（车辆工程专业论文）噪声自动分析系统的研制.pdf

颈士论文 噪声垒秘癸辑系统麴研制 摘要 本文介绍了研制噪声自动分析系统的相关研究工作。噪声自动分析系统是一种基 于声强测量技术的规瞧一体化测按设备，由计冀艇控制，通过导孰规器人带动声强传 感器搽头在灏羹平嚣内自动瓣量，对所得静鼗攥进行各类分街，露露可蠡韵援索、确 定主要噪声源。 本文所作的研究工作主要包括： i 、慰整个系绞遴李亍了憨锌竣诗，确定系缓模块划分及蔟定义，凝黪确定系统豹 硬件架构和软件功能。 2 、对传感器移幼定位部分的硬件( 其中包括机械部分、动力部分、控制及信息处 理部分) 进行了设诗、部锌赡置以及装配调试等工作。 3 、对传感器移动定位部分的敬 孛( 其中毽捂步迸毫梳瓣位置控制、转囱控制、 升降逋控制等) 进行了设计、编糕以及实际测试。 4 、研究了用噪声自动分析系统通过测试与分析自动搜索、确定主要噪声源的方 法与途经，在分掇中波翅了复合影德耽方法。 噪声自动分析系统主要可应用于产品降嗓与故障诊断这两个方面，具肖良好的发 展潜力与实用价值。通过研究，目前己完成了初步的研制，为后续工作打下了良好的 基础。 关链词t声强测激机电一体化测控设锯降噪忧化 磺论文 螓声自动拜辑囊统熬弩 裂 a b s t r a c t t h i s p a p e r i n t r o d u c e st h er e s e a r c hw o r ko nt h e d e v e l o p m e n t o ft h en o i s e a u t o m a t i c a n a l y s i ss y s t e m t h e n o i s e a u t o m a t i c a n a l y s i ss y s t e m i st h em e c h a t r o n i c e q u i p m e n t b a s e do ns o u n di n t e n s i t ym e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y ，t h es y s t e mi sc o n t r o l l e db y c o m p u t e ra n d a b l et om e a s u r ea u t o m a t i c a l l yo nt h em e a s u r i n gp l a n e b ym e a n so f r o b o t i c s d r i v i n gs o u n di n t e n s i t ys e n s o r t h es y s t e mc a l l p e r f o r mv a r i o u sa n a l y s e sa b o u ta c q u i r e d d a t aa n d a u t o m a t i c a l l ys e a r c hf o rt h em a i n n o i s es o n r c e s ， t h er e s e a r c hw o r ko f t h i sp a p e r p r i m a r i l yi n c l u d e s ： 1 ，t h eg e n e r a ld e s i g no ft h ew h o l es y s t e mi sc a r r i e do u ti no r d e rt od e t e r m i n et h e p a r t i t i o n a n dd e f i r f i t i o no ft h e s y s t e mm o d u l e ，t h eh a r d w a r e s t r u c t u r ea n ds o f t w a r e f u n c t i o n so f t h es y s t e m 2 ，t h eh a r d w a r ep a r to ft h es e n s o rm o t i o na n do r i e n t a t i o n ( a m o n gt h e mi n c l u d et h e m e c h a n i c a lp a r t ，t h ep o w e r p a r t ，t h ec o n t r o la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gp a r t ) i sd e s i g n e d ， p u r c h a s e d a n da s s e m b l e d 3 ，t h es o f t w a r ep a r to ft h es e n s o rm o t i o na n do r i e n t a t i o n ( a m o n gt h e mi n c l u d et h e p o s i t i o nc o n t r o l ，t h et a r n i n gc o n t r o l ，t h e r i s ea n df a l l p a c eo ft h es t e pm o t o re t c ) i s d e s i g n e d ，p r o g r a m m e da n da c t u a l l yt e s t e d 4 b ym e a n so fn o i s ea u t o m a t i c a n a l y s i ss y s t e mm e a s u r i n g a n da n a l y z i n g ，t h e m e t h o d sa n d a p p r o a c h e sa r es t u d i e d 。w h i c hc a nb ea p p l i e dt oa u t o m a t i c a l l ys e a r c hf o rt h e m a i nn o i s es o u r c e s i na n a l y s i sc o m p l e x s h a p eo p t i m u m m e t h o di sa p p l i e d t h en o i s ea u t o m a t i c a n a l y s i ss y s t e mc a nm a i n l yb em a d eu s eo f r e d u c i n gn o i s ea n d d i a g n o s i n gm a l f u n c t i o n ，a tt h e s a m et i m eh a sg o o dd e v e l o p m e n t a lp r o s p e c ta n dh i 黎 a p p l i c a t i o nv a l u e v i ar e s e a r c h ，a tp r e s e n tt h es y s t e mh a sb e e np r e l i m i n a r yd e v e l o p e d ， w h i c h p r o v i d eg o o d f o u n d a t i o nf o rf o l l o w i n gw o r k k e yw o r d s ： s o u n d i n t e n s i t ym e a s u r e m e n t m e c h a t r o n i c s e q u i p m e n t f o rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ln o i s ec o n t r o l o p t i m u m 磺士论文 嗓j 簿蠡动势辑系统熬磷潮 1 绪论 1 ， 磊羿究的霾的和意义 每天呼啸而过的各种机幼车辆、铁轨、轻轨发出的刺耳的摩擦声，空中掠过的飞 瓤的发动机声，不绝于耳。镁声污染逐渐成为众多大都市豹主要环境污染之一。攒嚣 矫有关资辩衰翳，城市嗓声熊7 0 来源予交通嗓声，丽交通噪声主甏建汽车噪声。它 严麓地污染着城市环境，影响着人们的生活、工作和健康。2 0 0 2 年我国实施了一项 有关噪声控制的国家标凇汽警加速行驶车外噪声限傻及测量方法 ( g b l 4 9 5 2 0 0 2 ) 。蘧矮蠹壤疼鏊家嚣凌僳护慧焉霪缓骖订并予发毒，它代替了1 9 7 9 年的旧标准，于2 0 0 2 年l o 月1 日起分两阶段强制实施。该标准对m l 、n l 和3 5 吨 以下的m 2 等类轻型车辆的袋求相当于e c er 5 i 0 1 ( 上世纪欧洲标准8 0 年代末期水 平) ，2 0 0 5 年则簧达到e c er 5 i 0 2 ( 上世纪欧测9 0 年代中期承平) 。辩重型车辆敬要 求期相应滞后一个阶段，迢期要求的指标稽当于e c er 5 i 0 0 ( 上毽纪欧溯8 0 年代裙 的要求) ，2 0 0 5 年提高到e c er 5 i 0 1 。噪声测量已列为潮家强制性标准检测项目，即 噤声达不到国窳标准规定的骚求，则判为熬机不合格。如果说以前众业对噪声控制还 不太重程戆诿，那么，瑗在溺予强标懿矮蠢秘实麓，各众延己充分谈浚弱了噪声溅警 的重要性，纷纷采取降噪措施，努力把噪声限制在标凇舰定的范围内。 目前市场上的噪声声强测量仪器大部分采用手动测量的方法，即用手握持噪声传 感嚣手揍在测鬟中移动。丽虽不具有强大豹分辑功能，在测量过程中跫获褥一些瞬搭 点的声强值。随着噪声测薰技术的发震，噪声测量仪器的功能也需黉发震，这徉市场 需爱一种新型的噪声声强测量仪器来弥补空白。本项课题就是针对目前市场上的需 求，研制噪声翻勘分析系统，此机电一体化测控设备主嚣用于噪声声强自动测量和自 动罨援主要噪声滚。 噪声自动分析系统主要可以在产品降嗓与故障诊断这两个方面发挥重要的作用。 1 、降噪方面：噪声源识别工作是降噪的基础工作，由于多噪声源对总噪声的贡献 爨遵锤以能量为基疆静稿热渡划，粪主要唆声源豹控制并不毙取褥骥显豹降噪效鬃。 例如，两声缀分别为9 0 d b 与8 0 d b 的噪声源合成后酶惑噪声为9 0 4 i d b ，若采取礴臆 使主要声源从9 0 d b 降成5 d b ，则总噪声将降低为8 6 1 9 d b ，而若采取使次噪声从8 0 d b 降低5 d b ，则总噤声将降低为9 0 1 4 d b 。同样是降低5 d b ，面取褥的效果完全不同的。 只有确定了主簧声源，矛窍可缝避免富嚣瞧与弱疆壤，粪正镞到“蠢兹羧矢”，鸯针 对性地采取最有效的降噪措施，取得理想的效果。 2 、故障诊断方面：在产晶制造与使用中，许多不同的问题与故障可能通过噪声 ( 不司部位、声缀强弱与频率离低等) 反映蹬来，实际中蠢经验兹技术a 员可通过“呀 磺士论文 噱声鑫动分析系境抟姘潮 声”来辨别产品遴转是否正常与问题所在。噪声自动分析系统可以具谢智能化的功能， 戆够及时判定羚常声嚷，垒动发魏、识别产晶运行中豹务类敬瘁，与人工判定相比较， 黎绫其有更准确、更客观、羹可靠蛉优势。有可能作为产品镥造过稔中提高产品膜量 的有效工具加以应用。 ，2 噪声测量磅究动态 在噪声测爨中，通常有两种描述噪声大小的指标，即声压和声强。声压是个标量， 它能表示噪声的大小，声强照个矢量，它不但能表示出声音的大小，而且能给出声能 滚动懿方囱。囊上整纪七卡年代蜃期，鸯羧差近像法声强溪量鼓零闼蹩戮来，声强瑾 论的研究和声强测量技术的应用日益广泛和深入，特别是从事噪声嫩测及其控制工程 技术人员更加蕊视这项技术。由于声强的矢量特性，决定了声强测爨具有许多声压测 鬟拨术嚣无法睨羧鲍优异性髓。铡如，在极器声功率靛测量中，声强测量可以在理场 测试，不受反瓣声和其它声源噪声酶于抗，帮使背景噤声高出待测机器嗓声l o 分贝， 也能保证达到1 0 分贝的测嫩精度。而声聪测量技术就必须在特定的声场消声室 或混响室中才能完成这项工作，而且要求背景噪声必须低于被测机器噪声1 0 分贝以 上。在噪声治瑗工俸中，鬟声疆溅量搜器霹驭凑壤遮谈期苓嚣橇器、潋及霹一秘嚣豹 不闻部件辐射声功率的大小，给用户提供主要噪声源目标。 传统的声频测量通常在时域内对声( 溅噪声) 信号做声压级测墩，并对其频城内 稠应豹功率谱遴 亍分辑，在熬个测量过程中，往往局隈予获褥声压懿有效蘧两忽锻了 它豁相位。近彳弋声强测量技术的刨新点在予注意并剥稻了被丢失的声篷相位信息，它 惜助两个配对的传感器对瞬时声压做实时测量，两个传感器声学中心连线的中点 乍为 测点位罨，连线方向作为测墩轴线方向，由声压实时测髓值的和及其差分别确定测点 麓稳应懿声压及箨 良凌点掇遮，霉壶嚣蠹黪象菝繇可确定毒鎏离簧撵声波豹声强。声强 测赞能直接反映声能量传播的流向及其强弱，这对于衣现场作噪声源辐射声功率的测 量县有很大的优越性。 皇上可知，采用声强测激技术在现场瓣噪声源雩# 邋场测量，可以确定噪声源辐瓣 声功率并可暖裔效地检测到噪声源细致的分布情况。诧外，在现场俸吸声、隔声测整 时，采用声强测嚣技术也是假得推荐的。对于混响声场，采用声强测缀技术也能获得 有关声场扩散发方面的信息。因此，随着秘前声强测量技术的日盏成熟和完善，声强 溅遂褥遥滚健餐声基嚣量。 另外，在缀典声学测量中传感器探头通常是用手工操作，从一个测量点移到下 个测量点。所以这里有一个趋势，就是为了节省工时丽减少测量点的数目，这将会导 致有疆精确。为了避免这个羧 ；l ，自动测爨系绞应运露嫩。壹动测爨系统已经被瘸予 碛士论文 蛹声鸯动分菪 幕统熬赣翱 汽车，有一种方粲“1 采用一个声强传感器探头阵列在一个半球形的觎络面上旋转，如 强i 。1 辑示。 声强 图1 1 汽车自动测量装鼹 塑中汽车教在转鼓试验螽上，萁驱动羚喾动转鼓麓转。这个用予汽车艴测量系统 由七个声强传感器探头沿半颡周分布，窕稍可默1 8 0 4 旋转。有了蠢动系统，工时不 辩是首先考虑的因素。为了保证测量精度，测量点的数目可以增加来提供足够的测量 数值。因此，声强测量自动化是声强测鬃的另一个趋势。 1 3 噪声测澄系统研究现状及发展趋势 目前声强测崖的系统有三类0 3 。第一类由专用的声强测量仪与声强探头组成的系 统，豫丹麦8 k 公司豹3 3 6 0 声强测量系绞，这类声强溅室系统浆分褥凌戆毒骚，徐 格昂贵。第二类测量系统，将双通道f f t 分析仪与微机联机，配上声强探头组成声强 测蹙系统。这类测量系统有定的功能可扩充性，但是双通道f f t 分析仪的价格述是 獭麓，许多应用单位没有这皴设备。第三炎由微枫实现的声强测量分据系统。由予计 簿静t 的推广与蓠及，价格已卡分便宜，对声强测量静开袋起至l 卡分黧要的健速俸瑙。 媳型的第三类测量系统有国内研发的c e c 型声强测量分析微机系统和s i m s 声强测量 系统。“。c e c 系统的关键技术不在于精度问题本身，而楚在于如何既确保测量分析精 痰又竞驻较 孛速凄浸兹缺点。实瑶毫效茯瀵翡溅量分掇过程。谱分瓣程序对分辑遥发 和精度两者影响最显著。c e c 系统采用的快速傅里叶变换( f f t ) 程序框图，它将两路 燕信号组合为复信号进行f f t ，然后再分离结果，并预先制好窗函数液和三角函数亵， 常驻内存供查燃，对1 2 位a d 数据按1 6 继整数进行处理，避免浮点运算。此方法锼 颟士论文噪声鸯动分耩系统懿姘期 c e c 系统与进口声强测量装鼹达到测量分析精度，可满足工程要求。c e c 系统主鼷实 瑰麴功憨有：三维声强弱掇滔、三缝声强灸量霞、等声溅线圈、声灞援 缀分辑。s i m s 声强测量系统用微机配专用软件作为信号处理手段，在不做声强测擞时，微机可掰作 它用，因而比专用声强测量漩置有更好的适用性。s i m s 声强测量系统可以测出发声 戚每单位面积发出的声功率及每个测点的频谱。对整个发声面扫描一遍以后，微机羼 藜上帮霹显示懑英等声强线黼及三维声强分布圈，斌舔可准确鎏尉蠢其主要曝声澈。 从上面对声强测量系统的介绍可以看到，目前的声强测凝系统大多通过等声强线圈寻 找主要噪声源。 叁2 0 毽纪9 。年找以寒，在计算枕技术戆接裁下，以寝数仪器为拣恚静通矮巅二、 姆能化和网络化测量仪器及测量系统得到了迅猛发展，使得测量仪嚣系统的设计方法 和实现技术产生了深刻的交化。所谓虚拟仪器，就是用户在通用计算机平台上，根据 测试任务的需要来定义和设计仪器豹功能，其实质是充分剩用计算机涞实现和扩髅传 统的测试仪器“。痘援仪器憋能的搀毫依鞍子计算耄莲磷件东乎懿发鼹，当今诗冀掇发 展的日新月异给它提供了良好的平台。噪声测量在虚拟仪器中已成为重要的一个用 户，美国n i 公司最近推出的虚拟仪器开发软件l a b v i e w7 中为用户提供了噪声和振 动测量豹专瑗工其函数模块，爱户可以在戆短豹数分镑内霹鼓完戒一个溅量款待熬编 制。l a b v i e w7 为用户还提供了程序自动生成功能，使精户能够轻松得到测试结莱。 此外，n i 公司还提供了倍频程分析函数、联合时频分析函数、阶次分析函数，丰富 了噪声测量分考跨手段。因此噪声测量将赢廉拟仪器上露很大的发展空间。 勇舞，随赘专家系统技术秘诗算极鑫溺亿技术数发袋，嗓声溺豢 艾器穆赣餐戆纯 和自动化发展。些有经验的技术人员可以通过听设备发出的噪音，就知道设备问题 出在那里。然而这样的人员还是少数，但是现在完全可以借助专家系统来实现。噪声 测爨过程往往燕一瑷颊琰熬豢壤，这是由予镄感器透露是手拷移动，这给溅量工佟袋 柬许多不便。定位移动的工作可以由导轨机器人来接僚，这样不仅稳定位精度和霪复 误差上有很大撼高，还可以节省人力。导轨机器人由计算机控制，按照用户的测擞路 线完成测量工 乍。 1 ，4 研究的主要内容 本课题针对目前市场上的噪声测试装鬻的某些不近人意之处，如用等声强线图确 定主要臻声添、倦惑器手魏移动定位等方嚣，秀发噪声鑫动分辑系绫。臻声謇动分攒 系统是用于自动分析产品噪声的机电一体化设备，它应用声强测量技术、计算机控制 与分析技术等。噪声自动分丰斥系统通过微机控制的步避电机及传动、固定等机构，使 声强探头可以在空闻( 给定二维乎蟊上) 快速移动，准确定醢；声强探头测褥的臻号 硕士论文噪声自动分析系统的研制 分别经过放大、滤波与数模转换后进入微机；由微机软件自动进行各种分析工作，如 绘制等声强线图、主要噪声源自动探查、分析噪声的频率结构等。此外，系统还可通 过计算机完成测试数据的存储、整理、图形化显示、打印测试结果报表等。 本论文主要涉及噪声自动分析系统的总体设计、传感器移动定位部分软硬件设 计、主要噪声源自动探查、系统软件的编制等。具体做以下几方面的研究工作。 l 、对整个系统进行总体设计，确定系统模块划分及其定义，同时确定系统的硬 件架构和软件功能。 2 、对传感器移动定位部分的硬件( 其中包括机械部分、动力部分、控制及信息 处理部分) 进行设计、部件购置以及装配调试等工作。 3 、对传感器移动定位部分的软件( 其中包括步进电机的位置控制、转向控制、 升降速控制等) 进行设计、编程以及实际测试。 4 、研究用噪声自动分析系统通过测试与分析自动搜索、确定主要噪声源的方法 与途径，寻求合适的优化方法。 硕士论文 噪声自动分析系统的研制 2 噪声自动分析系统的总体方案 2 1 系统的总体设计 2 1 1 系统模块的划分 现代机电系统已经成为一个以机械技术为基础，以电子技术为核心的跨学科综合 系统。从功能上来看，它包括机械机构、动力设备、检测设备，处理控制装置等。如 何把这些不同功能单元有机地结合起来，使它们相互协调优势互补，形成一个完整优 化的系统，这就是系统总体设计的目的。系统总体技术就是从整体目标出发，用系统 的观点和方法，将整体分解成若干功能模块单元，找出各个功能模块完成的技术方案， 再把功能和技术方案组合成总体方案，进而进行分析、评价和优选的综合技术“。系 统模块化设计，有利于系统开发的分工合作、维护和升级。 本文将噪声自动分析系统分为三大模块：传感器移动定位控制模块，信号调理模 块，数据采集处理模块。划分的模块组成如图2 1 所示。这样划分模块是由于本系统 的开发由数人参与，同时考虑个人要完成的工作和各模块的有机组合起来。这样划分 可以使工作量合理分配、责任分明。 2 1 2 系统模块的定义 1 、传感器移动定位控制模块 a 、声强探头 声强测量元件。可根据测量要求和声强测量特点选定，其中双声强传感器的对称 性要求较高。 b 、2 d 导轨和传动机构 传感器定位移动装置。根据实际要求确定导轨的传动方式、尺寸和自由度。这里 采用两自由度导轨，范围初步确定为1 0 0 0m m x8 0 0 m m ，同时考虑体积尽可能小，以 减小测量干扰。传动机构包括减速器、联轴器和法兰盘等。 c 、声强探头夹持装置 声强探头与导轨的连接固定装置。考虑到电机的负载和对测量的影响，尽可能做 到质量轻、体积小。 d 、底座和机架 将导轨固定的装置。由于导轨需要在垂直平面内运动，底座和机架和导轨应该垂 直连接。 e 、步进电机 硬士论文 骧声蛊动势辑系统的研铡 系统的动力元件。通过传动机构和导轨相连。步进电机的选择中应注意到负裁转 缀、速度要蕊，弱薅窀瓿豹运行漂謇要尽_ 壁枣。 强2 i 噪声叁动分辑系统翦模块 颟士论文 撩孝鑫动分耩系统瓣嵇潮 f 、步进电机驱幼器和电源 步遵逛规鞭动必备装爨。驱凌器包攒弼流分配和功率敞大，通过驱动器可以袋褥 聚渤电机的脉冲。选择过程中尽量发挥电桃的性能。另外电源的选择必须和驱动瓣的 电压、电流相贼配。 g 、数据采集卡 在这里髂为躲渖输塞摹羹数字售号输窭装置。疆蕊令人诗舅辊瓣不瑟普及，鬃嚣 p c 机直接控制步进电机的做法越来越受到欢迎，因而产生出了许多专用于步进电机 控制的p c 插卡。不过，这般专用插卡的价位很高，而且功能有限。由于本文开发的 测鲞控裁系统巍含铡量窝控潮，辑班这里袋雳具有模拟、数字输入输趣鞠计数嚣敬数 攥采集卡。 i 、计算机 在这里作为电机控制及信息处理装鼹。可按照用户的要求控制传感器的移动定 锭。 i 、坐标标定 由于测量的获得的信息与测量点的俄斌有关，必须在测量之前建立一个测量嫩标 系。 j 、位置控制 步进电机娥数字信号控制设备，并且一个驱动脉冲幼一步，这里可以先算出脉冲 当量，根据移动的距离，确定输入的脉冲个数。 k 、速度控翻 在计算机掇制系统中，步进电机是- - e o 重要的执行元件。从步谶电机的转矩一频 率特性可知，起动转速越高，起动转矩越小，限制了步进电机的最高工作频率，并且 在怒裁频率较麓时，又可栽发生失步，嚣越在步进电飙中应采取身簿速控铡豹接糍。， l 、方向控制 控制电机的旋转方向，来控制导轨滑块运动方向。 2 、信号调理 a 、数据采集卡 在这里作为信号采集设备。将采集到的模拟信号转化为数字信号，为后续的计算 机数据处理提供数据。 8 、撬混滤波放大器 由于测量获得的信号眈较微弱，需聚放大处理。同时为了防止a d 采样时的频 率混淆，在放大和a d 转换之间加入一个低通滤波器。 c 、计算机 在这量俘兔采集控隶稳傣惑楚蓬装置。 。 磺士论文 礤牟鑫动势辑系统瓣辩翻 d 、传感器标定 在翊传感嚣测量之裁，毖须对其避行糠定，才憝获褥正确豹测豢信息。 e 、系统相差标定 在声强测擞当中，需要用到两个通道间的相位差，缀然测量系统的两个通道都是 按相同的参数设计，但任何元件的偏差积累或设计制作中的不对称悭都可能导致滔个 邋遂密魂 露稼洼。祷麓怒溺予测量戆嚣个声强撵头。实际中，逶卷采蘑两次耘定互 换通道法来获得这个系统参数。 f 、系统声压和声强标定 系统声压拣定，摇当予蛰整个系统豹矮毽系统误熬遴行了骖正。耄予标定是瓤建 声级校准器在实际测量系统上进行的，所以可随时对系统进行标定，以保证系统在使 用过程中的测燃精度。另外，用双传声器进行声强测墩，主要是通嫩声压的测量来得 到声强结果。因此，声压标定后，声强标定也完成了。 g 、声压、声强秘声功率圣专箨 在系统声聪标定完成之后，基于频域分析，可以计算出所测得的声压值。得剃声 压值之后，可以获得声强值。由于知道设备的声功率可以预计出安装此设备后在环境 中产生瓣声压级，毽此声功搴豹瓣量是缀巍宓要的。测定声功率愆方法有分多测点法 和扫描法。 3 、数据采集处理 a 、数据自动聚集 壤摇嚣羹参数懿设萋，对测量信号避行莱集。 b 、测量信号波形监视 在数据采集卡采集数据的过程中实时地显示测量数据。 c 、数据记录 将数据采祭卡采集的数据作为磁盘文件存于硬盘申，为后续的数据处理分析键供 数据，在这里w 以做一个数据库来保存这魑数据。 d 、数据回放 瓣萋获彳蚕熬数据被僳存夜文 孛中，灸了着赛溺量警中瓣实露鏊线，以对数掇文 件进行处理，来显示回放实时曲线。 e 、等声强曲线 在发声 本表嚣毒置足够多戆溯点，将务测点戆坐探存糖于诗雾掇，声强掇头爨誊 予测量表面逐点测量一遍，将测得的数据输入计算枫，利用i a t r i x v b 画图函数，就 可以得到等声强曲线，由图可以方便地识别源。 f 、三维声貌网格图 三维声装瓣稽簦是立舔瓣等声强圈，京获缮冬溺点瓣数据爱，毽怒摹l 雳m a t r i x v b 硖士论文 噪声垂砖分辑系统鹣研制 的域图函数，能得到三维声貌网格图，由豳也可以方便地识别噪声源。 g 、t 3 整频稷分辑 利用谱分轿方法得至争陵带宽声强谱，对于每根谱线，它是一个能燮集中在离敝频 率点上的声强序列。换一种考虑方法，将它认为是能墩均匀分布搬某频率点处左侧 l 3 采样频率的带宽上，可以褥到1 3 倍频程声强谱。 、声源级蓑 露 由于设备可能有多个声源，为找到主髅噪声源，声源级排序是一个很有效的方法。 这里主要测量备声源的声功率，来进行排序。 l 、时域示波 将频域分析所得的结果转化为时域显示密来。 j 、最大噪声源确定 以前的测爨系统大多用簿声强曲线来确定主要噪声源，确定的避程较长，并且位 黉墅标不糖确，这里准冬暴愆复合形霞纯算法，我鬟烹簧噪声源熬较精确静霞嚣。 2 1 3 系统的硬件架构 本文磊秀翻浆噪声是凌分嫒系统，主要跫铮对妥兹帝场上豹噪声测豢设萋灞蚕不是 之处，计划开发出集自动定位、自动测量、自动分析予身的机电一体化测控设备。 根据系统功能鬻求( 运动范围为1 0 0 0 m m x8 0 0 m m ，运动速度为低速，运动精度为l m m 以内等) 和设计原则，其硬传设计原理图如图2 。2 黢示。不难看出，声强抟感器阉定 予二维导轨的滑块上，并由毫税带动导鞔、漪涣在竖壹乎嚣内移动，佟感器采集鲍数攥 通过抗混滤波和放大，将模拟信号传递到数据采集卡，通过a d 卡实现模数转换， 缀计算机内部预制软件，对声强数据进行备种处理。用户通过操作功能软件，向端口 卡发毫蠡令，茨潮导赣步遘惫毒死懿建交霉【l 箨立，实瑷传感器在二缳学嚣蠹任意移劝， 同时可以通过软件的设置控制声强传感器扫描步长以及扫描速度。 如图2 2 所示，声强自动测量系统的主要硬件包括：声强传感器、抗混滤波放大 嚣、动态信号集卡、运动簿孰及其组 牛、电枧、减遵器。 2 1 4 软件功能 对系统采集泉的信号进行处理、对运动机构的控制均需要通过威用软件来实现。 藻于声强测量豹臻声童动分辑系统系筑软佟结构翔图2 3 所示。 从图中可以看出，系统软件由五个功能模块组成： ( 1 ) 系统标定模块：用于对系统硬件进行初始化。 ( 2 ) 测量擦囊l 模块：i 蓦l 于对系统硬僚的运行秘溺黧方式进行掩臻。 堡主丝苎 堡皇皂垫坌塑墨堕堕! 型 ( 3 ) 数据采集模块：采用不同方式获取声强和声压信号。 ( 4 ) 数据处理模块：用于对获取的声强或声压信号进行相关的处理。 ( 5 ) 系统帮助模块：用于对系统的使用说明和相关介绍。 图2 2 噪声自动分析系统硬件原理图 系统标定模块ll 测量控制模块 噪声自动分析系统 数据采集模块il 数据处理模块ii 系统帮助 羽阳雕俐l 图2 3 噪声自动分析系统软件结构 根据上述软件模块的划分定义，自行编制的软件界面如图2 4 所示。 胄茌搜圈 喳置聃哪格田三缝声悔矢量圈 硅据回鼓敷撼记录 毂撼宦磷乐燕 最丈啧声球揎考 传感嚣毫位 声聃皇训量设置 1r蓓槲量设置 引量堂标标 棒声器标龟 硕士论文 噪声自动分析系统柏研涮 图2 4 喋声自动分析系统软件界面 2 2 系统的关键技术 2 2 1 声强测量技术 2 2 ，1 声强测量的基本原理“ 声强测量方法可以分为两静：一种是将传声器和直接测餍点速度的特感器辐结 合，可简称为p u 法；弱一种是双传声器法，可简称为p - p 法。 这里袋用后者双佟声器法。两传声器a 及8 安装得相距一小段距离，设两传声 器戆声学中心连线为x ，当声波沿x 方逡霉亍进时，掰测密懿秀个声压p 。( f ) 及p # 之 间存在着梯度。根据声场介质的运幼方程： 空：一竺 ( 2 1 ) 言, c o a t h p 。气体静态平衡密度 p 声压 “凌点速凄 硕士论文 噪声自动分析系统的研制 设两传声器声学中心之间的距离为d ，当d 远远小于波长兄时，害可以近似的改写 为旦d 生掣，于是式2 1 可改写为： “( f ) = 一币1 f 【p 。( r ) 一p 蒯班 ( 2 2 ) 两传声器之间中点的声压可以认为是p 。( f ) 及p 。( f ) 的平均值 p ( f ) ：丝2 兰也 ( 2 3 ) 则，方向上的瞬时声强为 ，( t ) = p ( f ) - u ( t ) = ：七【p 。( f ) + p b ( ，) i p ( t ) 一p b 0 ) 西 ( 2 4 ) z p n a 。 取其时间平均就可以得到x 方向上的有功声强。 当声波为简谐波时，pd ( f ) = p 。c o s ( o x + 中。) ，p 日( ，) = p 。8c o s ( c o t + 。) ，式( 2 4 ) 中p 。，p 。是幅值。代入上式，则有 ，0 ) = p c o s ( c o t + 中) + p 加c o s ( c o t + 0 8 ) 2 0 。a p 。c 。s ( 耐+ 。) 一p c 。s ( 耐+ 。) 】出 = = _ p “c o s ( c o t + o ) + p 柏c o s ( c o t + o 日) 】 2 p o o x p ds i n ( c o t + 中) 一p s i n ( c o t + b ) 】 = 去 譬s i n 2 ( 耐峨) _ 争i n 2 ( 耐饥) + p 。p o s s i n ( a - 8 ) ( 25 ) 取时间平均，方括弧内前两项为零，故有 ，p , u p 。日s i n ( “一。月) 。一瓦函广一 当巾；一中。很小时，丝粤掣 二尸o n u 2 2 1 2 识别主要噪声源 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 当同时存在两个同级的噪声源，其合成的噪声级只是单个噪声源增加3 d b ，而当 其中一个噪声级超过另一个6 8 d b 时，其合成噪声级只决定于其中一个较高者。所 翌! = 兰兰羔 鳖耋童望坌篓墨篓篓堑墼 以对复杂声源谶行噪声控制时，首先必须识别并治理其中的主要噪声源才能起到立竿 强影兹效果，声强法魏开发成功，为识剐主要噪声源掇供了卡分有效滟手段。嗣声强 法识别主要噪声源可以有黻下3 种方法“；声功率挤序法、连续扫描法和等声强法。 下面分别叙述 l 、声功率摊序法 秘器往往囊多个部释酝缀藏，在声强法没鸯开发藏凌之蘸，妥怒翔遂起主要礤声 源通常是采用锚覆盖法，即用铅皮及吸声材料将运转的机器各部件包裹起来，测出其 声压级，然后器蘑出某个部件，再测出声压级。用i s 0 3 7 4 1 3 7 4 5 规定的方法计算出 声功率，嚣耆之差就是该暴耩部转发遗的声功率。热戴姣次暴露每个部臀，可以褥到 各部件的噪声级，排序后可以找出主要嗓声源。这种方法工作量大，而且要在消声室 或混响室中进行，以排除其它声源的干扰。 声强法比锻覆盖法容易实现。用前面掰述方法测最声功率可以不受环境噪声的影 确，当灞量撬嚣中菜一帮释斡声功率露，可驻把其它部释戆噪声认为建环境噪声，这 样各个部件依次测量，就可以得到全面的噪声级排序。 2 、连续扫描法 双黄声器探头黎骞缀敏感懿撂囊性，当声入蘩方囱与测头轴线方彝残8 5 。跨显示爨声 强为正值，丽当角度为9 5 。时就变为负德。利用这个特性可以用连续扫描法将声源定 位。扫描时将探头轴线平行于被测表面连续平移，同时注意显示器的信号，当信号改 交符号时，探头中点的垂线上必有声源存程，如下图2 5 所示。此方法对测隔板戚隔 滚懿声澄露卡分有效。 l ：；i 臻。 _ ，一 、7 l 、 ，4 j、 7 垂蓦蠢塞匿丢童薹塞三j 塞三三三三錾；三三三三 、 ：j ：= ：一 匿= = - - 晶棚= 一渊碱 f5 1 。l 一“l 卜一一、，|i 一，一一、| ，一l l | 1 - - * 一，# u - - - - - 一，w f j “强躲 ：勰 翻2 。5 连续据撬法确定主要噪声 蟥士论文 臻声謇砖分辑系统斡磷潮 3 、等声强线图法 离被测表灏一定距离设爱一豢有网麟鹣测量蘑，为了避开表瑟避凑戆局部拨动， 该距离应至少大于8 c m 。每个网格的中点就是测点，箕爱标按序先输入数据分析系统。 将探头轴线垂随于被测表谳，测出每个测点处的表面法线方向的声强，然后可以蝴出 被测表面的等声强线图及三维声强图。豳图可以很方便地找出主要声源之所在。 2 2 2 计算枕辅助自动化技术 2 2 2 1 概论 计算穰辅麓鸯动纯在远几年有稷大静发震，穰当多静工监控翻聚耩了p 0 一b 鑫s e d 作为发展的方向，除了在硬件发展上的进步有目共睹外，软件上的发展也是一目千里。 w i n t e l ( w i n d o w s + i n t e l ) 架构是目前大多数计算机所采用的组合，大多数系统就以这 个絮搀为基礤安臻诗葵毫毪辘麓叁动纯“。本谋瑟瑟牙发熬溅量控测累绞裁是在此絮捣 下，使用v i s u mb a s i c 及n a t i o n a li a s t r u m e n t s 的p c i 扩展适配卡p c i 6 0 2 4 e 扩充 计算机功能从w 百达到控制的裳求。 当建立个计算机辅助系统对，一定辩要一部计爨机，个人计第枧是相当凿逋的 设备，家庭或个人经常镬臻台式计算辊簸灌裰关鳃事黧：工鼗上便爝的计算税鞍家庭 使用的计算机有些不一样，由于工业环境可能不太好( 高温、高噪街、高振动、离湿 媵以及高粉尘等) ，因此其设计要求比一般个人计算机商。般的工业计算机由机壳、 鹜援、主攫以及其戆豹努爱浚蚤( 软盘辍、硬盘税、光驱、犍盎、簸掭) 缝藏。王业 计算机在组装的过程中除了这些配置稍微不同之外，箕他的外设和般的个人计算机 棚去不远。在控制用计算机上装好操作系统后，一个可操作的控制计算机已经形成。 当用户想要配爨基本计算枫以外的其他功能时，需要程计算机中加入扩展适配卡。因 为使用静场合不陵，额舞热入酶卡氇舂务耱不同酶接秘。从酲裁豹祷况看，p c i 臻进 卡应是主流，而i s a 接口卡由于存在的时间相当久远，因此也有一定的市场。在安装 好扩展卡后，再装上硬件驱动程序。这样当操作系统欲对此卡进行操作( 输入输出操 髂) 时，驱动黪够提貘硬搏懿穗关售崽、穗廖饯码以及攥俸懿撵雩| 。下瑟要骰貔王 警 鼹如何控制适懿卡。 2 2 2 2 适配卡控制 i 安装适配卡戆嚣豹是为了扩震诗舅捉戆功麓，鑫予逡嚣专是塞蘧户垂牙热一h 瓣， 探作系统是不可能为每位不间需求的用户准备所有的解决方案，而掰户也不太可能在 衡口操作系统的环境下自行针对某一特殊功能进行程序的编写。如果由最基础的程序 一蠹写到硬件专控制，会馕褥工程师花费大量的心血两无法顺利完戏计划。这时藏麓 硕士论文 噪声自动分析系统的研制 要由硬件制造厂商为客户准备一些软件工具了，而这些准备的软件工具通常也适用于 很多程序语言，如v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 、c + + 和v i s u a lc + + 等常用的语言，部分厂 商还会针对特别的应用软件提供特别的软件接口，让厂商所开发的适配卡可以适用于 不同的软件语言，例如n a t i o n a li n s t r u m e n t s 所开发的图形语言l a b v i e w ，使其卡 可咀在l a b v i e w 的环境下控制。 就v i s u a lb a s i c 来说，厂商可以为他们的适配卡附带a c t i v e x ，从而可以在 v i s u a lb a s i c 的环境中使用；也可以做出动态链接库( d y n a m i cl i n kl i b r a r y ，d l l ) 让v i s u a lb a s i c 的程序调用，这两种方法是最常使用的方法”1 。这两种方法在使用 上不太一样，a c t i v e x 如同一般v i s u a lb a s i c 的控件，可以在工具箱中方便地自由 取用：而d l l 则必须利用d e c l a r e 的方法作声明，才能在程序中使用。一般情况下， a c t i v e x 的速度要比d l l 慢，因为a c t i v e x 其实也是d l l ，只不过它将d l l 藏在里面， 再通过程序的转换将信息传给d l l ，当然了，d l l 的信息也是通过a c t i v e x 传给应用 程序，这一来回就使得a c t i v e x 的速度比单纯使用d l l 慢了许多，其过程如下图2 6 。 诚b 呔c 毽厣 图2 6v i s u a lb a s i c 控制卡的过程 厂商对于驱动适配卡的方式也不完全相同，如上图所示。有些提供o c x 控制方 式的适配卡，有些也将原来d l l 的调用方式改为o c x 调用，再转而调用d l l ，形成两 层调用；另一方面，也有些厂商将o c x 中的调用直接跳过d l l ，直接驱动程序。 本课题所使用的是n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司生产的p c i 6 0 2 4 e 采集卡，为客户 硕士论文 噪声自动分析系统的研制 提供了比较全面的软件支持。该卡所支持的开发软件有v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc 、 b o r l a n dc h 、l a b v i e w 、b r i d g e v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 等应用软件，针对于v i s u a l b a s i c ，n i 公司提供了上述的两种控制方式。就o c x 方式，他们提供了d a q ( d a t a a c q u i s i t i o n ) 控件、u i ( u s e ri n t e r f a c e ) 控件等许多控件，应用这些控件用户可 以完成对采集卡的输入输出控制。对于d l l 方式，他们提供了n i d a qf u n c t i o n ， 应用这些函数同样能达到相同的目的。 2 2 2 3 软件与硬件的关系 程序如何由总线接触到适配卡，并使适配卡执行控制或回传卡状态，是一个相当 不容易的问题，在d o s 环境下，利用i n p u t o u t p u t 指令可以直接控制到计算机的地 址，但在w i n d o w s 操作系统中已经不能直接这样操作了”3 。在w i n d o w s9 8 中，也许 可以使用v i s u a lc + + ，利用输入输出函数，达到和d o s 模式下相同的控制功能；但 在较高级的系统中( 如w i n d o w sn t 、w i n d o w s2 0 0 0 、w i n d o w sx p ) ，这样的做法是不 行的，这是由于w i n d o w s 操作系统是一个受保护的系统，微软认为，如果随便就可以 下达硬件控制指令，将会危害到整个系统的稳定性，但总要有个方法可以让他人发展 硬件控制程序，所以硬件的操作通常利用微软的s d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ) 和d d k ( d e v i c ed e v e l o p m e n tk i t ) 来完成。 v i s u a lb a s i c 本身的程序无法直接控制适配卡，必须通过d l l 或是额外的o c x 控件的帮助才行( 如前面所述) 。用户通过厂商所提供的d l l 或o c x ，用户所编写的 控制程序代码就经过层层的转译，一直到卡上的缓存器，而检测程序则由相反的管道 将状态回传到用户所写的程序中。在v i s u a lb a s i c 的程序中，这些额外的d l l 必须 事先告诉v i s u a lb a s i c 编译器，以便v i s u a lb a s i c 知道如何建立程序和d l l 的连接， 通常这些d l l 在模块中声明，情况如图2 7 所示。 图2 7d l l 在模块中声明 硕士论文 噪声自动分析系统的研制 需要用到某个厂商提供的函数时，只要输入函数的名称，该函数所需要的参数也 会和一般v i s u a lb a s i c 函数一样显示出来，如下图2 8 所示。 图2 8 提供的输入输出函数 通过咀上的程序，当用户利用函数和适配卡沟通时，完全不必担心中间的流程， 操作系统和函数库自然会帮用户做好转换工作，程序也会根据设计的流程及函数而执 行。 2 3 系统的软件开发 2 3 1 概述 测控系统由于大的数据处理量，其主控机越来越多地采用高档计算机。随着 w i n d o w s 系统的普遍使用，迫使新的测控系统上位机采用w i n d o w s 编程。面向 m i c r o s o f tw i n d o w s 系统的语言程序为用户设计一个优美的图像界面提供了方便，为 测控系统建立高度友好的用户界面奠定了基础，v i s u a lc 十+ ( v c ) 和v i