（电子科学与技术专业论文）声振信号检测和分析技术的嵌入式系统研究.pdf

浙江人学硕 学位论文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e mw h i c hi s d e s i g n e df o rt h et e c h n o l o g yo fs o u n d v i b r a t i o ns i g n a ld e t e c t i n ga n da n a l y s i s i tc o v e r st h e t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fs o u n do rv i b r a t i o ns i g n a li nd s p , s u c ha so c t a v e b a n df i l t e r , o n e t h i r d o c t a v e - b a n df i l t e ra n dm u l t i r a t ef i rf i l t e rb a n k ，a n dt h em e t h o do fh a r d w a r e d e s i g na n ds o f t w a r e a r c h i t e c t u r e b u i l d i n g i nt h ee m b e d d e ds y s t e m s a tf i r s t ，t h e d i s s e r t a t i o nb e g i n sw i t ht h eo b j e c t sa n dm e a n i n go ft h i sp r o j e c t sw o r k s e c o n d l y , i t d e s c r i b e so ft h es o u n d v i b r a t i o ns i g n a ld e t e c t i n ga n da n a l y s i st e c h n o l o g y sd e v e l o p i n g t r e n d ，k e yt e c m f i q u e s f i n a l l y , w ee d u c et h em e a n i n go ft h ec o m b i n a t i o no fe m b e d d e d c o m p u t i n gs y s t e ma n dt h i st e c h n i q u e t h em u l t i r a t ef i rb a n dp a s sf i l t e rb a n ki sp r o p o s e di nc h a p t e r2 ，w h i c hi su s e da s c o r ec o m p o n e n ti no c t a v e b a n do ro n e t h i r d - o c t a v e b a n df i l t e r , c a nr e d u c et h ec o m p u t i n g r e d u n d a n c ya n di n c r e a s et h ef i l t e r i n gs p e e dr e m a r k a b l e t h eb u i l d i n go fe m b e d d e d p l a t f o r mf o rt h es o u n d v i b r a t i o ns i g n a ld e t e c t i n ga n da n a l y s i ss y s t e mi st h ek e yp o i n to f t h i sp r o j e c t ，t h ef o l l o w i n gc h a p t e r sa r ea r r a n g e dt od e s c r i b et h ep r o c e s s i n go f b u i l d i n g t h eh i g h l i g h to f t h eh a r d w a r es y s t e mi st h ed u a l - c o r ea r c h i t e c t u r e ，w h i c hi sc o m p r i s e d o f s a m s a n g $ 3 c 2 4 1 0 r i s c c p u b a s e d o n a r m 9 2 0 t k e m e la n d t i t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 d s p p r o c e s s o r t h ew h o l eh a r d w a r es y s t e m i sc o n s t r u c t e di na l la r c h i t e c t u r ew h i c hb a s e do n t h e s et w op r o c e s s o r s t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mi ss u p p o s e db yq t o p i ag u i ( g r a p h i cu s e r i n t e r f a c e ) w h i c hr u n so n $ 3 c 2 4 1 0a n dt h ea l g o r i t h mi se x e c u t e db yd s pc o - p r o c e s s o r l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mi sp o r t e dt om a n a g et h ew h o l eh a r d w a r er e s o u r c ea n ds o f t w a r e s r u n n i n g ，w h i l et h eb u i l d i n ge m b e d d e dl i n u xs o f t w a r ea r c h i t e c t u r en e e dag r e a tl o tw o r k t o d o ，t h ec h a p t e r5w i l ld e s c r i b e t h ed e t a i lp r o c e s s i n g ，i n c l u d i n gc o m p i l i n gt h eg n u c r o s s t o o lc h a i n ，p o r t i n gb o o tl o a d e ra n dl i n u xk e r n e lt oa r m 9 2 0 t p r o c e s s o r , t h ed e s i g n 、 c o n f i g u r ea n db u i l d i n gr o o tf i l es y s t e m ，a n dp r e p a r et h eq t o p i al i b r a r yf o rt h eg u i w eh a v ed e s i g n e da n dd e v e l o p e dap l a t f o r mf o rt h er e s e a r c ho ra p p l i c a t i o no f s o u n d v i b r a t i o ns i g n a l a n da na p p l i c a t i o ns c h e m eo ft h ed i s t r i b u t e de n v i r o n m e n tn o i s e m o n i t o rs y s t e mi sp r o p o s e d ，w h i c hp r o v i d e sd i s t r i b u t e dd e t e c t i n ga n ds t u d yo fn o i s ea n d v i b r a t i o ni na na r e ae v e nt h ew h o l ec i t y k e y w o r d s ：s o u n d v i b r a t i o ns i g n a ld e t e c t i n ga n da n a l y s i s ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ， d s p l i n u x 浙江人学顺 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 声音和振动( 声振) 是相互关联的两个物理现象，这种物理现象充满了整个世界， 如大自然中的风雨声、i i i 水声、地震，城市中的噪声、马达的轰鸣声等。任何事物都 有其两面性：一方面人们需要利用语言和音乐等声音进行信息的交流和情感的表达， 另一方面噪声和过强的振动会对人们的身心造成危害，损坏仪器设备。因此声音和振 动的研究意义也在_ 丁此，成为永恒的研究方向。 声音和振动研究目的在于对其有利一面加以开发利用，对其不利的一面加以控 制。利用马达振动所发出的噪声可以判断大型仪器设备的运行状态；通过对环境噪声 进行检测、分析，以控制噪声污染；通过监测地震的信息开发了地震仪；用超声波检 测材料的内部结构开发了探伤仪；通过超声波对人体内部器官进行成像开发了医疗用 b 超仪，军事上丌发了探测水下物的声纳装置，等等。 声音与振动的研究需要对声振信号进行检测和分析。纵观声音与振动研究的发展 史，可以说声振信号的检测和分析技术的进步对推动声学理论研究的发展是至关重要 的。但稍有遗憾的是，与其它技术相比，声振信号检测和分析技术的发展却比较平缓， 当前主流使用的技术与2 0 世纪中期相比并无多大进步：声振信号检测和分析仪器中 的主要模块仍是传统的模拟电路，信号的检测、分析速度缓慢，精度不高，而且仪器 的稳定性和可靠性对电路设计工程师和t 艺t 程师的要求极高。尽管我国声振信号检 i l ! l l h 分析仪器的生产历史已有3 0 多年，但在关键技术指标上仍较国际最瓤要求有较 大差距，而国家标准的制定也一直跟不上国际标准的最新要求1 3 。 在噪声研究和控制领域。随着噪声污染的日趋严重和人类环保意识的增强，噪声 检测与分析技术的研究及设备的丌发将得到迅速发展，世界发达国家的噪声和振动分 析设备的产值平均以1 0 1 5 的速度增加。高速运输系统和工具等一些新的噪声源 的出现以及计算机、网络技术、数字处理、新材料等其它高新技术的发展使噪声振动 分析技术及其设备的研究与开发即面临挑战，又为其提供了发展机遇。噪声振动检测 与分析技术和设备的研究开发和产业将会具有一个良好的发展前景。 随着经济、社会的发展，人类对声振信号检测和分析技术的要求越来越高，表现 在：在环境噪声监控领域，环境噪声的研究和控制人员需要对整个小区甚至整个城市 的噪声水平进行实时监控，及时发现噪声超标地点，同时还要通过检测得到的噪声数 据能够分析出噪声源，以有效对其进行控制：在厂矿安全生产方面，由于不断出现的 煤矿安全问题，给嵌入式声振信号的监测和分析技术提出r 更高的要求，不但要求能 浙江a 学硕士学位论文 够实时对整个煤矿矿层的震动进行2 4 小时的实时监控，而且还能分析出安全区域和 危险区域；在t 程机械检测领域，噪声测量已列为国家强制性标准检测项目，即噪声 达不到国家标准规定的要求，则判为整机0 i 合格。 另一方面人们也可以通过对大型 仪器设备发出的噪卢，来分析仪器设备的运行情况，判断其工作的状态和整机的病态 特性。 然而利用现有的卢振信号榆测和分析技术，完成整个城市或区域的噪卢利工矿振 动实时检测和分析的工作儿予足不可能的。以城市环境噪声监控为例，第，对整个 城市的环境监控需要在城市中的多个典型地点进行声振信号的检测和分析，这些地点 可能多达数十个，冈此对人力物力和时间的要求是巨大的。第二，当前的声振信号检 测和分析仪器基本上还属于模拟设备，数字化集成度不高，不同的测量分析目的就需 要不同的检测仪器。各类声级计、统计分析仪、频谱分析仪、声强测量仪等达到十儿 种，既导致噪声和振动测量分析的设备成本高昂，也给t 作人员带来不便。更为重要 的是在频谱分析应用中，目前基于模拟滤波器的便携式频谱分析仪速度过于缓慢，一 次扫频一般需要5 到1 0 分钟，无法满足信号实时榆测分析的需求；而所谓的实时分 析仪器则必须要得到p c 机的支持，不仅价格高昂而且笨重，不便于现场的声振信号 检测分析。最后，现有的声振信号榆测和分析技术还无法实现实时分布式监控，关键 在于符个监控设备与峪控中心的通信成问题，而这在环境噪声研究、控制领域有较大 的需求。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和符个行业的具体应 用相结合后的产物。通过嵌入式技术重新设计、构建的声振测量和分析仪器将具有全 数字、便携式、高精度、可靠性和功能强大的特点。可以在一个嵌入式系统中实现声 振信号检测和分析的全部功能，包括各类声级测量、声强测量、声振信号的频谱分析、 统计分析等。除此之外，嵌入式系统可以拥有强大的网络连接和通信能力，这对分布 式监控的实现具有特殊意义。对丁嵌入式一体化的智能化产品在声振信号检测和分析 领域内的应用己得到越来越多的人的认同，也逐渐成为了当今国内外声振信号检测和 分析技术发展的热点及方向。国内外在此领域的研究也基本上处丁起步阶段，在这条 全数字化的发展道路上，由丁- 我国与国外先进水平的差距并不大，冈此这也成了我国 声振检测、分析技术能否赶上国外先进水平的一个重要突破口。 1 2 声振信号检测和分析技术的发展 声音与振动是人类最早研究的物理现象之一，从1 9 世纪开始，声学开始成为物 理学一个分支，其标志是瑞利在1 8 7 7 年出版的两卷声学原理。声学作为一门既古 老义迅速发展着的学科，它的应用已渗透到儿乎所有重要的自然科学和t 程技术领 浙江人学顺士学位论文 域，形成了一个义一个独特的崭新的分支学科”1 。 利用卢振信号的检测和分析仪器对声音进行研究是推动声学发展的重要因素。在 2 0 世纪以前人们只能用耳朵来对声音进行测试，2 0 世纪随着电子学的发展，使用电 声换能器和电子仪器设备，可以产生、接收并种频率和任何波形的声波，这使声学研 究的得到迅猛发展。最初人们对声振信号进行检测只是通过声级计来测量它的声压 级，以表征声音的强度。声级计是最基本、使用最广泛的声学测量仪器，基本上由模 拟元器件构成，通过内部电容两端电压变化来描述声压变化，从而将声音信号转化成 电信号。 随着社会的发展，声音和振动理论研究和实践已不仅仅满足于对声振信号声压强 度的了解，科学家和丁程师们迫切需要知道声振信号的频谱分布以及随机意义一l 的统 计结果。冈此，一些声振信号分析仪器，如频谱分析仪、统计分析仪也随之诞生。这 些频谱分析、统计分析仪器在当时的技术条件下【乜是模拟设备。例如频谱分析就是由 频率计等与卢级计配合起来完成的，而频率计的核心部分足模拟滤波器，它由一组电 阻、电容、运算放大器组成。 j _ 二述的声振信号频谱分析仪器存在许多不足。前面提到，传统的模拟滤波器采用 电阻、电容、运算放大器组成，不同的中心频率和带宽就用不同的阻容参数。滤波器 的电子线路复杂，不可能将所有中心频率的滤波器都做在一个仪器中，因此在进行频 谱分析时也只能一个中心频率点一个中心频率点扫描出来。显然，这种基于模拟滤波 器网络的频谱分析速度是相当慢的，1 3 倍频程模式扫频一周需要5 到1 0 分钟，这 远远不能满足声振信号实时研究分析的需要。另外，这种声振分析仪器对非稳态声振 信号进行分析存在困难。所谓非稳态信号在声学中指的是信号的统计特性及频谱特性 会随时间变化，而自然界中大多数声源发出的声音在频率和强度上是变化的。在声振 信号频谱分析中，这种由不连续档级滤波器组成的频谱分析仪器对稳态信号是完全适 用的，但对于非稳态信号的分析，则只能借助于磁带记录器把瞬态信号记录下来，做 成磁带环进行反复重放，使瞬态信号变成“稳态信号”，然后再进行分析。 在声振检测和分析领域中，最新被广泛采用的技术是数字信号处理。基丁数字信 号处理技术，如f f t 等研制的实时分析仪可以进行声振信号的频谱分析，且处理速 度达到实时要求。但目前这种实时分析仪还没有便携式产品，频谱分析所进行的f f t 计算实际上是通过p c 机完成的。将采集的声振信号输入电脑，通过电脑的f f t 程序 完成频谱分析。闲此这种实时分析仪虽然在速度上满足了一定的要求，但却过于笨重、 庞大，不便于现场测量和分析。如果将现场采集的声振信号数据带回实验室计算机上 进行处理，实际上就无多少“实时”可言了。 最新的技术发展方向是将计算机“嵌入”到各种小型设备中去。在声振信号检测 和分析领域，可以通过嵌入式计算机系统来完成声振信号检测和分析的所有功能，从 浙江大学硕士学位论文 最基本的各类声级检测、声强计算，到声振信号的实时、便携式频谱分析、统计分析， 以及具备分布式的声振信号自动监测、监控能力，并在性能指标上要满足现有的国际 国内标准。 本论文的目的就是研制嵌入式声振信号检测和分析仪器，构建个全数字、便携 式、实时的声音和振动信号检测和分析系统。 1 3 嵌入式系统概述 为了更好的构建本课题的嵌入式系统平台，有必要对嵌入式系统的技术特点和发 展状7 兄作一岙了解。 随着现代计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛应用，信息技术已从p c 时 代过渡到了以个人数字助理、手持个人电脑和信息家电为代表的3 c ( 计算机、通信、 消费电子1 一体的后p c ( p o s t p c ) 时代。驱动后p c 时代的重要技术之一是嵌入式系 统在理论和应用领域的快速发展，目前每一个小型甚至微型的计算机系统正在不断地 嵌入到人们的社会活动中。在嵌入式系统领域中，以3 2 位r i s cc p u 为核心构建的 嵌入式系统发展前景最为看好，它们已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技 术、各类产业雨i 商业文化艺术以及人们的日常生活等方方面面中。 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者 辅助设备、机器汞i 车间运行的装置”。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出 嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。不过，上述定义并 不能充分体现出嵌入式系统的精髓。日前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中 心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗严格要求的专用计算机系统”1 。 以3 2 位r i s cc p u 为核心的嵌入式计算机系统在指令执行、任务处理上较传统单 片机或者a i s c ；出片更为高效l 。与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可 靠性高；功能强大、性能价格比高；实时性强，支持多任务：占用空间小，效率高； 面向特定应用，可根据需要灵活定制。而设计平构建一个嵌入式计算机系统的重点 也在于“定制”或“裁剪”，包括嵌入式硬件设备和软件系统的裁剪、组合。 在本课题中，我们将选择使用基于a r m 9 2 0 t 内核的三星$ 3 c 2 4 1 03 2 位c p u 作为 系统的核心处理器，控制整个系统的运行和与外部设备的通信；同时还将采用t i 的 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2d s p 作为系统的协处理器单元，负责完成声振信号的各种处理算法。 这两款芯片都有高速度、低功耗的特点。 浙江大学垃十学位论文 1 4 本论文研究的内容和章节安排 1 4 1 课题研究内容简介 本课题研究冉勺主要内锌足对嵌入式声振信号检测和分析技术进行深入的研究，通 过嵌入式计算机技术、数字信号处理技术与声振信号检测和分析技术的结合，构建一 个能够完成多种卢振信号检测和分析功能( 包括符类声级计算和实时频谱分析等) 的 嵌入式声振信号榆测和分析系统，该系统同时逊具备区域分布式的声振信号自动检 测、临控能力。具体来说： 1 在充分了解当前声振信号检测和分析技术现状及社会需求的基础上，对所要构建 的嵌入式声振信号检测帝1 分析系统进行全方位的设计。设计的详细考虑请参考第 章。 2 在系统设计的基础上进行嵌入式硬什开发，在调通硬什的同时保证系统的稳定 性。 3 对嵌入式l i l i x 软件系统进行必要的移植，咀充分利用硬件，在资源受限系统中 刘内核人小进行有效裁剪。 4 进行各种设备驱动接口、文件系统的建立。 5 麻用程序势_ i 去的研究、实现以及在撒入式系统上的优化。 1 4 2 技术难点分析 便携式移动设备对低功耗耍求较高，虽然本课题在器件选择卜尽量采用低功耗、 高集成度的设备，但如何尽町能的降低系统功耗仍是难点。解决的办法有二：一足从 a r m 处理器的体系结构考虑，丰要是充分利用a r m 处理器提供的电源管理功g * 1 3 实时时 钟功能，电源管理功能可以尽可能的降低系统功耗，而实时时钟主要提供了个核心 处理器的蔷份电源，可以在主电源断电时保证系统的正常运行。不过这对于系统软什 ”发提出了更高的要求。一是可以考虑采用大容量的设蔷电池，如锂电池等，保证系 统的供电时间。同时，找们还在系统中使用r t c 实时时钟，保证系统在突然断电或者 b 量不足时能依旧保持核心部分的运行。 要求在声频范围内进行实时i a 倍频程频谱分析。i i r 滤波器有不稳定和非线性相 位等欣点；而常舰的f i r 滤波器组的阶次较高、运算晕达，在实时信号滤波处理方面 存在不足。为了在滤波器的性能和处理速度上都能达到相当高的水准，需要设计并宴 存在不足。为了在滤波器的性能和处理速度上都能达到相当高的水准，需要设计并实 浙江大学城+ 学位论文 1 4 本论文研究的内容和章节安排 1 4 1 课题研究内容简介 本课题研究的主要内容是对嵌入式声振信号检测和分析技术进行深入的研究，通 过嵌入式计算机技术、数字信号处理技术与声振信号检测和分析技术的结合，构建一 个能够完成多种声振信号榆测和分析功能( 包括符类声级计算和实时频谱分析等) 的 嵌入式声振信号检测和分析系统，该系统】司时还具备区域分布式的声振信号自动检 测、监控能力。具体来说： 1 在充分了解当前声振信号检测和分析技术现状及社会需求的基础上，对所要构建 的嵌入式声振信号检测和分析系统进行全方位的设计。设计的详细考虑请参考第 三毒。 2 在系统设计的基础上进行嵌入式硬件开发，。在调通硬件的同时保证系统的稳定 性。 3 对嵌入式l i n u x 软件系统进行必要的移植，以充分利用硬件，在资源受限系统中 对内核大小进行有效裁剪。 4 进行各种设备驱动接口、文件系统的建立。 5 应用程序算法的研究、实现以及在嵌入式系统上的优化。 1 4 2 技术难点分析 便携式移动设备对低功耗要求较高，虽然本课题在器件选择上尽量采用低功耗、 高集成度的设备，但如何尽可能的降低系统功耗仍是难点。解决的办法有二：一是从 a r m 处理器的体系结构考虑，主要是充分利用a r m 处理器提供的电源管理功能和实时时 钟功能，电源管理功能可以尽可能的降低系统功耗，而实时时钟主要提供了一个核心 处理器的备份电源，可以在主电源断电时保证系统的正常运行。不过这对于系统软件 ”发提出了更高的要求。二是可以考虑采用大容量的设备电池，如锂电池等，保证系 统的供电时间。同时，我们还在系统中使用r t c 实时时钟，保证系统在突然断电或者 电量不足时能依旧保持核心部分的运行。 要求在声频范围内进行实时1 3 倍频程频谱分析。i i r 滤波器有不稳定和非线性相 位等缺点；而常规的f i r 滤波器组的阶次较高、运算量达，在实时信号滤波处理方面 存在不足。为了在滤波器的性能和处理速度上都能达到相当高的水准，需要设计并实 浙江人学硕士学位论文 现个具有实时处理能力的f i r 滤波器组，将在在本文第二章对此进行详细介绍。 对声压的测量范围要求达到a 声级2 5 d b 1 3 0 d b ，b j 以计算出于信号对麻的电压范 围是2 0 i v 3 v 。由丁从功耗和成本上考虑，系统的数据处理主要南定点d s p 完成， 而定点系统的特点是其数据精度和动态范劁是一对矛盾，必须根据指标的精度和动态 范围要求设计具体的定点数据处理和存储模式，并且要注意定点系统数值计算中存在 的数据溢出及有限字长效应，这对系统d s p 软件算法的设计和实现提出r 更高的要求。 a r m 处理器； h d s p 协处理器通过h p i 接口互联，而实际上控制两者通信的足嵌入式 l i n u x 的驱动程序，设计出满足a r m 年f l d s p 通信需要的胁议及其驱动实现关系到系统的 性能优劣。 1 4 3 章节安排 结合实际的课题研究工作，本论文的各章节安排如下： 第一章绪论，介绍了声振信号检测和分析技术的研究背景及其实际应用价值，并对 国内外声振信号检测、分析技术的发展进行了分析。 第二章对声振信号检测和分析所涉及到的符类算法进行分析，包括各类声级计算和 基于数字信号处理技术的倍频程和l 3 倍频程频谱分析算法，提出了基丁i 多 速率f i r 带通滤波器组的快速算法。 第三章结合了系统的实际需求，结合嵌入式系统的开发流程，详细介绍了本课题研 究所采用的嵌入式平台总体设计方案，它涵盖了硬件平台，软件平台及相关 开发环境和t 具。 第四章从硬件设计的基本流程及制作( 硬件设计流程和设计原则) 出发，描述了本 课题的嵌入式主板原理图设计( c p u 核心处理器、d s p 协处理器、存储系统、 以太网、u s b 等子模块设计) 和印刷电路板( p c b ) 的制作等。 第五章详细描述r 嵌入式软件系统的构建过程。包括引导装载程序和嵌入式l i n u x 操作系统的移植、嵌入式文件系统的设计和制作、基于q t 图形用户界面的 嵌入式应用程序的开发。 第六章从系统集成应用的角度出发，提出了分布式噪声监控系统的应用方案，给出 了本课题研究在实际系统中应用的可能性和必要性。 第七章总结了目前为f r 本课题研究所取得的成果及其未完成之处，提 n 了课题进一 浙江大学碗士学位论文 步深入研究的展望及应用前景。 浙江大学硕十学位论文 第二章声振信号检测和分析中的相关算法研究 本课题的f j 标足构建”+ 个多功能的嵌入式声振信号检测和分析系统，包括各类声 级检测、声强计算，声振信号的频谱分析等，而这些功能的核心算法都足通过嵌入式 府用软件完成的。阏此，有必要对这些功能涉及的理论进行研究，以便设计出的优秀 适合在嵌入式系统中运行的算法。在这些功能中，声级计算和倍频程、1 3 倍频程频 谱分析是重点，本章对此进行讨论。 2 1 声级计算 声音有强弱之分，并用声压p 来表示其大小，单位是p d ( 帕) 。由于声压变化的 范吲很大，例如人耳刚能听到的最小声压为2 1 0 p a ，而喷气式乜机附近的声压可达 数百帕，两者相差数百万倍；同时考虑人耳对声音强弱反应的( 对数) 特性，用对数 方法将声压分为卣十个等级，称为声压级。某时刻t 声压级的定义是：声压与参考声 压之比的常用对数乘以2 0 ，单位是d b ( 分贝) ，即 l ( t ) = 2 0 l g 塑。 ( 2 1 ) p o 式中：p 为声压( p a ) ，p 。= 2 1 0 。p a 是参考声压，它是人耳刚刚可以听到声音的 声压。 声压和声强都是客观物理量，声压越高，声音越强；声压越低，声音越弱，但是 它们不能完全反映人耳对声音的感觉特性。人耳对声音的感觉，不仅和声压有关，也 和频率有关。一般对高频声音感觉灵敏，对低频声音感觉迟钝，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 耳听觉的生理效应，把声音的强度和频率用一个量统一起来，提出了计权声压级的概 念。计权声压级就是用一定频率计权网络测量得到的声压级，计权声压级简称声级。 在测量声级时，通常根据等响度曲线“3 ，设置一定的频率计权网络，使接收的声 音按不同程度进行频率滤波，以模拟人耳的响度感觉特性，实际上就是将声音首先通 过与菜条等响度曲线等效的滤波器，然后通过一定的公式算出声级。这个公式由( 2 2 ) 所示： l m ) ：2 0 1 9 塑丛鲨= ! 型： ， ( 2 2 ) ，( f ) = 2 一 ， 【2 - 2 j p b 式中：r 为时问讨权的指数时间常数，f 指从过去的某时刻，例如积分下限一o d ，到 浙江大学硕十学位论文 观测时刻t 的积分变量，风为基准声压。 式中取对数运算函数式的分子是在观察时间f 上对频率计权声压取指数时间计权 的方均根值。我们测量的声压级足交变声压的有效值，要想得到交变声压的有效值就 必须采用有效值检波器，检波器输出的信号还会有一些波动，为了减小波动必须有一 段时问的平均，平均时间常数的长短决定了检波器的稳定时间，所以声级计中规定了 三种时问计权：f ( 快，1 2 5 m s ) 、s ( 慢，1s ) 、i ( 脉冲，3 5 m s ) 。当声级计读数上下 起伏比较大时，常选用慢档进行读数，对丁脉冲性噪声则采用脉冲时间计权进行测量。 在传统的模拟声级计中，我们不可能在一个声级计中放置无穷多个滤波器来模拟 无穷多根等响度曲线。般设置a ，b i h c 三种计权网络0 1 ，在实际t 作中，基本上都 用a 声级来作为噪声评价的基本量，而且如果不另作说明，都足指a 声级。b 声级基本 上不用了，c 声级只作为可听声范围的总声压级的读数来使用，有时只是为了判断噪 声的频率特性，才附带测量c 声级。图2 1 描述了声级计算的一般过程。 原始声振信 一h 常规声缓计算 l 时间平均声级计 一算( 等效连续声 号医i 滤谶赢 级) ，i e q 7 i竺 _ 统计声级计算 一一 其他声级训算 图2 1 声级计算流程 上述只是声级计算的理论基础，而且公式( 2 2 ) 也不可能应用在实际t 作中。因 此，必须根据具体的声振信号测量场合对公式( 2 2 ) 进行相应的变形，以更适合实际 需要。一种常见的声级测量是等效连续a 声级，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，并称这个a 声级为此时间段的等效连续a 声级，即： l e q = l o l g ( 1 叭窆；。l 。”“) ( 2 2 ) 另一种常见的声级测量指标是累计巨分声级( 或称为统计声级) ，往往削丁环境 噪声测量”1 。根据所测声振信号场合的不同，还有许多声级的评价标准，如为了测得 一地区2 4 小时的噪声等级，可使用昼夜等效声级。而对于单次或离散噪声事件，如 锅炉超压放气，飞机的一次起飞或降落过程， 一辆汽车驶过等等，可用声暴露级“3 来 表示。 浙江a 学顺士学位论文 2 2 声振信号的频谱分析 根据入耳对声音频率变化的反应，把可听到的频率范围 2 0 ，2 0 臣阮】分成数段，对 每段内的声音强度进行分析。根据精度的不同，声音信号频谱分析有倍频程和1 3 倍 频程频谱分析之分。所谓倍频程频谱分析就是每+ 。段频率范j 嗣的上限频率足下限频率 的1 倍，它将 2 0 ，2 0 k h z 】的音频范围分为l o 段；而1 3 倍频程则将音频范嗣分为j 3 3 段，拥有更高的频谱分析精度。 2 2 11 3 倍频程频谱分析 声振信号频谱分析中常用的倍 频程和1 3 倍频程滤波器实际上就 是一组带通滤波器。例如倍频程带 通滤波器就足由十个不同中心频率 带通滤波器组成，每个带通滤波器 的上限频率比下限频率f 高一 倍。图2 2 为声振信号通过倍频程 滤波器组的示意图，而1 3 倍频程 的结构和倍频程滤波器组完全一 样，只是其滤波器组中有3 3 个不同 中心频率的带通滤波器”。以中心频 率( 1 l z ) 为横坐标，以声压级( d b ) 为纵坐标，画出声振信号通过倍频 程或1 3 倍频程滤波器组的声压分 伟图，就一日了然地通观声音信号 倍频程滤波器组 x n l l # ，带通滤波器，巾 7 i 心频率n _ 3 1 5 h z 1 2 # ，带通滤波器，t 叫心频率f m _ 6 3 h z i3 # ，带通滤波器中 1 心频率f m = 1 2 5 h z l 一嚣嚣黧卜 图2 2 倍频程滤波器组的信号分析流程 的频谱特性。这个方法称为声音的倍频程或i 3 倍频程频谱分析。 由上述分析可知，声振信号频谱分析实现的关键是倍频程和1 3 倍频程数字带通 滤波器组的设计。数字滤波器有i i r ( 无限冲激响应) 数字滤波器和f i r ( 有限冲激响 应) 数字滤波器之分“。“，它们的时域差分方程分别由公式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 所示： m j 和) = 一q m f ) + 以z ( ”一女) ( 2 ，3 ) i = 1k = o y ( ”) = x ( ”一t ) ( 2 4 ) 浙江大学硕士学位论文 其中x ( n ) 是输入信号，y ( n ) 足输出信号，常数呸和玩是滤波器的系数，滤波器 的阶数由m a x ( n ，m ) 确定。从( 2 3 ) 和( 2 4 ) 可以看出，i i r 和f i r 数字滤波器的区 别在于输出信号的反馈，这种反馈引起了i i r 和f i r 数字滤波器许多性能上和设计方 法上的区别。 i i r 滤波器的最大优点是可取得非常好的通带和阻带衰减，还可以得到准确的通 带和阻带的边缘频率，而且滤波时需要的计算量较少。缺点足不具有线性相位，且存 在稳定性问题，容易带来系统误差。在设计e ，i l r 的优点是可以借助丁| 模拟滤波器 的设计结果。模拟滤波器已经有了一套成熟的设计方法，它不但有完整的设计公式， i 而且还有较为完整的图标供查询，因此充分利用这些已有的资源会给 i r 滤波器的设 计带来很大的方便。 f i r 数字滤波器最大的优点足可取得线性相位且不存在稳定性问题。但为了获得 好的通带和阻带衰减，f i r 滤波器的阶次往往比较大，因此f i r 数字滤波器的缺点是 计算量较大，不易实时实现。即使f i r 有性能上的优势，但由于实际应用中的计算量 过大，难以达到实时频谱分析的要求，网此f i r 滤波器在具有实时要求的声振信号频 谱分析中少有应用实例。 2 2 2 多速率f i r1 3 倍频程频谱分析 本节根据现代数字信号处理中的多速率理论“”“”1 ，提出了多速率f i r1 3 倍频 程倍频程分析的思想，可以有效的降低f i r 带通滤波器组的计算冗余，提高1 3 倍频 程和倍频程频谱分析的处理速度，同时具有f i r 滤波器的线性相位和稳定等特点。 在f i r 滤波器组设计时，必须根据输入信号的采样频率对所有的带通滤波器使用 相同的采样频率，例如f = 4 4 1 k h z ，这样的采样频率在高频处可以得到有效的利用， 而在低频部分则是种浪费。我们以1 3 倍频程为例对此进行分析： f i r 带通滤波器实际上可以表示为两个低通滤波器的差： v s i n ( n 一寻) 魄卜s i n ( n 一昔) 】 硼加，( 胛) = l 1 r l = h ( ”) 一h z ( n ) ，t o e q ( 2 5 ) ，0 一芸) 其中两个低通f i r 滤波器h n ( n ) 和h l ( n ) 的截止频率分别是魄和吧，窗函数的长度为 n + i 。因此，我们只需对1 3 倍频程中每个带通滤波器的低通滤波器 。( ) 进行考察即 可。 设f i r 低通滤波器 ( n ) 的阶数为m ，采样频率为f ，它的截止频率为频谱婢， 则其频谱足以f 为周期的拓展。对h ( n ) 的时域序列进行p 倍抽取后得到h ( n ) ： 浙江= ：l = 学硕十学位论文 ( 一) = ) = ( ”) 以月一只) ( 2 6 ) h7 f n l 的d t f t 为： h ( p 一) = 【 ( n ) 8 ( n 一尸f ) 】t e 一伽 一 = ) 去e t 2 , r “e ” ( 2 7 ) tp l = 亡h ( e j ( 4 - 2 x k p ) ) 可以发现，对f i r 滤波器序列h ( n ) 进行p 倍抽取之后， ( ) 的频谱在以h ( n ) 采样 归化数字频率内，与抽取f i 日h ( n ) 的频谱相比，多出了p - 1 个等间隔的复制频谱，如 果没有发生混叠，抽取前后的频谱除了幅度相差p 倍之外，其他是一样的。为了保 证0 ；发生混叠，必须保证原始带通滤波器的截止频率与抽取率p 之间满足一下关系： n 盟 ( 2 8 ) 。 尸 最后需要一个截止带宽为硝胪的抗混叠滤波器将目标频谱滤出。将 ( n ) 变为 ( h 1 的流程框图如图2 3 所示，图2 4 显示了抽取导致的频谱变化。 竺拒互卜区固 图2 3 多速率f i r 滤波器构成示意图 图2 4 信号抽取后的频谱( p 叫) 浙江大学颅十学位论文 从图2 4 中可以发现，经过抽取操作后，h ( h ) 的阶数只有 ( ”) 的一半，但却可 以得到和 ( n ) 一样的频谱。由于抽取动作相当丁降低了( n ) 滤波器的采样频率，冈 此也可以将图2 3 描述的抽取过程称为变速率过程。 因此，当低通滤波器的截止频率比较低时，以较高采样频率设计的f i r 滤波器具 有很大的计算冗余，体现在过高的阶数上。由于人耳的听力范围是2 02 0 k l l z ，音频 信号一般使用4 4 1 k l l z 的采样频率，因此1 3 倍频程带通滤波器组的3 3 个带通滤波 器都需要根据4 4 1 k h z 的采样频率设计。这对高频处的带通滤波器( 如中心频率为 1 6 k i t z ) 来说是合适的，但对于低频处的带通滤波器( 如中心频率为l o o h z ) 来说， 会产生过高的阶数，产生计算冗余。表2 1 足根据本节思想设计的多速率f i r1 3 倍 频程分析中的带通滤波器组与常规f i r 带通滤波器组阶数的比较。f i r 带通滤波器的设 计使用常见的窗函数法，使用具有可调参数特点的k a i s e r 窗“”。”1 ；l 3 倍频程滤波器 的设计指标根据g b t 3 2 4 1 1 9 9 8 倍频程和分数倍频程滤波器确定”1 。 表21 多速率抽取前后f i r 带通滤波器组的阶次比较 浙江人学硕卜学位论文 5 1 3 墓 。 弓一卯 墨。1 1 1 3 1 卯 i j 一速率褒换前 速率变换后 箱： 一 ! | i l | ； 嘲蠖- 蜘m 嚼鞲爵 一, - - - - j - r ，忑： 帮i lli 口口10 2口3口405060 708091 n o r m a l i z e df r e q u e n c yc x tr a d s a m l 】l e ) 图2 51 3 倍频桴滤波器组的部分响应特性( l = 4 k h z ) 图2 5 是表2 1 中第2 2 个f i r 滤波器速率变换前后的频谱比较，横坐标为归一 化数字频率，抽取倍数为4 倍。从图中可以发现，速率变换前后带通滤波器的特性基 本没有变化。中心频率：变换前为o 1 8 x z k 2 = 3 9 6 k h z ，而变换后为 o 7 2 厶啦( 2 p ) = 3 9 6 k h z 。通带带宽：变换前：o 0 4 5 x z 。啦2 = o 9 9 k h z ，变换 后：0 1 7 5 厶。k ( 2 p ) = o 9 6 2 5 k h z 。 可以估算一下多速率1 3 倍频程f i r 带通滤波器组和常规f i r 带通滤波器组所需的 计算量。对于常规的f t r 带通滤波器组，以2 5 h z 为中心频率的第一个f i r 滤波器的阶 次达到了1 2 5 0 4 4 ，最后一个以4 0 k h z 为中心频率的3 3 号滤波器的阶次也达到了7 9 ， 整个1 3 倍频程滤波器组的总阶次达到了约5 7 2 1 5 0 。设d s p 处理器的时钟频率为，：， 即一个指令执行周期为五，= 1 o ，d s p 处理器一般能在一个指令周期内完成一次乘 累加( m a c ) 运算，而对于m 阶的f i r 滤波器，对于。一个n 点输入信号的处理时间为 l 。= n x ( m + 1 ) 毛。“。因此，即使在目前较为先进的d s p 处理器一一t i 的 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 “6 1 上，它的时钟频率最高可达3 0 0 m h z ，且拥有2 个并行的m a c 处理单元， 对丁- 这样一个1 3 倍频程f i r 滤波器组，处理一个1 0 2 4 点输入信号的时间就将近1 秒，这样的滤波速度足达不到实时要求的。而整个多速率f i r 带通滤波器组的总阶数 是5 4 4 4 ，对于一个输入点需进行( 5 4 4 4 + 1 ) 次m a c 运算，在t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 上对一个1 0 2 4 点的输入信号进行滤波处理仅需0 0 0 9 秒，这样的处理速度达到了实时要求。 浙江大学倾士学位论文 第三章嵌入式声振信号检测和分析系统的总体设计 3 1 嵌入式系统设计流程 图31 描述以自顶向下方法建立嵌入式系统的主要 过程“”。“系统需求”和“规格说明”对系统的要求进 行了大体描述和指标的确定。“体系结构”给出了系统 搭建的软硬件框图，以独立的元器件为单位给出了系 统实现的结构。而在“构件”确定部分，知道确定元 器件的具体型号和充分了解元器件的应用特点，避免 出现不必要的问题。在构件的基础上，我们可以构造 出所