称为噪声，如环境噪声、 交通噪声等。噪声不仅给人们带来的是不需要的信号和干扰，长期暴露在强烈的 噪声环境中会严重危害人体健康，引起心血管系统、神经系统等方面的疾病并导 致听力受损。过强的噪声还会损坏仪器设备。 按照声源的不同，噪声可以分为机械噪声、空气动力性噪声和电磁性噪声。 机械噪声主要是由于固体振动而产生，在机械运转中，由于机械撞击、摩擦、交 变的机械应力以及运转中因动力不平均等原因，使机械的金属板、齿轮、轴承等 发生振动，从而产生机械噪声，如机床、织布机、球磨机等产生的噪声。当气体 与气体、气体与其它物体( 固体或液体) 之间做高速相对运动时，由于粘滞作用引 起了气体扰动，就产生空气动力性噪声，如各类风机进排气噪声、喷气式飞机的 轰鸣声、内燃机排气、储气罐排气所产生的噪声，爆炸引起周围空气急速膨胀亦 是一种空气动力性噪声。电磁性噪声是由于磁场脉动、磁致伸缩引起电磁部件振 动而发生的噪声，如变压器产生的噪声。 按照噪声的时间变化特性，可分为四种情况：噪声的强度随时间变化不显著， 称为稳定噪声( 见图1 1 a ) ，如电机、织布机的噪声。噪声的强度随时间有规律的 起伏，周期性地时大时小的出现，称为周期性变化噪声( 见图1 1 b ) ，如蒸汽机车 的噪声。噪声随时间起伏变化无一定的规律，称为无规噪声( 见图1 1 c ) ，如街道 交通噪声。如果噪声突然爆发又很快消失，持续时间不超过l s ，并且两个连续爆 发声之间间隔大于1 s ，则称为脉冲声( 见图1 1 d ) ，如冲床噪声、枪炮噪声等。 2 数字信号处理技术在噪声频谱分析仪中的应用 【c 】【d j 图1 1 噪声的时间变化特性 噪声的主要特点是：具备一定强度，用声压表示；具备不同频率成分，用频 谱表示。噪声之所以可以区分就是它们具备了这两个特点的缘故。但是把每一部 机器的所有频率成分的声音的声压一一分析出来，虽然技术上可以办得到，但并 没有太大必要。为了方便，并根据人耳对声音频率变化的反应，人们把可听到的 频率范围分成数段，按每段内的声音强度进行分析。可以使用滤波器把一段一段 的频率成分选出来进行测量，这种滤波器只能允许一定范围的频率成分通过，其 它频率成分被衰减掉。 噪声的控制方法【6 1 多种多样，主要包括三个方面，一是传统的无源降噪技术， 如隔声、吸声、减振隔离等方法。它们是利用声学材料，弹性材料或声学结构来 消耗已产生的声能，达到降噪的目的。二是根据两列同频声波迭加后产生相加性 或相消性的干涉现象，利用反相相消的原理降低噪声的方法，称为主动噪声控制。 近年来各种主动噪声控制的方法应运而生，并在降低局部区域内低频噪声方面取 得了很好的效果。第三种也是最有效的噪声控制方法，是改进产品设计，从噪声 产生机理方面入手，进行控制。不同的降噪方法适用于不同性质的噪声。要想正 确的选择降噪方法，准备的评估降噪效果，研究噪声环境的影响，探讨声源的发 声机理，准备而有效地完成噪声信号的测量与分析是必不可少的技术手段。 噪声的危害主要体现在以下四个方面： ( 1 ) 噪声对听力的损伤。很明显，噪声性耳聋与噪声强度、频率以及作用时间 的长短有关。 ( 2 ) 噪声对健康的影响。表现在人的中枢神经系统、消化系统、视觉器官、内 分泌系统等很容易受其影响而出现问题。 ( 3 ) 噪声对正常生活和工作的干扰。在噪声环境下，人的睡眠休息、交谈与通 讯、正常工作状态都将受到很大影响。 ( 4 ) 特强噪声能损害仪器设备和建筑物。在特强噪声作用下，会使材料或结构 产生疲劳而断裂声疲劳现象。 第一章绪论 1 1 2 噪声测量及仪器 为了获知噪声的强度，而且常常希望从测量中知道噪声的起因和分布规律， 以便进行噪声控制。为此，需要对噪声信号进行分析和记录，其中最常见的方法 是对噪声信号进行频谱分析，以了解噪声信号的频率结构，即噪声信号中含有哪 些频率成分，各频率分量在总噪声中的贡献大小，然后结合具体的声源情况，分 析噪声产生的原因。如果仪根据噪声频谱还不能确定产生噪声的原因，尚可对测 量的噪声作进一步的分析工作，如相关分析、谱密度分析、相干分析、倒频谱分 析等。 目前在噪声测量技术中直接测量噪声的声强是比较困难的，而声压则是比较 容易测到的物理量。入耳是对声压产生反应的，声波的传播规律也主要是以声压 变化规律为基础来描述的，声学中的其它一些参量几乎都与声压和频率有一定的 关系，其中有些可以通过声压和频率两个参量推导出来。 一般的声压测量系统如图1 2 所示。其中传声器是专用的声学传感器，它将瞬 时声压信号转换为电压信号。声级计将此电压信号放大( 衰减) 、加权( a 、c 或z ) 、 倍频程滤波( 附加) 、均方根检波和对数转换，最后给出噪声的声压级、计权声级 或倍频程声压级。声级计按其功能和使用范围，可分为普通声级计，精密声级计、 脉冲声级计和积分声级计等几类。各种类型的声级计的工作原理是基本相同的， 一般由传声器、前置放大器、放大衰减器、计权网络、有效值检波器和输出指示 等环节组成，相互差别主要是附加的一些特殊功能。 图1 2 以声压测量为基础的噪声测量系统 目前常用的噪声测量仪器有： ( 1 ) 声级计【7 】【2 】 声级计是一种最基本的、使用最广泛的声学测量仪器，它主要用来测量规定 频率计权和时间计权的声压级的。声压级定义为：均方根声压与基准声压之比的 以l o 为底的对数乘以2 0 ，它以分贝( d b ) 表示。对于空气声，基准声压量通常定为 4 数字信号处理技术在噪声频谱分析仪中的应朋 2 0 p p 。 哎器 d 蚪磊h 碓 热卜i 套薹篓 放大器| 1l 捡泼器il 匕= 欠最 程检测 j 印机 至 致- 7 - 显示嚣 过蛾指不父萤 芏猜不 图1 3 声级计工作原理方框图 图1 3 方框图中标示的器件情况说明如下： 传声器：用来把声信号转换成电信号的换能器，在声级计中一般均用测试 电容传声器，它具有性能稳定、动态范围宽、频响平直、体积小等特点。 电容传声器的灵敏度有三种：自由场灵敏度、声压灵敏度和扩散场灵敏度。 传声器自由场灵敏度是传声器输出端的开路电压与传声器放入前该点自由场声压 之比值。传声器声压灵敏度是传声器输出端的开路电压与作用在传声器膜片上的 声压之比值。传声器扩散场灵敏度是传声器输出端的开路电压与传声器未放入前 该点扩散场声压之比值。其中自由场灵敏度响应平直的传声器叫自由场型传声器， 它能比较真实地测量出传声器放入前该点原来的自由场声压，声级计就是使用传 声器。 前置放大器：由于电容传声器容量很小，内阻很高，而后级衰减器和放大 器阻抗不可能很高，因此中间需要加前置放大器进行阻抗交换。 衰减器：将大的信号衰减，提高测量范围。 计权放大器：将微弱信号放大，按要求进行频率计权。 有效值检波器：将交流信号整流成直流信号。 其余如a i d 模块，是将模拟信号变换为数字信号；数字显示器是以数字形式 直接指示被测声级的分贝数，读数更加直观；c p u 也即微处理器( 单片机) ，对测 量值进行计算、处理：电源是将供电电源( 电池) 进行电压变换及稳压后，供给各 部分电路工作：打印机是用来打印测量结果。 ( 2 ) 积分平均声级计和噪声暴露计 积分平均声级计是一种直接显示某一测量时间内被测噪声的时间平均声级即 等效连续声级的仪器，通常由声级计以及内置的单片计算器组成。积分平均声级 计除显示等效连续声级外，还能显示声暴露级和测量经历时间，当然它还可显示 瞬时声级，在需要测量的空间移动积分平均声级计，还能测量出随地点变动的噪 声的空间平均值。积分平均声级计主要用于环境噪声的测量和工厂噪声测量，尤 第一市封 论 i 适宜作为月= 境噪声超杯排污收1 5 1 使j f l 。 相应的，对十译次或离散噪声m 什，可用声器露级束裘示噪声事悄的、小， 于测量卢器露级的声级计称为噪声暴露汁。作为个人使川的测晕噪卢裂瓣量f 由 仪器叫个人声暴露计，个人声暴罐计t 要用在劳动卫q - 、职业摘舫治所霸l 工厂、 企业对职工作业场所的噪声进行航洲。 ( 3 ) 噪声统计分析仪 噪声统计分析仪是j 】来删 i 噪声级的统计分布，并直接指示累计百分卢级的 一种噪声测量仪器，它还能测量并用数字显示a 芦级、等效连续声缴、以及川数 字或百分数显示声级的概率分布年累计分布。它山声级测量与计算处理两大部分 组成，计算处理山单片机完成。随着科学技术纳进步，儿兑足人规模集成电蹄的 发胜，噪声统计分析仪的功能越来越强，使用也越来越方便，田产的噪声统计分 析仪已完全能满足环境噪声自动监测的需要。 ( 4 ) 噪声频谱分析仪 噪声是由许多频率成分组成的，为了更清楚了解这些频率成分，需要进行频 谱分析，通常采用倍频程滤波器或1 ，3 倍频程滤波器。这是西种恒百分比带宽的带 通滤波器，倍频程滤波器的带宽是1 0 0 ，l ，3 倍频程滤波器的带宽是2 3 。噪声频 谱分析仪融合声级计和滤波器十一体，加入不同的硬件和软件模块进行纽合，史 现倍频程、1 ，3 倍频程频谱分析、混响时间测量、环境噪声测量、数据积分采集和 机场噪声测麓等等功能。目前噪声频谱分析仪的功能很多，它可以完全代替传统 的声级计和噪卢统讣仪，并且测试效率高，是噪声测量仪器未来发展的方向。 图l4 为幽内公司制造的两款于持式噪声频酱分析仪外观图： 圈14 国内两款手持式嗡声捌请分析仪外观l 芏f ，仆 曼骥j 。尊 6数字信号处理技术在噪声频谱分析仪中的应用 1 2 本论文的研究内容和章节安排 本论文研究和设计的内容是噪声频谱分析仪，主要包括： ( 1 ) a 、c 频率汁权和f 、s 时间计权的数字化设计与仿真实现 ( 2 ) 1 3 倍频程滤波器的数字化设计 ( 3 ) 在m s p 4 3 0 单片机系统中对时间计权的设计 本论文共分为七个章节，具体章节安排如下： 第一章绪论，主要介绍了本论文的研究背景，噪声的基本知识与噪声测量仪 器等方面内容，为后续内容讨论的展开进行铺垫。 第二章噪声频谱分析仪的结构与原理，主要介绍了噪声频谱分析仪的结构、 参数分析、设计思路等。 第三章数字信号处理技术简介，介绍数字信号处理技术的基本概念，并且详 细讨论了f i r 和i i r 型数字滤波器的设计，并比较了两者的优劣。 第四章噪声频谱分析仪中计权网络的设计与仿真，由第二章和第三章中的相 关基础知识，结合相关软件开发工具及语言，对噪声频谱分析仪中的频率计权和 时间计权进行算法分析、设计与仿真。 第五章1 3 倍频程滤波器的设计，根据标准规定的特性与要求，设计符合要求 的1 3 倍频程滤波器。 第六章d s p 技术的m c u 实现，以m s p 4 3 0 单片机为核心构建系统，设计噪 声频谱分析仪中的时间计权功能。 第七章总结与展望，总结整个设计工作中的得失，明确给出了此类设计和开 发中面临的问题，并且对该设备需要改进的内容和未来的发展方向进行了展望。 限于时间、条件和个人的认识，文中难免有所欠缺，恳请指正。 第二章噪声频谱分析仪的结构与原理 7 第二章噪声频谱分析仪的结构与原理 2 1噪声频谱分析仪的结构及特点 噪声频谱分析仪f 1 0 1 是一种袖珍式高智能化的噪声测量仪器，集频谱分析仪、 积分声级计、噪声统计分析仪、数据采集器、数字式记录仪和噪声剂量计等几种 功能于一体，其性能符合g b 厂r 1 7 1 8 1 1 9 9 7 和i e c 6 1 6 7 2 2 0 0 2 标准对1 级声级计的 要求，同时也符合i e c 6 5 1 和g b t 3 2 4 1 对倍频程滤波器和1 3 倍频程滤波器的要 求，能够与微机或打印机直接相连，能存储、显示频谱测量参数与图形。 图2 1噪声频谱分析仪的功能结构图 8 数字信号处理技术在噪声频谱分析仪中的麻j f j 图2 1 给出了噪声频潜分析仪的功能结构图，从图中可以看出，该仪器结构紧 凑、功能多、自动化程度高。 典型的手持式噪声频谱分析仪【9 】在硬件上主要由电声转换器、前置放大器、数 字声级计引擎、单片机、l c d 显示屏、电源、键盘等组成，其硬件结构图如图2 。2 所示。实时的1 倍频程、1 3 倍频程滤波分析、频率计权( a 计权、c 计权) 和时间 计权( f 计权、s 计权) 分析等功能全部通过内部的软件实现。 图2 2 手持式噪声频谱分析仪硬件结构图 噪声频谱分析仪的优越性表现在： ( 1 ) 信号处理的动态范围，信噪比高 传统用来记录信号的模拟设备的动态范围只能达到6 0 d b ，而一个1 6 位a d 组成的数字信号处理系统的动态范围可达到9 6 d b 。由于模拟信号在模拟系统中要 经过一系列的元器件，元件的热噪声和误差会逐级累加和放大，使得整个系统的 性能指标下降。而数字系统的误差仅受a d 转换的量化误差、有限字长效应和实 际算法的影响，所以可以得到较高的信噪比。比如，传统的模拟倍频程滤波器的 信噪比仅能做到7 0 d b ，而数字滤波器可以达到8 0 d b 以上。 ( 2 ) 抗干扰能力强 数字处理系统基本不受外界温度、湿度的影响，而且没有模拟电路元件老化 快的问题。 ( 3 ) 系统的灵活性 对于模拟系统，系统的配置和增益都很难改变，每当系统变动后，也很难重 新加以调整。而对数字系统，所有这一切仅仅是改变软件而已，十分容易实现。 事实上，数字系统的灵活性还体现在同一个系统可以完成不同的功能，实现不同 的应用。 ( 4 ) 体积小、重量轻、满足手持式要求 第二章噪声频谱分析仪的结构与原理9 时间计权、频率计权、滤波器等许多以往需要大量元件构成的电子线路现在 均采用软件来实现，当然使得所需元件大幅度减少，体积减小，重量变轻。 2 2 噪声频谱分析仪的设计原理 上一节分析了噪声频谱分析仪的结构及特点，并没有涉及到噪声频谱分析仪 测量噪声的依据，所以必须先引出噪声的几个重要评价参数，根据对这些参数的 分析，才能制定相应的算法来设计噪声频谱分析仪，实现噪声的测量。 2 2 1 噪声的重要评价参数【2 1 ( 1 ) 频率计权 人耳对声音在不同频率下的敏感程度是不一样的，为了模拟人耳的主观感受， 仪器内部要加入频率计权网络。对于声级计而言，频率计权就是显示装置上指示 的信号级与相应恒幅稳态正弦输入信号级两者之间作为频率函数关系而规定的差 值。常用的频率计权网络主要有a 、c 、z 三种，其中a 计权是模拟人耳对4 0 方纯音 的响度，c 计权是模拟人耳对1 0 0 方纯音的响度，z 计权为零计权，即不对信号进行 计权。 国家标准规定了声级计对于频率计权的性能要求，其中包括： 爷 通用声级计至少应提供指示a 频率计权和f 时间计权声级的方法。积分平 均声级计至少应提供指示a 计权时间平均声级的方法。积分声级计至少应提供指 示a 计权声暴露级的方法。声级计提供的设计功能应满足相应的性能要求。 至少对型式评定试验，符合1 级允差的声级计还应有频率计权c ，测量非稳 态声峰值c 声级的声级计也应能测量稳态声的c 计权声级。z 频率计权是任选的。 在i e c 6 1 6 7 2 标准中已经给出了a 、c 频率计权的计算公式： 厂厂d2 厂2 “门毛0 1 9 i 伊巧氖而l c1 0 0 0 式( 2 。1 a ( f ) = 2 0 l g i 厂4 2 厂4 ( 厂2 + 厂1 2 ) ( 2 + f 2 2 ) j ( 厂2 + f 3 2 ) i ( 2 + 2 ) l a 1 0 0 0 j 式( 2 2 ) 其中： 一= 2 0 6 h z ，f 2 = 1 0 7 7 h z , f 3 = 7 3 7 9 h z ， = 1 2 1 9 4 h z a l o o o = 2 0 0 0 d b ，c l o o o = - 0 0 6 2 d b 声级的单位是d b ，使用什么计权网络应在测量值后面注明，如7 0 d b ( c ) 或c 声级7 0 d b ，如果没有注明，通常就是指a 声级。 l o 数字信号处理技术在噪声频谱分析仪中的应用 图2 3 给出了频率计权相对响应曲线图： 1 01 0 01 0 0 01 0 k 1 0 0 k 图2 3 频率计权相对响应曲线 在实际测量中到底选用哪一种计权网络昵? 以前曾有规定，声级小于7 0 d b 时 用a 网络测量，声级大于7 0 d b 但小于9 0 d b 时候用b 网络测量，声级大于9 0 d b 时用c 网络测量。近年来研究表明，不论噪声强度多少，利用a 声级都能较好地 反应噪声对人吵闹的主观感觉和入耳听力损伤的影响。因此，现在基本上用a 声 级来作为噪声评价的基本量，而且如果不另作说明，都是指的a 声级。c 声级只 作为可听声范围的总声压级的读数来使用，b 声级基本上就不用了。有时只是为了 判断噪声的频率特性，才附带测量c 声级。在有些声学测量仪器中还具有d 计权 网络，它主要用于航空噪声的测量。目前，d 计权已经也已经不再使用，有关的 标准也不再规定它们的特性。 ( 2 ) 时间计权 时间计权的定义是规定时间常数的时间指数函数，该函数是对瞬时声压的平 方进行计权。时间计权声级是指，方均根声压与基准声压之比的以1 0 为底的对数 乘以2 0 ，其中方均根声压由标准频率计权和标准时间计权得到。 对于任何瞬时时间上的a 计权和时间计权声级用厶( f ) 表示： 枷) = 2 0 l g 舾r ) l 以伽吨嘲，r 必p p 斗 式( 2 - 3 ) 式( 2 3 ) 中： f 一时间计权f 或s 的指数时间常数，单位为秒； 考一从过去的某时刻，例如积分下限咖，到观测时y t j t 的时间积分的变量； p ( ) 一在时间变量为考时a 计权瞬时声压； 啪 m o 加 粕 啪 知 娜 第二章噪声频谱分析仪的结构与原理 p o 一基准声压，通常选择2 xl o p a 。 式( 2 3 ) 中，取对数运算的函数式的分子，是在观察时间t 上，对频率计权声 压级取指数时问计权的方均根值。 式( 2 3 ) 的表达过程也可用图2 4 的框图进行表示： 图2 4 形成指数时间计权声级的主要步骤 由此可见，声学测量的声压级是交变声压的有效值，有效值指的是一段时间 内信号的均方根值。在计算均方根值时，需要平均。由于电子线路中采用积分电 路就可以对信号进行一段时间的平均，平均时间常数的长短通常决定了检波器的 稳定时间。平均时间不一致时，对测量非稳态噪声就会有不同的响应，所以在国 际标准和国家标准中，对声级计中常用的三种时间计权：f ( 快) 、s ( 慢) 、i ( 脉冲) 严格规定了它们的时间常数，f 档为1 2 5 m s ，s 档为1 s ，i 档指数平均为3 5 m s 而显 示的下降沿为1 5 s 。 ( 3 ) 时间平均声级【l3 j 三叼 a 声级能够较好地反映人耳对噪声的强度和频率的主观感觉，对于二个连续 的稳定噪声，它是一种较好的评价方法。那是对于起伏的或不连续的噪声，很难 确定a 声级的大小。例如测量交通噪声，当有汽车通过时噪声可能是7 5 d b ，但当 没有汽车通过时可能只有5 0 d b ，这时就很难说交通噪声是7 5 d b 还是5 0 d b ，为此 提出可用噪声能量平均的方法来评价噪声对人的影响，这就是时间平均声级，如 果这里仍用a 计权，故亦表示为厶叼。时间平均a 声级定义为：在声场中某一定 位置上，用某一段时间能量平均的方法，将间歇出现的变化的a 声级以一个a 声 级来表示该段时间内的噪声大小，即： 如。垮仁鬻件蚓g 睁m 司 式( 2 - 4 ) 中，只( ，) 是瞬时a 计权声压；p o 是参考电压( 2 1 0 - 5 p a ) ； a 声级的瞬时值，单位为d b ；t 是某段时间的总量。 式( 2 - 4 ) 厶是变化 实际测量噪声是通过不连续的采样进行测量，假如采样时间间隔相等，则： 1 2数字信号处理技术在噪声频谱分析仪中的应用 上叼= 。，g 专善，。n l 厶。 ( 2 - 5 ， 式( 2 5 ) 中，n 是测量的声级的总个数；三巾是采样到的第i 个a 声级。 ( 4 ) 声暴露级k 对于单次或离散噪声事件，如锅炉超压放气，飞机的一次或者降落过程等， 可以用a 计权声暴露级厶e 来表示这一噪声事件的大小： l 肛= 1 0 1 9 凹警卅x - ( 2 - 6 ， 式( 2 - 6 ) 中，只( ，) 为a 计权瞬时声压、昂为参考声压级，( 1 2 一，- ) 为该噪声事 件对声能有显著贡献的足够长的时间间隔，t o 为参考时间，一般不注明时取t o 为1 秒。需要说明的是，f 2 p 2 ( t ) d t 定义为a 计权的声暴露，符号为西。 声暴露级本身是单次噪声事件的评价量，此外，知道了单次噪声事件的声暴 露级，也可由它计算t 时段内的时间平均声级。如果在t 时段内有n 个单次噪声 事件，其声暴露级分别为厶历，则t 时段内的时间平均声级为： 厶耵叫魄 拿耖j 比 ( 2 - 7 ， ( 5 ) 猝发音【1 4 】 定义波形起始和终止在零点上的一个或多个完整周期的正弦信号为猝发音， 猝发音是从稳态正弦输入信号中提取。正弦电猝发音响应是测试的最大时间计权 声级、时间平均声级或声暴露级减去相应测试的稳态正弦输入信号的声级。 对常规声级计参考4 k h z 猝发音响应的最大时间计权声级& 矿用下式近似确 定： & 矿= 1 0 1 9 ( 1 一pr ) 式( 2 8 ) 式( 2 8 ) 中：乃为规定的猝发音持续时间，单位为s ，f 为规定的指数时间常 数，p 为自然对数的底。 对积分声级计和积分平均声级计，参考4 k h z 猝发音响应的声暴露级用下式近 似确定： & 矿= 1 0 l g 牟) 式( 2 9 ) 式( 2 - 9 ) 中：乃为规定的猝发音持续时间，单位为s ，t o 为l s ，是声暴露的参 考持续时间。 ( 6 ) 累计百分声级( 统计声级) l n 由于环境噪声，如街道、住宅区的噪声，往往呈现不规则且大幅度变动的情 第二章噪声频谱分析仪的结构与原理 况，因此需要用统计的方法，用不同的噪声级出现的概率或累计概率来表示。定 义为：累计百分声级上表示某一a 声级，且大于此声级的出现概率为n ，如 l s = 7 0 d b 表示整个测量期间噪声超过7 0 d b 的概率占5 。 s 相当于峰值平均噪声级，l s o 相当于平均噪声级，又称中央级，l g s 相当于 背景噪声级( 或称本底噪声级) 。如果测量是按一定时间问隔读取指示值，那么l l o 表示有1 0 的数据比它高，三如表示有5 0 的数据比它高。 如果噪声级的统计特性符合正态分布，那么： j 2 三叼= 三5 0 + 兰一 式( 2 1 0 ) 6 0 式( 2 1 0 ) 中，d = l i o l g o 。 ( 7 ) 昼夜等效声级幽 通常噪声在晚上比白天更显得吵。评价结果表明，晚上噪声的干扰通常比白 天高1 0 d b 。为了把不同时间噪声对人干扰的不同因素考虑进去，在计算一天2 4 h 的等效声级时，要对夜间的噪声加上1 0 d b 的计权，这样得到的等效声级为昼夜等 效声级，以符号三幽表示： 厂1 “ 厶+ l o 厶_ 1 0 1 9 i 玄( 1 6 删1 0 0 + 8 x 1 01 0 i划2 。1 ” 式( 2 11 ) 中：厶为白天的等效声级，厶为夜间的等效声级。 ( 8 ) 响度级厶和响度s 人耳对声音的感觉，不仅和声音有关( 声压越高，声音越强；声压越低，声音 越弱) ，也和频率有关( 频率越高，感觉越灵敏；频率越低，感觉越迟钝) ，声压级 相同而频率不同的声音听起来可能不一样响。为了既考虑到声音的物理量效应， 又考虑到声音对人耳听觉的物理效应，把声音的强度和频率用一个量统一起来， 由此引出了响度级的概念。 图2 5 为使用等响实验方法，得到的不同族不同频率、不同声压级的等响度曲 线。响度级的单位为方。 1 4 数字信号处理技术在噪声频谱分析仪中的应用 一 葛 v 囊 毫 收 、 1 、 1 3 0 、册，i _ - - 一 吣、 i l m o 、,钐么- v l 。 l o、i | i i o 、 、o 。0w 心 o o 、 1 、一力、乙 、- 一， 心心弋 j _ 一r 9 0 、 z 矿。弋。、l 沁。 - _ ，一u 、 广y ： 、- p 一 i t v 厂z 蛰。心心o l 添、 1 _ _ ， _ v - -弋乏 ，7 - 。 奄、o v 夕乃、歹 - q心 z 矿、z 岭0 a k y l 、一 z ? u - l 二一， v f 7 、 、- 一 j | 聋小呵 。、- - 3 ， 、 衫， 昕一场 、， ， i 2 03 1 531 2 6 窑6 0 01 0 0 02 0 0 0 o o ob 0 0 01 6 0 0 0 频率l h i 图2 5 等响度曲线 响度级虽然定量的确定了响度感觉与频率和声压级的关系，但是却未能确定 哪个声音更加响。为了解决这个问题，提出响度的概念，响度可以用来表示声音 的大小，其表达式为： s ：2 l n - 4 0 式( 2 一1 2 ) 1 0 式( 2 1 2 ) 中s 为响度，单位为宋，三是响度级。不过上述表达式只适合于纯 音和窄带噪声，对于一般的宽带噪声则需要采用响度指数的计算方法。 2 2 2 设计原理及重点 图2 6 给出了噪声频谱分析仪的设计原理框图： 图2 6 噪声频谱分析仪的设计原理框图 第二章噪声频谱分析仪的结构与原理 关于噪声频谱分析仪的设计i l 引，重点由以下4 个方面组成： ( 1 ) 频率计权网络设计 在声学测量中，般设置a 、c 、z ( 平直) 三种计权网络。根据国家标准，它 们适用于不同的测量场合。 为了制造和调整方便起见，计权网络通常都是使用精密电阻、精密电容和精 密电感来组成网络，实现上述的频率响应。 ( 2 ) 滤波器电路设计 滤波器电路采用开关电容滤波技术，开关电容滤波器是一种新型的原件。一 块芯片就可以完成带通、低通滤波器的功能，而且通过改变输入的时钟频率可以 很方便的改变滤波器的中心频率或截止频率，外部元件很少，从而节省空间，调 试也比较方便。选用的滤波芯片通过改变不同的工作方式，可实现倍频程、1 3 倍 频程、1 6 倍频程带通滤波器功能，其通带和阻带衰减特性完全符合g b 3 2 4 1 标准 要求，这就为产品设计及调试提供了很大的方便。 开关电容滤波器的中心频率由输入时钟频率控制。比率可为l ：5 0 或l ：1 0 0 ， 改变时钟频率也就改变了滤波器的中心频率。时钟频率可以通过振荡器再经分频 器后得到，但那样控制线路比较复杂通过单片机经d a 转换后再由压控振荡器来 产生时钟频率，再由单片机检测时钟频率的准确性，必要时加以调整。滤波器的 中心频率可以由单片机自动控制。为了消除信号混迭现象，在仪器内部设计有抗 混迭低通滤波器，滤波器截止频率由单片机根据不同频段要求来改变。 ( 3 ) 检波电路设计 检波电路用来将放大器输出的交流信号检波( 整流) 成直流信号，以便在指示 器上获得适当的指示，一般用有效值来表示信号的大小。 检波电路采用非常先进的数字检波技术，它的稳定性是非常好的，基本上不 受温度变化的影响。如果采用对数检波电路，需要用热敏电阻来补偿，但是在大 批量生产时，由于每批器件的温度参数有差异，所以补偿的效果不理想。数字检 波的原理如下：采用深度负反馈的放大器组成整流器，通过深度负反馈，可以实 现很好的线性度和很小的失真度，通过集成多路高速a d 转换器的单片机采样整 流后的信号，通过简化测量参数的数学公式模型，再由单片机进行软件计算得到 其测量值。由于单组整流器的动态范围达不到测量的要求，将整流器分为多组形 成多通道采样，每个通道的放大倍数不同，由单片机内部的多路a d 实现高速的 多路采样，选择正确的通道测量值来计算，通过这种方法，可以实现高达1 0 0 d b 动态范围。 ( 4 ) 单片机系统设计 选用m s p 4 3 0 系列单片机作为高速采样及计算用的单片机，这个系列单片机 具有超低功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块、方便高效的开发方式、 1 6数字信号处理技术在噪声频谱分析仪中的应用 多种存储器形式、适应工业级运行环境等特点。超低功耗能满足便携式仪器、选 用容量和体积较小的后备电源的需要。m s p 4 3 0 单片机系列是1 6 位单片机，大多 数指令都是单周期的指令，这也能很好的满足高速运算的需要。它包含1 2 位采样 速度为2 5 0 k h z 的a d 转换器。这样的采样速度根据奈奎斯特定理，能很好的满 足噪声监测系统所需要的频率测量范围。含有硬件乘法器，大大缩短了运算速度。 2 组频率可达到8 m h z 的时钟模块，这样的主频也是高速计算的基础。使用m s p 4 3 0 的一个串行通信接口作为数据通讯端口，将测量结果通过传输网络发送到主控计 算机，再由软件滤波的方法，实现多种时间计权的特性。总之，通过这种单片机 系统，就可以很好的实现各种测量参数的计算以及各种图表的存储。 2 3 本章小结 本章主要对噪声频谱分析仪的结构与原理作了较为详细的介绍。需要说明的 是，本论文主要的研究对象是计权网络、1 3 倍频程滤波器，对检波电路及单片机 系统与外围模块的接口部分并没有涉及。综合来说，数字滤波器、计权网络的实 现是噪声频谱分析仪设计的核心，本论文的第四章和第五章将针对它们分别展开 讨论与设计。 第三章数字信号处理技术简介 1 7 第三章数字信号处理技术简介 3 1数字信号处理的基本内容 随着计算机和信息学科的快速发展，数字信号处理【1 7 1 1 2 3 1 的理论与应用得到了 飞跃式的发展，现在已经形成一门极其重要的独立学科体系。数字信号处理是利 用计算机或专用数字处理设备，采用数值计算的方法对信号进行处理的一门学科， 它包括数据采集，以及对信号进行变换、分析、综合、滤波、估值与识别等加工 处理，以便于提取信息和应用。与传统的模拟处理方法相比较，数字处理具有无 法比拟的优点。数字信号处理系统可以对数字信号进行处理，也可以对模拟信号 进行处理。当然，必须先将模拟信号变换成数字信号，才能用数字信号处理系统 处理。 数字信号处理的基本理论主要包括如下内容： ( 1 ) 模拟信号的预处理：滤波输入模拟信号中的无用频率成分和噪声，避免采 样后发生频谱混叠失真； ( 2 ) 模拟信号的时域采样与恢复：模数转换技术，采样定理，量化误差分析等； ( 3 ) 时域离散信号与系统的分析：信号的表示与运算，各种变换，时域离散信 号与系统的时域和频域的描述与分析： ( 4 ) 数字信号处理中的快速算法：快速傅里叶变换，快速卷积等； ( 5 ) 模拟滤波器和数字滤波器分析、设计与实现； ( 6 ) 多采样率信号处理技术：采样率转换系统的基本原理及其高效实现方法。 应当注意，数字信号处理的理论、算法和实现方法这三者是密不可分的。把 一个好的信号处理理论应用于工程实际，需要相应的算法以便使信号处理高速高 效，并使实现系统简单易行。 数字信号处理的实现方法一般分为三种。 ( 1 ) 软件实现：在通用计算机上编程序实现各种复杂的处理算法。程序可以由 处理者开发，也可以使用信号处理程序库中现有的程序。软件处理的最大优点是 灵活，开发周期短，缺点是处理速度慢。 ( 2 ) 专用硬件实现：采用加法器、乘法器和延时器构成的专用数字网络，或用 专用集成电路实现某种专用的信号处理功能。专用硬件实现方法的优点是处理速 度快，缺点是不灵活，开发周期长。 ( 3 ) 软硬件结合实现：依靠通用单片机或数字信号处理专用单片机的硬件资 源，配置相应的信号处理软件，实现工程实际中的各种信号处理功能。这种方法