（机械电子工程专业论文）声强探头与声强数字信号处理模块的研制.pdf

声强探头与声强数字信号处理模块的研制 摘要 随着声学理论的快速发展和声强测量方法的日益成熟，使得开发一种 专用快速的实时数据采集与处理系统显得尤为必要。本论文对国内外现有 声强测量设备的构造进行了较为深入的了解，并针对其中的声强探头和声 强数字信号处理模块进行了细致的研究。对于声强探头部分，提出了以p - p 算法为理论基础设计双传声器声强探头的方案。并在设计过程中仔细分析 了双传声器声强探头的特点和要求，研究了它的前置放大电路和机械结构 的设计方法。对于声强数字信号处理模块部分，采用互谱声强技术作为其 理论基础进行设计。设计过程中主要做了两方面的工作：一是系统硬件模 块的开发，包括d s p 与u s b 总线的连接、d s p 与a d 接口电路的设计，声 强数字信号的缓冲方法和d s p 外围电路的设计等：二是系统软件的开发， 主要包括各种接口程序和基于o s p 的快速傅立叶( f f t ) 程序的设计。最 终通过软硬件配合，数字信号处理模块实现了对两路声强信号的实时采集 和实时f f t 变换。 本文在一开始分析了国内外现有声强测试设备的结构和发展趋势，并对本课 题的意义做了阐述。之后分声强探头和声强数字信号处理模块两部份，对它 们的总体设计、软硬件实现方法和机械结构等几个方面展开了详细的讨论与分 析。 关键词：声强探头，v c 5 4 0 9 ，数字信号处理模块，f f t t h e d e v e l o p m e n t o fs o u n di n t e n s i t yp r o b ea n d d a t a s i g n a l p r o c e s s i n g m o d u l e a b s t r a c t w i t hq u i c kd e v e l o p m e n to fa c o u s t i ct h e o r ya n di n c r e a s i n gm a t u r i t yo fs o u n d i n t e n s i t ym e a s u r e m e n tm e t h o d i ti sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt od e v e l o paq u i c k r e a l t i m es o u n di n t e n s i t ys a m p l i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e m t h i sp a p e ra n a l y z e st h e c o n s t r u c t i o n so ff o r e i g na n dn a t i v es o u n di n t e n s i t ym e a s w e m e n t e q u i p m e n t sd e e p l y ， a n dm a i n l yi n v e s t i g a t e ss o u n di n t e n s i t yp r o b ea n di t sd a t as i g n a l - p r o c e s s i n gm o d u l e i nt h es o u n di n t e n s i t ym e a s u r e m e n ts y s t e m f o rs o u n di n t e n s i t yp r o b e t l l ed e s i g n p r o j e c tb a s e do np - pa l g o r i t h m i s f i r s t l yp u tf o r w a r d t h ed e s i g nm e t h o d sa b o u t m e c h a n i cs t r u c t u r ea n ds u p e r h i g hi n p u ti m p e d a n c ep r e - a m p l i f i e ra r eg i v e n f o rt h e d e v e l o p m e n to fd a t as i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l eo fs o u n di n t e n s i t y , t h ec r o s s s d e c t r u m s o u n di n t e n s i t yt e c h n i q u ei s a p p l i e d t h em a i nw o r ki n t h ep a o e ri s ：o n ei st h e d e v e l o p m e n to fs y s t e mh a r d w a r e i n c l u d i n gt h ed e s i g n so fd s pa n da di n t e r f a c e c i r c u i t ，c o n n e c t i o nm o d eb e t w e e nd s pa n du s b ，d s pp e r i p h e r a lc i r c u i ta n ds oo n ； t h eo t h e ri st h ed e v e l o p m e n to f s y s t e ms o f t w a r e ，m a i n l yi n c l u d i n gd i f f e r e n tk i n d so f i n t e r f a c ep r o g r a md e s i g na n df f t a l g o r i t h mp r o g r a md e s i g n a tl a s t ，t w oc h a n n e l r e a l - t i m es o u n di n t e n s i t ys a m p l i n ga n dp r o c e s s i n g ( f f t ) a b i l i t yi sr e a l i z e di nt h e s o u n di n t e n s i t yd a t a s i g n a l - p r o c e s s i n gu n i t t h es o u n d i n t e n s i t ym e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t sa n dt h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c ya r e f i r s t l yd i s c u s s e di nt h i sp a p e r , a n dt h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo f t h ep r o j e c ti si l l u s t r a t e d t h e n t h er e s e a r c hc o n t e n ti sd e c o m p o s e di n t ot w op a r t s ：s o u n di n t e n s i t yp r o b ea n d s o u n d i n t e n s i t yd a t as i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，i n c l u d i n gt h e i rt h e o r y , t h em a i nf r a m e ， h a r d w a r e ，s o f t w a r ea n ds oo n k e y w o r d ：s o u n di n t e n s i t yp r o b e ，v c 5 4 0 9 ，d a t as i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，f f t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金目竖些盔堂 或其他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作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 匆群 签字日期：函卿6 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金a 工些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权合肥 王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：圣地乏蓦 签字日期：幽峭i 月三日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期：“年石月。日 电话： 邮编： 致谢 首先衷心地感谢我的导师李志远教授。在我研究生学习期间，无论在 学习上、思想上，还是生活上，导师都给予了无微不至的关怀和耐心细致 的教导。在论文的选题、研究及写作过程中，导师也倾注了大量的心血， 提出了许多宝贵的意见。他严谨的治学态度，一丝不苟的敬业精神，诲人 不倦的高尚师德，为我树立了做人、做事的榜样，对我今后的人生旅途将 产生深远的影响。 同时，本次论文工作的完成还得益于陈品师兄无私的帮助，此外还要 感谢教研室的陆益民老师、许滨老师、和张丽、刘艳华、郑传荣等全体同 学以及计算机的齐老师。学习期间他们都给了我莫大的帮助和鼓励。 最后，要特别感谢我的亲人在整个学习期间给予我的一贯支持! 作者：姚辉 2 0 0 4 年5 月 第一章绪论 1 1 课题来源 随着声学理论的快速发展和扫描声强声功率测量方法的同益成熟，使得开 发一种专用快速的实时数据采集与处理系统尤为必要。本课题来源于省“十五” 科研攻关项目“高性能智能化声强测量分析系统”，其主要目的之一是完成数据 采集器的部分研制工作，其中包括声强探头的设计和数据处理模块的研制。从 而为“高性能智能化声强测量分析系统”的实现提供便捷、可靠的硬件支持。 1 2 声强测量技术与声强探头的发展 在现代工业中，降低机械的噪声，改善机械的性能，是各个制造企业必须 面对的问题。降噪和低噪设计很大程度上依赖于声学测量，通过测量，可以了 解产生振动和噪声的原因，如振动源或声源部位、声源类别、声级或声功率级 的大小、频率特性、变化规律和传播特性等等，从而可以找到降低噪声的有效 途径。 传统的声学测量采用的是声压法，它是以声压作为测量参数。这种测量方 法存在很多局限。首先由于声压是标量，只有幅值信息，不能全面地描述辐射 声场的声学特性。其次，采用声压法还需要消声室、混晌室等特殊的声学环境， 然而建造一个不大的消声室，就需要耗资近百万元，同时，即便有了这些设施， 很多机器因结构、重量、尺寸及运转、安装条件的限制，难以运进消声室内去 测量。此外，对于声源定位、声源排队等工作，使用声压法将遇到很大的困难。 相比之下，八十年代起迅速发展起来的声强测量技术具有诸多优点：它可 以在普通环境下或生产现场准确地测定机器设备的声功率；可以方便地进行声 源排队、声源定位；可以方便地进行声辐射效率、传递损失等方面的测试研究。 这些测量结果可以对现有的机械设备进行噪声源识别，进而采取有效措施，减 振降噪。由于上述的众多优点，声强测量已成为近年来用于噪声鉴别和声功率 评定的主要手段之一。 声强探头是声强测量过程中获取声强参数的仪器，因而它的研制是声强信 号采集分析系统的关键工作之一，它直接关系到系统的整体性能。因为瞬时声 强是瞬时声压及瞬时质点速度的乘积，所以早期的声强测量仪器重点是同时实 测出这两个瞬时量，然后加以相乘，声强测量关键在于这两个参数的获取。由 于用传声器测量声压的问题早己解决，因此，声强探头的设计就集中在解决实 测质点速度上。 最早研究声强探头是美国r c a 公司的h a r r y o l s o n t l l 。他于1 9 3 1 年申请了一 套声功率计专利，具有能同时测量声压及质点速度的探头，系统中还配有带通 滤波器。可是没有见到其实际应用的报道。1 9 4 0 年c ，w c l a p p l 2 1 和f a f i r e s t o n e 用一个铝箔式速度传感器和二个晶体式传声器组合成一个声功率计的探头，研 究了驻波管及混响室中的声强场。这是最早真正得到实际应用的探头。1 9 4 3 年 r h b o i t ”和a a p e t r a u s k a s 首次应用双传声器技术测量材料的声阻抗，这为以 后发展起来的双传声器法指出了方向。1 9 5 5 年s b s k e r l 4 1 用一个热线式风速计 和一个传声器组合起来以测量声强。可惜该系统对于额外的空气流动过于敏感， 以致不能在现场应用。 以上声强探头都是直接测量，至此可以看出质点速度的直接测量具有很大 的难度。从而出现了间接测量质点速度的方法。 1 9 5 6 年t js c h u l t z s l 应用b o l t 的双传声器法的原理，处理两个传声器 的声压信号，而得到质点速度。这开创了质点速度的间接测量法，为声强测量 的发展做出了很大的贡献。可惜的是他采用的是背对背的碟形传声器，两者之 间距离很小，且对电子线路的要求在当时也属过高。他在试验室中简单声场的 条件下取得了满意的测量结果，但在刚性封闭空间中的测量却不成功。 在2 0 世纪7 0 年代数字信号处理技术发展得十分迅速，f f t 分析已广泛应 用。人们发现只要把双传声器测到的信号由时域转换到频域，以其互谱的虚部 就可得到声强，这就意昧着只要有两个高质量的传声器和一个f f t 分析仪就可 以组成一套声强测量系统。在这方面具有代表性的人物当数美国通用汽车公司 的j y c h u n g 和英国南安普敦大学的f j f a h y l 6 1 ，他们在1 9 7 7 年所发表的成 果极大的推动了声强测量技术的发展。 在此基础上，不少商品化的声强测量系统出现在市场上。比较有代表性的 产品有丹麦的b & k 公司的双传声器探头。日本小野测器公司推出直管探头等等。 但一方面，国内的声强探头的研制还处于初级阶段，还没有较好定型的产品出 现。所以国内大部分声强测量系统使用的声强探头都是从国外进口。由于声强 探头的价格昂贵，一般都在万元计，这就大大增加了声强测量系统的成本，限 制了声强测量方法的应用。所以，研制一种具有良好性能和价格低廉的声强探 头，对于声强测量方法的推广有着很重要的意义。 1 3 数字信号处理技术和数字信号处理系统 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字的形式对信号进行采 集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理。它是2 0 世纪6 0 年代前后 发展起来的并广泛用于许多领域的新兴学科。进入7 0 年代以来，随着计算机、 大规模集成电路( l s i ) 和超大规模集成电路( v l s i ) 以及微处理器技术的迅速 发展，数字信号处理无论是在理论还是在工程应用中，都是发展最快的学科之 一，并且日趋完善和成熟。如今数字信号处理技术已广泛用于数字通信、测量 与控制、振动工程及机器人、语音合成、雷达、遥感、声纳、多媒体技术等各 个领域。随着科学技术的发展，其研究的范围和应用领域还在不断地发展和扩 2 大。 数字信号处理技术之所以发展这么快，应用得这么广，是与它的突出优点 分不开的。归纳起来，它有四个方面的优点：( 1 ) 精度高；( 2 ) 灵活性大；( 3 ) 可靠性高：( 4 ) 时分复用。 数字信号处理是通过数字信号处理系统来实现的，图1 1 是通用数字信号处 理系统的简化框图。此系统先将模拟信号变换为数字信号，经数字信号处理后， 再变换为模拟信号输出或上传到上位机。其中抗混叠滤波器的作用是将输入信 号x ( t ) 中高于折叠频率( 其值为采样频率的一半) 的分量滤除，以防止信号频 率的混叠。随后，信号经采样和n o 变换后，变成数字信号x ( n ) 。数字信号处 理器对x ( n ) 进行处理，得到输出数字信号y ( n ) ，经d a 变换后，变成模拟信号 或传至上位机存储和进一步处理。此模拟信号经低通滤波器，滤除不需要的高 频分量，最后输出平滑的模拟信号y ( t ) 。 图卜l通用数字信号处理系统的简化框图 实际的数字信号处理系统，并不一定要包括上图所示的所有的方框。例如， 有的系统只需要输入数字信号，不需要d a 变换器；有的系统的输入已是数字 信号，也就不需要采样保持器和u d 变换器了：对于纯数字信号处理系统，则 只需要数字信号处理器这一核心部分即可。 以上论述了数字信号处理系统的总体结构。这个总体结构具体实现方法一 般有以下几种： ( 1 ) 在通用计算机上用软件( 如c 语言) 实现。 ( 2 ) 在通用计算机系统中加上专用的加速处理器实现。 ( 3 ) 用通用的单片机( 如m c s 5 9 6 系列等) 实现，这种方法可用于一些不 太复杂的数字信号处理，如数字控制中。 ( 4 ) 用通用的可编程d s p 芯片实现。与单片机相比d s p 芯片既有更适合 于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂信号处理算法。 ( 5 ) 用专用的d s p 芯片实现。常用在一些特殊的场合，要求的信号处理 速度极高。这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无需编程。 在上述的几种方法中，第1 种方法缺点是速度较慢不适合于需要进行大 量数据运算的实时处理；第2 种和第5 种方法专用性强，应用受到很大的限制， 且第2 种方法也不便于系统的独立运行；第3 种只适用于实现简单的算法。只 有第4 种方法才为实时数字信号处理打开了新局面。 d s p ( 英文d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 的简称) 芯片，也称数字信号处理 器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，至今已发展到第六 代。它具备特有的性能结构，如多级流水线、哈佛结构、硬件乘法器等特征， 所以运算速度很快。尤其是在实时快速地实现各种数字信号处理算法时，它与 一般的处理器相比在速度上有特殊的优势以t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 为例，它作一次1 0 2 4 个点的f t t 的时间仅为0 5 1 2 m s 。该芯片的价格仅为1 1 美元。所以，在实时数字信号处理系统中引入d s p 芯片是必然的趋势。 对于声强测量来说，在很多情况下( 例如瞬态声强测量、混响测量和声强 法故障诊断等等) 要求实现对信号的实时处理。实时的目的主要在于保证信号 在时间上的连续性，不丢失信号，同时对测量对象做出及时的响应和控制。因 此，根据以上对数字信号处理实现方法的分析，设计一种基于d s p 的实时声强 信号处理系统对于声强测量的具有较强的现实意义。这方面些著名国外声强 测量设备生产厂家都做了大量的研究，在自己的产品中引入d s p 技术，提高测 试系统的实时信号处理能力。相关的产品如，美国迪飞公司的s i g n a l c a l c 动态 信号分析仪，丹麦b & k 公司的3 5 6 0 e 多通道p u s l e 系统，德国h e a d 公司的 h e a d 工作站h m s 1 1 1 2 等等。目前国内基于d s p 的测试设备研究工作正处于 发展阶段。声强测量系统中引入d s p 技术的力度还不够，大部分声强测量仪器 的信号处理手段都是通过上位机( p c 机) 来实现的，由于p c 机受c p u 的结构、 速度和多任务等特征的限制，很难实现数据信号处理实时性的进一步提高。因 此这样的系统在一些实时性要求较高的声强测量中受到的很大限制。基于此， 本文提出了以d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 为核心构建声强数据信号处理系统的方 法。 1 4 本文主要讨论的闯题 本文着重论述声强测量系统中的声强探头的设计和基于d s p 的实时数据处 理模块的构建方法。集中讨论了以下几个问题： 1 ) 声强探头的设计 详细论述了声强探头的设计原理和方法，包括前置放大电路的设计和声强 探头机械结构的设计： 2 ) 数据信号采集处理模块的设计 文中简述了声强数据处理系统和d s p 芯片的特点。着重论述了以d s p 芯片 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 构建数据处理模块的方法，包括以下几个方面： ( 1 ) 、探讨d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 对a d 芯片m a x l 2 5 电路采集通道的控 制方案和两路实时数据的获取方法。并妥善地解决了它们之间的电平兼容性问 题。 4 ( 2 ) 、研究了声强数字信号处理中主要算法一一快速傅立叶变换在 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 上的实现方法。实现了两路通道数据的实时f f t 变换处理： ( 3 ) 、合理的分配d s p 数据空间，运用它内部的双寻址r a m 代替系统外扩 的f i f o 或双口r a m ，缓存实时处理后的声强数据； ( 4 ) 运用d s p 芯片h p i 接口实现数据处理系统与u s b 接口的连接； ( 5 ) 通过d s p 自举加载技术，实现d s p 程序自举加载，提高了系统的运行 速度。 第二章声强测量原理及声强探头的设计 2 1声强定义 声强是声学中最常用的物理量，它是一个向量。定义为：声传播过程中空问 单位面积上传输的声功率。 图2 - 1 空间微面积上的声作用 如图2 1 所示，声波在空间传播，设在r 方向上的r 处有一垂直于该方向的 微元面积a s ，其上作用有声压p ( r ，f ) ，并在a s 上产生作用力i ( r ，f ) ： f ( r ，f ) = p ( r ，t ) a s r ( 2 - 1 ) 其中芦是，方向的单位向量。在力f ( r ，t ) 的作用下，微元面积埘上的空气质点 具有质点速度“o ，f ) ，“( ，) 与，方向形成一夹角。由此可得力f ) 对微元面积 s 上的空气质点所作的元功为： 彬( r ，f ) = f ( r ，r ) 开( ，t ) = p ( r ，t ) a s ，十厅( ，r ) = p ( r ，) 4 u ( r ，f ) 十a s ( 2 - 2 ) 其中，”( r ，t ) 是厅( ，t ) 在，方向上的分量。根据声强的定义，声强实际上是声功 率的面积导数，即： 枷) = 掣= 牌掣 。， ( 2 - 2 ) 代入上式有： ，( r ，d = p ( r ，t ) + u r ( r ，r ) ( 2 - 4 ) 式( 2 - 4 ) 中的，( ，t ) 即为瞬时声强在r 方向上的投影，也称之为r 方向上 的瞬时声强，下标r 表示r 方向，变量r 表示r 轴上的位置( 见图2 - 1 ) 。从式( 2 4 ) 中可以看出声强的另一定义：空间某点指定方向上的声强等于该点处的声压乘 以质点振动速度在指定方向上的投影。正是由于声强具有方向性，于是导致了 声强测量在噪声控制和声学测量等领域的特殊应用。 2 2 声强测量的方法 声强测量方法可以分为两类：一类是将传声器和直接测质点速度的传感器 相结合，可简称为p - u 法e 另一类是双传声器法，可简称为p - p 法。本节简述 这两种方法的基本原理。 6 2 2 1 p - u 法 采用p u 法的探头如挪威电子公司所设计的探头，它有两对超声波发射器， 可同时发射两个平行的而方向相反的超声波束，并在等距离处有各自的接收器。 当在方向上存在音频声波时，两个接收器所接收到的信号就存在相位差，此相 位差就是音频声波的质点速度的模拟量，这样可把质点速度测出。在探头中心 装有传声器，可同时测出声压，两者相乘后可以得到瞬时声强的模拟量，再求 时间的平均值可得到有功声强。此法的测量精度会受到风之类的非声音的空气 流动的影响，所以测量时应采取措施以屏蔽风的干扰。采用! o - u 法的计算方法 如下： 设超声波的发射器和接收器之间的距离为d ，声波波速为c ，则在没有声波 时超声波发射到接收所经历的时间为t 。= d c 。若存在声波，其质点速度为u ， 则两个超声波束所经历的时间各自变成： d l 2 鬲 ( 2 5 ) f ：旦( 2 - 6 1 c u 其相位差为： 铲呒匕c 一矧c = 睨等 ( 2 _ ，) i 一村 + “lc + ” 式中呒是超声波的频率 当u 1 时，s e o c ，即灵敏度与激化电压成正比，与总 电容量成反比。所以，任何附加电容( 如电路中的寄生电容c ，等) 都会降低其 高频灵敏度。 对于低频段，当c o r c 1 时，so c e 。c + j c o r c ，这时候传声器的灵敏度与频 率有关，通常定义截止频率为- - 3 d b 。即由工= 1 2 死r c 可知，要降低下限截止频 率，前置放大器的输入电阻必须很大。例如，对于1 2 ”传声器，设f = 1 h z ，c = 2 0 p f ， 则计算可得r “8 g q 。 由e g = h c ( t ) c 。和( 2 1 6 ) 式可得： 卫= l ( 21 9 ) e g z 。+ z g 其中z = r ( 1 + j m r c ，) ，z 。= 1 ( j c o c 。) ，所以有： 堕： ! 竺垦( 2 - 2 0 ) e g1 + j c a r ( c , + c r ) 9 从而可得幅频和相频特性分别为： k e 。i = 舢q 1 + 国2 r2 ( c g + c ，) 2 】刖2 5 喀1 高】 ( 2 2 1 ) ( 22 2 ) 由此可见，输入阻抗和输入电容直接影响幅频和相频特性，特别是在很小 的低频段。表2 1 给出了1 2 ”传声器在不同的输入电容和输入电阻情况下，幅 值和频率的关系。幅频特性直接影响测量结果，相频特性影响双通道的相位匹 配。 表2 - 1前置放大器幅频、相频特性与输入阻抗和输入电容的关系 【幅值= o 8 相位 1 8 7 爿 1 l o o h zl c = 0 1 5 p r = 1 1 g m 2 h z ( 幅值= 1 o ) 2 月三 2 7 h z i 本系统的前置放大器电路图如图2 4 ( a ) 所示，它是个场效应管复合跟随 器。交流等效电路如图2 4 ( b ) 所示，从图中可以看出，它是一个自举反馈电 路。 ( a ) 图2 - 4 复台跟随电路和它的等效电路图 由c ：在五的输入端引入自举，以提高输入阻抗。由等效电路可得疋的基极 电流为： 驴责( _ ) ( 2 屯3 ) + 如 其中，是五的基射极电阻，g 。是五的互导，是互的栅源电压。 l 的集电极电流为： ，c 2 一脚。2 二掣。g m 卢u m 。一。， 其中卢是疋输入端并联r ，后的等效电流增益，即： 1 0 肛袅 2 5 ) p + 3 令r = r 5 忙q l 陋呸，考虑r 。到很大，经r 。流入r 的电流可以忽略，则流经r ，的 电流为： 输入电压为： 所以 ，= g ，u + g ，f l u g s = g 。u 2 s ( 1 + 卢) v = u + r = 1 + g m r ( 1 + 7 ) u o s ，m2 瓦而u i ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 于是可得输出电压为： u o = l c r 4 + i r = g m f l u ( ；s r 4 + g 。u g s ( 1 + f l ) r = 欠4 + ( 1 + 卢) r 】g 。u 州 ( 22 9 ) 由此可得电压增益为： 爿一生： “ u 输入电阻为： g m p r 4 + 【1 + ；b 。1 9 。r l 1 + ( 1 + ) g 。r ( 2 3 0 ) 且。= 导2 ：f _ 兰r l ：r 。 1 + ( 1 + ，) g 。r ，】 (231)r ，u g 一“l 工。、尸7 6 ”儿1、6 。1 取r g 2 2 0 0 m g ，f l = 4 0 ，= 1 舳，g 。= 0 8 4 矿为例，可以计算出r ，。1 0 g o ，可 见，该电路输入阻抗很高，满足电路输入的要求。 2 4 声强探头机械结构的设计 2 , 4 1 传声器的配置形式 双传声器探头可以有多种形式，如图2 3 所示，有对置式、并列式、串联 二亘亘二 对詈式 旧旧 并列式 目曰f 寻碍 目目e 爿e 型 串联式 背詈式 圈2 - 5 双传户探头的各剩i 形式 式及背置式等形式。 图中每种形式的双传声器都是安装在专门设计的支架上，要求支架的结构 形式尽量减少对被测声场的干扰。两个传声器应具有相同的相位响应以及平直 的幅频特性曲线。在如今的声强探头的产品中采用较多的是对置式和并列式， 对置式探头如丹麦b & k 公司的7 7 6 1 型声强探头，并列式探头如美国a n a t r a l 1 1 公司生产的a i m s 型声强测量仪。虽然并列式具有可以在距离噪声辐射而很近的 地方进行测量，也容易绕其对称轴转动以检测声场的特性。但并排式的有效间 距在不同频率处起伏较大。图2 - 6 是b & k 的研究结果，从图中可以看出，面对 面对置式排列时，有效间距与频率的关系较为稳定1 。 图2 - 6 有效间距与频率的关系 正确选择两传声器之间的距离对测量精度很有影响。对于不同的被测频 率，都有其理想的间距，图2 7 所示是在保证系统误差在0 5 d b 之内时，理想 的间距d 和被测频率之间的关系。d 是计算声强的参数，不宜随时变更。为了 方便测量和计算在保证一定测量精度的前提下，确定几个基本间距及各自的 适用频率范围是很有必要的。图2 8 是b & k 公司提出的各种不同直径的传声器 在保证测量精度为土1 d b 之内的间距及适用的频率范围肺”。 图2 7 被测频率和传声器的关系 对于对置式的探头，其间距的实现是用一段与传声器直径相同的圆柱体即 隔离棒来保证的。隔离棒使被测的声音只能通过传声器保护罩周边的窄槽对膜 片起作用，这样就使两传声器声学中心的距离得到精确的保证，以提高测量精 度。这正是对置式探头的优点之一。 根据以上声强探头的设计要求，在本声强探头的设计中，采用了面对面的 布置方法：传声器之间距离可调，以适合不同频段的要求；传声器可使用1 2 ” 和1 ，4 ”两种尺寸；为减小对声强测量的影响，前置放大部分的尺寸尽量减小， 其横向尺寸设计为6 8 m m 。 d 七i 4 j 轴l m r 叶。一 曲l 坩 1 2 口m n 而玉 i ，2 13 i 宁葛i 磊两2 5 0 j i - ；茄“13 5 2 5 2 ，oi5 0 鞫o l - - 一一羔唧苎卿璺盟坚生她一一一一 图2 8 传声器间距及频率范围 2 4 2 声强探头支架的机械结构 声强探头支架的机械结构设计是研制声强探头的重要工作之一。支架机械 结构的合理与否，直接关系到声强探头性能的好坏。图2 7 是几种声强探头支 架机械外形结构简图。其中，图2 7 ( a ) 是国内某单位研制的声强探头，特点 是探头前端细小，减少了探头对声场影响。但是它的前置放大电路置于手柄中， 距离传声器过远。这样，在信号传输过程中会因为电磁耦合等原因造成信号衰 减和遭受外界的干扰，降低测试的精度。2 7 ( b ) 是b & k 公司的声强探头结构 简图，它将前置放大电路直接置于声强探头前端的直管中，有效的解决了前面 提到的问题。但另一方面，它的弯头部分采用的是焊接结构，为了保证探头上 两传声器良好的对中性，对加工要求比较高。同时，该探头的内部结构也比较 复杂，安装不太方便。图2 - 7 ( c ) 是本次设计的声强机械结构简图。结合以上 的分析，该声强探头的前置放大电路置于探头前端的直管中，将弯头改为更细 的弧形结构，这样不但降低了加工难度，同时也进一步提高探头的性能。另外， 为降低装配的复杂性，设计中还进一步简化了探头的内部结构，如采用片式弹 簧代替柱状弹簧等等。 另外，为提高声强探头的性能，在本文声强探头的设计中，还采取了其它 措施。例如传声器与前置放大电路之间的连接零件采用了电阻很低的材料，关 键部件做了镀金处理；为防止外界电磁波干扰，屏蔽外壳与屏蔽电缆之间采用 了连接紧密的机械结构，并注意了屏蔽外壳与信号线路之间的严格隔离。探头 前端具体的结构见附图。 6 5 6 ( b ) ( c ) 图2 - 9 声强探头机械结构简圈 l 一手柄；2 一a 通道传声器；3 一隔离棒；4 一b 通道传声器；5 一连接杆：6 - - 直管：7 一弯头 2 5 小结 声强探头是声强测量系统的重要组成部分之一。本章讨论了声强的定义和声强的 测量方法。在此基础上，提出了以p p 算法为理论基础设计双传声器声强探头的 方案。并在设计过程中仔细分析了双传声器声强探头的特点和要求，对它的前 置放大电路和机械结构的设计方法作了详细的论述。 4 第三章声强数据信号处理系统方案探讨和d s p 的开发 3 1 声强数据处理方案的探讨 目前的双传声器式声强数据信号处理系统按信号处理的方式，可分为基于 直接法原理的声强信号处理系统和基于f f t 间接计算法( 互谱声强技术) 的声 强信号处理系统两类。下面就对基于这两种方法的声强信号处理系统的方案进 行探讨。 3 1 1 基于直接法原理的声强信号处理系统的原理和结构 一、直接法原理 因为决定声源声功率的是时均声强，所以声强测试中测试的对象即是时均 声强，它的计算公式为： ，= 憋土f p t ( 啊( ，) 西 ( 3 一1 ) y 叶由 、7、7 使用前面设计的双传声探头，测取两点的声压p 。和p ：，设两传声器相距为d ， 则有： p 昙( p 。+ p ：) 。m 渺 。之 代入式( 3 1 ) ，得到： =翌盟。lira。!。f(ap22 砂 (33po d 1 _ tw 。1 ( 3 - 3 ) 式就是直接法声强测量的计算式。 二、基于直接法的声强信号处理系统结构方案的探讨 图3 一l 是最简单的基于直接法的声强信号处理系统框图，系统直接将双传 声器测得的信号，经过加、减、积分及乘法电路，按式( 3 3 ) 计算出声强。 i 图3 1 最简单的直接法的声强信号系统框图 图3 2 是b & k 公司3 3 6 0 型声强测量系统的信号处理框图，它除了加、减、 1 5 积分及乘法电路，还采用了数字滤波器组。其量程为以3 2 - 1 0 k h z 为中心频率 的3 6 个1 3 倍频程和以4 h z 一8 k h z 为中心频率的1 2 个1 l 倍频程。屏幕可以实 时显示出频谱图以及等声强线图和三维声强图。 图3 - 2b & k 3 3 6 0 型的信号处理框图 直接法的优点在于可以实时处理。但系统分辨率还不够高，且结构复杂， 体积庞大，成本较高。在实际运用中受到了很大的限制。如今已逐渐淘汰。 3 1 2 基于f f t 间接计算法( 互谱声强技术) 的声强信号处理系统 一、f f t 问接计算法原理 f f t 间接计算法也称为互谱声强测量技术，基本原理如下： 定义p ( f ) 和”( f ) 的互相关函数为： r p , ( f ) ：r l i + m 。1 tf p ( f ) “( hf ) a t ( 3 4 ) 又，声强的定义为： j = 舰土fp ( t ) u ( t ) d t = r ( f ) b (3_5)t r _ m p i 7 u 一一 r 。( f ) 的傅立叶变换对为： 卜叻2 去n 8 ”留7。， i r p ( f ) 2i 。s p 。( 国) e ”。d ( o 因此： ，2r _ ( f ) l ，；。2 f 。s 月( a o d 0 3 ( 3 7 ) 但是只有实部才是声源辐射的声强，且频率范围从0 到。，因此，声强谱可以 表示为： ( ) = r _ e ( 珊) = 丢r - e p ( ) u + ( 国) ) ( 3 - 8 ) 将差分近似式( 3 2 ) 作频域变换得： 1 6 u = ( b 一鼻) 风删 ( 3 9 ) p = 半 将式( 3 - 9 ) 代八( 3 - 8 ) 式，得： ，2 刊半品( ) 2 圭r c 历【( 只只一鼻只+ ) + k 只一只e ) 。三鼬k 意 2 ( g 。( 国) - - g p l p l ( m ) + z 。 g 。b ( 国) ) 】 其中g ( ) 表示单边功率谱。至此，可以得到两部分的声强： 。 有功声强 j 沏) = 一志，。杠。，： ) (3一io)cod p n 、 7 无功声强 ，沏) 。乏募磊b ，。) - g p ，2 ( ) 1 ( 3 - 1 1 ) 有功声强就是一般意义上的声强，它是声源向外辐射的能量，通过对它的 测量可以计算出声源的声功率。无功声强是存在于声源附近的能量，并不向外 传播。 根据式( 3 - 1 0 ) 可知，f f t 间接计算法得到的是声强谱，洄) ，所以具有较高 的分辨率。整个实现方法是将双传声器感受的声强信号作互谱运算，然后取虚 部并乘上系数一1 p o o m ，由此该方法又叫互谱声强测量技术。 二、基于f f t 间接计算法的声强信号处理系统结构方案分析 早期的基于f f t 间接计算法的声强信号处理系统由f f t 分析仪加相关的附 属部件构成。图3 - 3 是采用f f t 分析仪构成的声强信号处理框图。 i 图3 - 3 用f f t 分析仪的信号处理框图 以f f t 分析仪为核心的声强信号处理系统和基于直接法的声强信号处理系 1 7 统相比，其性能结构都有了很大的提高。但是，它同样存在一些缺点，如需要 扩展复杂的外围设备( 例如为了后续分析需要扩展大容量的外围存储单元，打 印输出还需要扩展打印机接口) ，体积结构复杂、成本较高、开发周期长等等。 随着p c 机的迅速发展和完善，围绕p c 机构建声强信号处理系统成为声强 测试设备的一个发展趋势。由于p c 机具有完善的硬件设备和各种优良的开发软 件，大大地缩短开发时间、降低了开发成本。比如不必为了数据的存储再去开 发一整套软硬盘驱动电路；为了系统控制再去开发一整套键盘和鼠标装置等等。 图3 4 是基于p c 机的声强信号采集处理框图，这样的系统大致由三部分组成， 包括声强探头、数据采集卡和p c 机。它与前面的声强信号处理系统相比，系统 的开发难度和灵活性都得到了很大的提高。笔记本计算机的推广也使得该系统 使用起来更加方便。 4 竺查兰h 抗混叠滤波电路 _ 吐三竺 阿 1 j 到抗混叠滤波电路卜吐三型 图3 4 简单的基于p c 机的声强信号采集处理框图 图3 5 所示的系统是通过p c 机上的软件来实现的，这样方法对于相对平稳 的声场来说，的确经济易行、通用性强。但是在微机上进行f f t 运算的速度比 不上专门仪器，尤其比不上直接法。对于一些实时性要求较高的声强测试领域， 如瞬态声强测量、混响测量、声强法故障诊断等，采用p c 机进行声强信号处理 不能完全满足实时性要求。 由于现代声强信号处理原理是以数字信号处理理论为基础的，所以将数字 信号处理领域先进的数据信号处理方法引入声强测量中是很必要的。正如第 章绪论中简述的那样，采用数字信号处理器d s p 为核心构建的数值信号处理系 统，能实时快速地实现各种数字信号处理算法。所以，本文提出了在声强信号 处理系统中引入信号处理器9 s p 的方法来解决声强信号处理中的实时性问题。 为了进一步论证数字信号处理器d s p 的性能，下面把它与p c 机作一比较。 这里以声强数字信号处理中最常用的算法f f t 为例。仔细分析f f t 算法的 结构，它主要是以乘法累加运算为基础的。由于数字信号处理器d s p 内部具有 乘法累加器，作一次乘法累加运算只要一个机器周期，速度很快。而p c 不具备 此结构，作一次乘法累加运算则需要多个周期。此外，f f t 算法中还要求对输 入或输出的数据进行倒码。由于数字信号处理器d s p 具有特有的寻址方式，倒 码非常方便a p c 机则不然，统计表明，采用p c 机高级语言( 如c 语言) 进行 这种倒码运算占所有f f t 运算的1 5 2 5 ，十分费时，从而大大地增加数据 1 8 编排时间。所以，采用p c 实现实时数字信号处理算法虽然在一些通道少、速度 不快的实时信号处理中可以胜任，但在多通道高速数据采集处理，它就不合适 了，就算可以采用提高p c 主频的办法，但势必大大增加系统的成本。相反，数 字信号处理器d s p 芯片却在这方面有很大的优势，以t i 公司的d s p 芯片 t m s 3 2 0 5 4 0 9 为例，它作一次1 0 2 4 复数1 6 位定点格式的f f t 的时间大约只需是 0 5 1 2 m s 。同时，随着近年来半导体技术的飞速发展，d s p 的价格也在大大降低， 例如t i 公司的l 5 代产品，每片的价格都在1 0 美元左右，比普通单片机贵不 了多少。因此，选用d s p 芯片进行声强数据信号处理在性能上和价格上都有很 大的优势。 采用数字信号处理芯片d s p 构建声强信号处理系统，有两种方法：一种是 由d s p 芯片和其它集成电路构成一个嵌入式的专用计算机测量系统；另一种方 法是由d s p 芯片加p c 机组成用计算机测量分析系统，d s p 芯片用于声强数字信 号的实时处理，p c 机用于数据的存储和显示及后续处理。由于在声强测试中， 除了要求对信号进行实时处理分析外，还要求对测试结果进行显示、存盘、打 印及事后分析等工作。如采用第一种方法实现这些功能，必然增加系统开发难 度、开发周期及开发成本，所以采用这种方法构建声强信号处理系统是不合适 宜