噪声监测仪论文123

基于单片机的环境噪声监测仪的设计院系自动化学院专业测控技术与仪器班级5407102学号200504071041姓名指导教师负责教师沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-I-摘要噪声对人体健康有着严重的危害，因此减少噪声危害已成为当前一项重要的任务。环境噪声监测，是人类提高生活质量，加强环境保护的一个重要环节。本文详细介绍了噪声监测系统的测量原理和系统组成，包括：噪声信号的转换、放大、V/F转换、数据采集和显示系统的设计。外界噪声信号通过传声器转换成音频信号，电信号经过放大和V/F变换输入到单片机进行处理，并转换成相应的噪声分贝值通过LED显示，从而实现噪声的实时监测。该系统具有实现简单，精确度高，可用于实际进行噪声的实时监测等特点。关键词：传声器；运算放大器；V/F转换器；单片机；LED沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-1-第1章绪论1.1课题产生的背景噪声即噪音。是一类引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。噪声通常是指那些难听的，令人厌烦的声音。噪音的波形是杂乱无章的。从环境保护的角度看，凡是影响人们正常学习，工作和休息的声音凡是人们在某些场合“不需要的声音”，都统称为噪声。如机器的轰鸣声，各种交通工具的马达声、鸣笛声，人的嘈杂声及各种突发的声响等，均称为噪声。噪声污染属于感觉公害，它与人们的主观意愿有关，与人们的生活状态有关，因而它具有与其他公害不同的特点。噪音污染主要来源于交通运输、车辆鸣笛、工业噪音、建筑施工、社会噪音如音乐厅、高音喇叭、早市和人的大声说话等。环境噪声监测，是人类提高生活质量，加强环境保护的一个重要环节，在各大城市的繁华街区和居民区，已有大型环境噪声显示器竖立街头。但目前国内的便携式噪声测试仪，多为价格昂贵的进口专用设备，除卫生、计量等环保专业部门拥有外，无法作为民用品推广普及。本文介绍一种以89C52单片机为核心，采用V/F转换技术构成的低成本、便携式数字显示环境噪声测量仪。该仪器工作稳定、性能良好，经校验定标后能满足一般民用需要，可广泛应用于工矿企业、机关学校等需要对环境噪声进行测量和控制的场合。噪声测量一般有如下几个方面的目的：测量声压级以了解噪声对环境的污染情况，检验噪声是否符合有关标准；进行噪声信号的频谱分析，以了解噪声的频率结构；测量噪声源的声功率或声功率级，以客观了解噪声源特性。按测量环境来分，噪声测量分实验室测量和现场测量两种。所谓噪声的实验室测量是指将被测对象放在消声室或混响室中测量，其测量的精度比较高。但由于条件的限制，大多情况下只能进行现场测量。1）噪声的现场测量进行噪声的现场测量，首先要考虑测量环境对噪声测量的影响。现场测量时声源多，房间大小又有一定限度，为了减小其他噪声源来的声波和反射波的干扰，应沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-2-将传声器尽量接近被测声源的辐射面，这样测出的噪声源的直达声场足够大，而其他噪声及反射声的干扰较小。故现场测量一般多采用近场测量法。但测点位置离声中心（有时近似取声源的几何中心）r必须大于感兴趣频率的波长（rλ=V/f，V为声速，在空气中V=340m/s），以忽略近场效应。根据经验，近场范围通常取1~2倍的声源特征尺寸。由于现场条件很复杂，当反射和环境噪声比较强时，传声器离被测噪声源可以适当近些；如噪声源强度太大，则可以把测点选得远一些。测点应布置在被测对象的前后左右及顶部，测点数目视被测对象外形尺寸和声场特性而定，一般不少于5点，即保证每个测量面有一个测点，如图1-1（a）所示。由于声波是呈圆球状辐射的，对于小型机器也可用半球面作为测量表面，此时测点沿圆周均匀布置，一般为5~6个测点。测点距地面高度为0.45r（r为圆周半径），如图1-1（b）所示。图1-1噪声测量表面及测点布置被测对象的噪声级的大小是用各测点的平均声级来表示的。由于声级是一相对量，一般应取对数平均值，但在各测点值相差不大时也可取算术平均值。当各测点间的最大值与最小值之差小于等于5dB，取算术平均值测点2⊙测点1⊙⊙测点3测点6⊙⊙测点4测点5⊙(a)长方形测量表面(b)半球形测量表面测点5⊙测点4⊙⊙测点2测点3⊙⊙5测点1⊙测点4⊙⊙测点2沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-3-nLLLLpnppp21（1.1）当各测点间最大值与最小值之差大于5dB时，取对数平均值。nLLLnpppppnpppppLpppnnplg10]101010101010lg[10]lg[10lg20lg2022120222210222210（1.2）式中，piL为各测点的声级测量值，0p为参考声压。当逐点测得的声级的变化在5dB到10dB之间，平均声级可近似)(111dBLnLnipip（1.3）当测量声压级或噪声级时，可直接用声级计测量，只需将声级计的计权网络档打到“线性”或相应计权网络即可测得。若要测量峰值声压级，则需要用脉冲声级计（如B&K2209、ND6等）来测量。在进行噪声信号的频谱分析时，可用带滤波器的声级计（ND2所携带的倍频程滤波器），其频率分辨力较差。因此在进行噪声频谱分析时，往往将噪声电信号经输出放大器外接频谱分析仪进行分析。2)声功率级测量为了更客观地表示仪器设备的噪声源特性，往往需要测量噪声源的声功率级。因为在一定的工作状态下，仪器的声功率级是一个恒量，它不象声压级随距离的改变而改变。但声功率级是不能直接测出的，它是在特定条件下，由测得的声压级计算而得到的。此处仅对常用的自由场法作一简单的介绍。沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-4-设PL是以噪声源为中心，r为半径的球面S上数个测点测出的平均声压级。R应选择得足够大，一般为被测对象尺寸的两倍。设参考面积S0为1㎡，则在自由场中的声功率级WL为)(11lg20lg10000dBKrLKSSLLPPW(1.4)如仪器放在坚硬的地面上，此时声源以半球面辐射。于是式（1.4）化为8lg202lg10002KrLKrLLPPW（1.5）式中，0K为非标准气压和温度状态时的修正量；PL按下式求得：0lg20ppLp（1.6）式中，2/12)(nppi，为n个测点平均声压；ip为第i个测点的声压；0p为基准声压。为了满足自由场条件，此时，距离声源为1r和2r两点处的声压级应满足下列关系：1221lg20rrLLpp（1.7）当212rr时，)(6lg201221dBrrLLpp，即在自由场中距离加倍，噪声级减少6dB，据此，可以判断声场是否为自由场。3）声强测量互普法声强测量技术是80年代才发展起来的。由于声强是矢量，反映了声能沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-5-流的传递，因而与传统的声压测量相比，声强测量具有一些独特的优点，如进行近场测量时不需要特定的声学环境（消声室、半消声室、混响室），声强具有指向性，能在现场测定机器的声功率和识别声源，并能进行远距离环境噪声监测等。声强测量技术因其巨大的实用价值在国内外引起了广泛重视。声强测量的基本公式为22)()(1limTTTdttvtpTI（1.8）式中，)(tp——测量点的瞬时声压值（Pa）;)(tv——声音传播方向上质点瞬时速度的投影值（m/s）。上式中质点的速度与传播方向上的声压梯度的积分成比例，所以质点速度实际上是通过两个相距很近的传声器上的声压来测量的。对来自两个相距很近的传声器中的声压信号，采用双通道FFT分析仪，通过互谱分析可以算出声强。计算所得的声强是声强矢量I在两个传声器的声学中心连线方向上的声强XI.声强测量常用专用的声强分析仪来测量，如日本小野测器的SI-100声强分析仪，丹麦B&K公司的4433声强分析仪等。也可以通过双通道FFT分析仪配以声强测头、声强放大器和声强分析软件进行测量。如日本小野测器的CF-902S+CF930/940,CF302S+CF355,丹麦B&K公司的2032、2034等。声强测量仪都带有一个专用的声强探头。在探头架上，面对面地装有两个相位级幅值均相匹配的传声器，两个传声器都附带有传声放大器，两传声器之间的距离由定距柱确定。这种声强探头的特点是对声场的干扰非常小，一个传声器对另一个传声器的掩蔽效应减低到最小，并且，两个传声器之间是有效分离的。从传声器A沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-6-至传声器B为正向的声分量rI由下式给出：)}(Im{1fGrIABr（1.9）式中，)}(Im{fGAB是两个声压信号)(tpA和)(tpB之间的单边互功率密度函数的虚部，为空气密度，r是两个传声器之间的空间距离，f2。本文所述的测量系统主要是考虑人耳对噪声的主观评价。因此采用声功率级测量，即外界噪声信号通过传声器转换成音频信号，经过放大和V/F变换输入到单片机进行处理，并转换成相应的DB值通过LED显示，从而实现噪声的实时监测。1.2有关噪声的基础知识1.2.1振动与声振动与声是紧密相连的，不同的声音就是不同的振动方式，声源体发生振动会引起四周空气振荡，这种振荡方式就是声波。声音是以声波的形式进行传递和存在的。声波借助空气向四面八方传播。声波在传播中遇到障碍物时，它的能量一部分会被障碍物吸收，另一部分会被反射回来。若在一个封闭的室内，产生的反射声波会被周围的墙壁、天花板和其它障碍物所吸收和反射，形成一系列逐渐衰减的反射声波。声波是一种机械波，具有纵波一般的波动特性，例如，反射、折射、绕射、干涉等。机械振动常常引起声波辐射，物体振动时激励着它周围的空气质点振动。由于空气具有可压缩性，在质点的相互作用下，振动物体周围的空气就交替地产生压缩与膨胀，并且逐渐向外传播而形成声波。声音三要素是：响度、音高、音色。1．响度沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-7-响度，又称声强或音量，它表示的是声音能量的强弱程度，主要取决于声波振幅的大小。声音的响度一般用声压或声强来计量，声压的单位为帕(Pa)，它与基准声压比值的对数值称为声压级，单位是分贝(dB)。响度是听觉的基础。正常人听觉的强度范围为0dB—140dB。固然，超出人耳的可听频率范围(即频域)的声音，即使响度再大，人耳也听不出来。但在人耳的可听频域内，若声音弱到或强到一定程度，人耳同样是听不到的。当声音减弱到人耳刚刚可以听见时，此时的声音强度称为“听阈”。而当声音增强到使人耳感到疼痛时，这个阈值称为“痛阈”。2．音高也称音调，表示人耳对声音调子高低的主观感受。客观上音高大小主要取决于声波基频的高低，频率高则音调高，反之则低，单位用赫兹(Hz)表示。人耳对响度的感觉有一个从闻阈到痛阈的范围。人耳对频率的感觉同样有一个从最低可听频率20Hz到最高可听频率别20kHz的范围。音高与频率之间的变化并非线性关系，除了频率之外，音高还与声音的响度及波形有关。音高的变化与两个频率相对变化的对数成正比。3．音色音色又称音品，由声音波形的谐波频谱和包络决定。声音波形的基频所产生的听得最清楚的音称为基音，各次谐波的微小振动所产生的声音称泛音。单一频率的音称为纯音，具有谐波的音称为复音。声音波形各次谐波的比例和随时间的衰减大小决定了各种声源的音色特征，其包络是每个周期波峰间的连线，包络的陡缓影响声音强度的瞬态特性。沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-8-另外，表征声音的其它物理特性还有：音值，又称音长，是由振动持续时间的长短决定的。持续的时间长，音则长；反之则短。从以上主观描述声音的三个主要特征看，人耳的听觉特性并非完全线性。声音传到人的耳内经处理后，除了基音外，还会产生各种谐音及它们的和音和差音，并不是所有这些成分都能被感觉。人耳对声音具有接收、选择、分析、判断响度、音高和音品的功能。根据声音的物理特性还可以分为音质、音长、音强和音高四个要素。1.2.2声波方程声波方程是根据声波动过程的物理性质，应用物理学中三个基本定律，即牛顿第二定律、质量守恒定律以及描述压强、体积和温度等状态参数关系的物态方程，建立的声压随空间位置和时间变化的数学表达式。在理想媒质中，波动方程为：022