一种低成本噪声计设计

一种低成本噪声计设计

一种低成本噪声计设计

胡邓华,孙际哲,舒　涛

(空军工程大学导弹学院　陕西三原　)

摘　要:噪声污染是当今三大污染之一,所以环境噪声监测就显得十分重要。目前市场上的噪声计价格昂贵,因此设计

了一种低成本的噪声计。它由噪声信号采集及放大、A计权网络、有效值及对数运算、调整及数据显示等模块构成,其中对

A计权网络做了精心设计和优化。结果表明,该噪声计具有轻便、成本低及基准可调等特点,能满足一般民用要求。

关键词:噪声记;A计权;有效值;数码显示

中图分类号:TP23　　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:(2009)

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收稿日期:

噪声污染和气体污染、固体物质污染已称为当今世

界三大污染。过高的噪声会损害人们的健康,如产生神

经衰弱、神经质等。噪声监测是提高人类生活水平的重

要途径。人耳的听阈一般是20μPa,痛阈一般为

200Pa,其间相差10

倍,这样宽广的声压范围不易测

量,而且人耳对声压相对变化的分辨具有非线性特征,

通常采用40方等响曲线的反曲线对声压级进行计权校

正,即用A计权网络测A声级,它的单位是dB

。目

前,国外公司一直占据国内高精度噪声计市场,它的价

格普遍偏高,严重制约了噪声计的广泛使用。然而,用

于日常生活的环境噪声测量设备并不需要复杂和十分

精确的测量仪器,因此设计一种低成本、便携式、可满足

日常生活使用的噪声计十分重要。

1　电路设计

声学中常用声压级LP来反映声压的变化噪音计设计,将声压

P的声压级表示为:

LP=20lg(P/P0

式中:基准量P0单位为μPa,当P=P0时,LP=0dB;

当P=10

P0时,LP=140dB。

系统原理图如图1所示,在信号采集和放大电路中

采用了驻极体传声器,并采用反相放大器将信号放大到

适宜处理的范围;通过A计权网络

很好地满足人耳

对不同频率声音的敏感性;AD536芯片

很容易得到

有效值及其相对应的分贝值,避免采用单片机进行大运

算量的对数处理,提高了反应速度;调整电路可以确定

所需的不同测量零点;最后用数码管对结果进行实时显

示,具有快慢显示功能。

图1　系统原理图

1.1　噪声信号的采集及放大电路实现

驻极体话筒

采用源极接地,漏极输出的方法连

接,动态范围宽,灵敏度高。在VCC=9V的电压驱动

下,动态范围可以达到-2～+2V。经过调试,当话筒

电压V1=VCC/2时,话筒灵敏度达到最大。在本电路

中取漏极负载电阻R1=20kΩ,电路图如图2所示。

传感器将噪声信号变换为电信号后,继续将其放

大。放大电路采用带宽大于2MHz的运算放大器。

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节能减排技术胡邓华等:一种低成本噪声计设计

图2　信号采集及放大电路

电路参数:R2=20kΩ,R3=51kΩ,C=0.22μF;

增益:A=R3/R2=2.55;

输出电压幅值大致范围:0～5V。

1.2　滤波电路方案实现

根据人耳对不同频率的响度感觉,在噪声测量中,

常用A计权网络测得A声级

。表1给出倍频带中心

频率与A声级校正量之间的关系。

表1　倍频带中心频率校正表

倍频中心频率/kHzA声级校正量/dB

0.0315-39.4

0.063-26.2

0.125-16.1

0.250-8.6

0.500-3.2

10

21.2

41.0

8-1.1

16-6.6

计权网络由无源高通滤波和有源低通滤波两部分

构成

,精心计算和调试相关外围元件参数,使其幅频

特性与A计权曲线相近,电路图如图3所示。

图3　滤波电路

高通滤波器相应参数计算如下:

取C1=10μF,利用等式

R2C1

=1kHz,求得后级

电阻R2=100Ω,前级电阻取R1=100kΩ,以便得到较

高的输入阻抗。

二阶巴特沃斯有源滤波电路的相应参数计算如下:

(1)选择电容C2的容量,计算电阻R3,R4的阻值

通常电容C2,C3宜在微法数量级以下,电阻R3,R4

的值一般约在几百千欧以内。

设定C2=C3=C=,故有:

R3=R4=R=1/ωHC

0. 001 ×10

– 3

×2π×20 ×10

λ 8 kΩ

考虑到- 3 dB 的截止角频率ωH = ωn , 则:

A ( s) =

A0

ωH

QωH

+ 1

令: S = s/ωH , 依据巴特沃斯多项式中 n = 2 的情

况 A ( S) =

A0

1 + 2S + S

, 则有 Q =

考虑到 Q =

3 – AVF

, A ( s) =

AVFω

ωn

s +ω

A0ω

ωn

s +ω

, 则得到:

A0 = AVF = 1 + Rf / R1 = 3 – 1/ Q = 3 – 2 = 1. 586

R6 = 0. 586R5

(2) 求 R5 , R6 的阻值

考虑到运放两输入端的外接电阻必须满足平衡条

件, 即R5 ‖R5 = R3 + R4 = 16 kΩ, 故求出R5 = 25 kΩ,

R6 = 43 kΩ。

由于滤波器性能对元件的误差比较灵敏,在电路中

应选用稳定而精密的电阻器和电容器。

1. 3 　有效值及对数电路方案实现

有效值电路采用真有效值/ 直流转换器 。

的性能与混合或模数器件相当,甚至更优,但

其价格却低得多,而且它的连接非常简单

。只需一个

外接电容来设置平均时间常数即可,在这里取输入时间

为0. 25 s噪音计设计,当 CAV 与信号的输入电阻形成的低通滤波器

时间常数大于信号的周期时,就能很好地求出有效值和

对数值。

对数输出由5 端引出,该点的电压与- log Vi n成正

比。可用射极跟随器缓冲并可以用外部调整电路平移

该电压,电压调整电路由稳压芯片 AD580 构成。缓冲

器的输出端级联一个放大倍数可调的放大器,用以改变

步长。

1. 4 　调整及显示电路方案实现

1. 4. 1 　调整电路

有效值及对数电路的输出电压与- log Vi n成正比,

通过缓冲器的步长调整, 可以得到等式 L P =

20l g( P/ P0 ) = 20l g P – 20l g P0 右边的第一项,在设计

中要设定参考电压,即0 分贝值,只需改变等式右边的

第二项,所以在对数电路后加入了一级基于减法电路的

补偿电路,可以用来调零。同时,还可以通过调整补偿

电压,设立相对参考零点,用来测量分贝变化的相对值,

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《现代电子技术》2009 年第23 期总第310 期 　 电子技术应用

通过改变基准电压的大小,从而实现了输入显示电路的

表示分贝值的电压信号的调节。

具体推导公式如下:

V c =

R6

R6 + R4

Vi n 　　V c = V b

V a – V b

R3

V b – Vout

R5

又 R3 = R4 = R5 = R6 = 10 kΩ,

故解得, Vout = Vi n – V a , 而Vi n 是表示分贝值的电

压信号, 通过改变电位器 RX 的大小来调节基准电压V a

的大小, 从而实现了输入显示电路的表示分贝值的电压

信号Vout 的调节。其中V a 为 R3 的输入电压, V b 为运放

的反向输入电压, Vout 为运放的同向输入电压, Vi n 为输

入电压, Vout 为输出电压。

1. 4. 2 　保持电路

为了持续显示测量时间段内的当前最大分贝值,必

须采用峰值检波保持电路

,如图4 所示。

图4 　调整保持电路

这里采用二极管电容检波电路,电容取470μF ,它

的充电时间常数小,放电时间常数大,当然在这里还可

以利用运放的高输入电阻和低输出电阻进行的优化。

当时间计权开关置于“慢”时,仪器可测量一段时间

内的最大声级值;置于“快”时,可以对环境噪声进行实

时的测量。

1. 4. 3 　显示电路

芯片作为表头驱动,简单经济,需要双极

性电源电压驱动,它包含3

位数字A/ D 转换器,可直

接驱动L ED 数码管,内部设有参考电压V ref 、独立模拟

开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等

。这里应

用它的 A/ D 转换功能和对 L ED 数码管的驱动功能。

它的显示原理如下:

Vout = 1 000

Vi n

V ref

式中: V ref 由 36 端调整, 它的动态范围为 ( – V ref ,

+ V ref ) 。本设计中,取 10 位为最低位,这样量程减小

了10 倍。

本设计中所需要的- 5 V 电压是利用7107 芯片产

生振荡信号,再在其 38 脚上串接一个 4069 的反相器,

然后将该信号通过2 只4μF 电容和2 只 二极

管构成倍压整流电路输出而得到的。

2 　测试实验

噪声计中最重要的是 A 计权网络设计,系统采用

无源高通滤波器和有源低通滤波器两部分实现。利用

∏型无源高通滤波电路对输入进来低于1 k Hz 的电压

信号进行衰减,以实现近似于 A 类计权的响应。低通

滤波电路将频率高于 20 k Hz 的信号滤除。采用的

二阶巴特沃斯有源滤波电路的幅频响应在通带中具有

最大平坦度。

通过 软件对 A 计权网络仿真得到的

幅频曲线如图5 所示。由图可知,它对100 Hz 以下的

信号有较大的衰减,这样符合人耳对噪声信号灵敏度的

特点,同时也可滤除20 k Hz 以上的信号。

图5 　带通滤波器幅频特性

测试滤波器的幅频特性和 A 计权的要求比较如

图5所示。测试的输入电压为 1 V ,以 1 k Hz 信号为

基准。

图6 　滤波器幅频特性与A 计权比较

3 　结　语

人类对不同频率声音的敏感度不一样,低频段最

差,大约3 k Hz 最好,所以噪声测量不是测量真正的声

压,而是经过衰减处理的,常见的有 A 计权、B 计权、

C计权和D 计权等,文中采用 A 计权。实际上一个噪

声计对不同响度段应采用不同的计权网络。

(下转第184 页)

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节能减排技术 胡邓华等:一种低成本噪声计设计

规范及标准,逐步形成了我国铁路 GSM2R 标准编制队

伍,编制标准40 项。随着应用的深入,版本不断升级。

GSM2R技术规范及标准包括现有的 GSM 技术规范以及

铁路应用技术规范和标准

。GSM 技术规范由第三代

移动通信合作组织(3GPP) 负责。铁路应用技术规范和

标准由两部分组成,第一部分由国际铁路联盟( UIC) 下

属的标准化组织(欧洲综合铁路增强无线网络,)

制定的铁路通用标准,包括功能需求规范、系统需求规

范;第二部分为各个国家根据本国铁路运输发展的实际

需要而制定的规范和标准。我国铁路运输特色明显,经

过研究确定从功能和性能、工程建设与运营维护角度制

定我国铁路 GSM2R规范和标准,包括综述、网络需求(业

务) 、网络配置、移动设备核心规范、机车台、通用电台、运

营电台、调度台/ 值班员设备规范、编号方案、用户管理、

功能编号、与位置有关的寻址、文本消息、铁路紧急呼叫、

调车作业模式、直通模式等方面内容。经过4 年联合攻

关,结合青藏、大秦和胶济线的 GSM2R建设以及互联互

通测试工作,共制定了40 项标准。其中,综合类1 项(名

词术语) ,系统类 5 项(技术体制、编号计划、智能网、

GPRS、FAS) ,应用业务类9 项(调度通信、列车无线车次

号校核信息传输、调度命令信息传输、列车尾部装置信息

传输、调车机车信号传输、机车同步操控信息传输、列车

控制系统信息传输、列车停稳信息传输等) ,工程类4 项

(设计、施工、验收规范、测试方法) ,设备及测试类12 项

(调度台和车站台、机车台、手持终端、SIM 卡、中继设备、

统一网管等) ,接口技术要求及测试类9 项

2. 6 　打造 GSM2R产学研一体化的产业链

在青藏、大秦、胶济线 GSM2R 网络工程建设中,

一方面引进欧洲铁路 GSM2R建设和发展成果,另一方面

借鉴我国移动、联通 GSM 网络工程建设和实际运营维护

经验,始终围绕高速铁路、客运专线、重载运输、高原铁

路、铁路枢纽等建设和发展,开展 GSM2R基础和应用理

论、关键技术和设备、系统集成、工程建设、运营维护等研

究和创新,充分调动规划管理、科学研究、生产制造、工程

设计、工程施工、工程验收、运营维护等各部门的积极性,

走出了一条产学研相结合的道路,为全路 GSM2R网络工

程建设提供理论研究和技术支撑。

3 　结　语

我国铁路在 GSM2R的引进消化吸收再创新方面开

展了大量工作,使我国铁路在这一领域基本与发达国家

保持在同一水平

,而且在部分方面处于世界领先水

平。我国GSM2R建设和发展任重道远,客运专线建设进

入重要时期, 随着铁路建设和研究的深入, GSM2R领域

将会取得更为重要的进展。

参　考　文　献

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作者简介　邢红霞　女,1970 年出生一种低成本噪声计设计,陕西西安人,西安铁路职业技术学院讲师。主要研究方向为交通信息工程与控制。

(上接第176 页)

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作者简介　胡邓华　男,1982 年出生,湖北黄梅人,助教,硕士。主要从事安全通信研究和电子应用。

孙际哲　男,1973 年出生,江西泰安人,讲师,硕士。主要从事电子应用和自动控制研究。

舒　涛　男,1971 年出生,陕西商洛人,副教授,双硕士。主要从事检测技术研究。

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智能交通与导航 邢红霞: GSM2R技术在我国铁路通信中的应用和发展