一種低成本噪聲計設(shè)計

一種低成本噪聲計設(shè)計

　噪聲污染和氣體污染、固體物質(zhì)污染已稱為當(dāng)今世界三大污染。過高的噪聲會損害人們的健康，如產(chǎn)生神經(jīng)衰弱、神經(jīng)質(zhì)等。噪聲監(jiān)測是提高人類生活水平的重要途徑。人耳的聽閾一般是20μPa，痛閾一般為200 Pa，其間相差107倍，這樣寬廣的聲壓范圍不易測量，而且人耳對聲壓相對變化的分辨具有非線性特征，通常采用40方等響曲線的反曲線對聲壓級進行計權(quán)校正，即用A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)測A聲級，它的單位是dB。目前，國外公司一直占據(jù)國內(nèi)高精度噪聲計市場，它的價格普遍偏高，嚴(yán)重制約了噪聲計的廣泛使用。然而，用于日常生活的環(huán)境噪聲測量設(shè)備并不需要復(fù)雜和十分精確的測量儀器，因此設(shè)計一種低成本、便攜式、可滿足日常生活使用的噪聲計十分重要。

　　1 電路設(shè)計

　　聲學(xué)中常用聲壓級Lp來反映聲壓的變化，將聲壓P的聲壓級表示為：

　　LP=20lg(P／P0)

　　式中：基準(zhǔn)量P0單位為μPa，當(dāng)P=P0時，Lp=0 dB；

　　當(dāng)P=107P0時，LP=140 dB。

　　系統(tǒng)原理圖如圖1所示，在信號采集和放大電路中采用了駐極體傳聲器，并采用反相放大器將信號放大到適宜處理的范圍；通過A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)很好地滿足人耳對不同頻率聲音的敏感性；AD536芯片很容易得到有效值及其相對應(yīng)的分貝值，避免采用單片機進行大運算量的對數(shù)處理，提高了反應(yīng)速度；調(diào)整電路可以確定所需的不同測量零點；最后用數(shù)碼管對結(jié)果進行實時顯示，具有快慢顯示功能。

　　1．1 噪聲信號的采集及放大電路實現(xiàn)

　　駐極體話筒采用源極接地，漏極輸出的方法連接，動態(tài)范圍寬，靈敏度高。在VCC=9 V的電壓驅(qū)動下，動態(tài)范圍可以達到一2～+2V。經(jīng)過調(diào)試，當(dāng)話筒電壓V1=VCC／2時，話筒靈敏度達到最大。在本電路中取漏極負(fù)載電阻R1=20 kΩ，電路圖如圖2所示。傳感器將噪聲信號變換為電信號后，繼續(xù)將其放大。放大電路采用帶寬大于2 MHz的運算放大器。

　　電路參數(shù)：R2=20 kΩ，R3=51 kΩ，C=0．22μF；

　　增益：A=R3／R2=2．55；

　　輸出電壓幅值大致范圍：0～5 V。

　　1．2 濾波電路方案實現(xiàn)

　　根據(jù)人耳列不同頻率的響度感覺，在噪聲測量中，常用A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)測得A聲級。表1給出倍頻帶中心頻率與A聲級校正量之問的關(guān)系。

　　計權(quán)網(wǎng)絡(luò)由無源高通濾波和有源低通濾波兩部分構(gòu)成，精心計算和調(diào)試相關(guān)外圍元件參數(shù)，使其幅頻特性與A計權(quán)曲線相近，電路圖如圖3所示。

　　高通濾波器相應(yīng)參數(shù)計算如下：

　　取C1=10μF，利用等式求得后級電阻R2=100Ω，前級電阻取R1=100 kΩ，以便得到較高的輸入阻抗。

　　二階巴特沃斯有源濾波電路的相應(yīng)參數(shù)計算如下：

　　(1)選擇電容C2的容量，計算電阻R3，R4的阻值通常電容C2，C3宜在微法數(shù)量級以下，電阻R3，R4的值一般約在幾百千歐以內(nèi)。

　　設(shè)定C2=C3=C=1 000 pF，故有：

　　考慮到-3dB的截止角頻率ωH=ωn，則：

　　令：S=s/ωH，依據(jù)巴特沃斯多項式中n=2的情況

　　考慮到則得到：

　　(2)求R5，R6的阻值

　　考慮到運放兩輸入端的外接電阻必須滿足平衡條件，即R5||R5=R3+R4=16kΩ，故求出R5=25kΩ，R6=43kΩ。

　　由于濾波器性能對元件的誤差比較靈敏，在電路中應(yīng)選用穩(wěn)定而精密的電阻器和電容器。

　　1．3 有效值及對數(shù)電路方案實現(xiàn)

　　有效值電路采用真有效值／直流轉(zhuǎn)換器AD536A。AD536A的性能與混合或模數(shù)器件相當(dāng)，甚至更優(yōu)，但其價格卻低得多，而且它的連接非常簡單。只需一個外接電容來設(shè)置平均時間常數(shù)即可，在這里取輸入時間為O．25s，當(dāng)CAV與信號的輸入電阻形成的低通濾波器時問常數(shù)大于信號的周期時，就能很好地求出有效值和對數(shù)值。

　　對數(shù)輸出由5端引出，該點的電壓與一logVin成正比。可用射極跟隨器緩沖并可以用外部調(diào)整電路平移該電壓，電壓調(diào)整電路由穩(wěn)壓芯片AA580構(gòu)成。緩沖器的輸出端級聯(lián)一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大器，用以改變步長。

　　1．4 調(diào)整及顯示電路方案實現(xiàn)

　　1．4．1 調(diào)整電路

　　有效值及對數(shù)電路的輸出電壓與-log Vin成正比，通過緩沖器的步長調(diào)整，可以得到等式Lp=20lg(P/P0)=201g P-20lg P0右邊的第一項，在設(shè)計中要設(shè)定參考電壓，即0分貝值，只需改變等式右邊的第二項，所以在對數(shù)電路后加入了一級基于減法電路的補償電路，可以用來調(diào)零。同時，還可以通過調(diào)整補償電壓，設(shè)立相對參考零點，用來測量分貝變化的相對值，通過改變基準(zhǔn)電壓的大小，從而實現(xiàn)了輸入顯示電路的表示分貝值的電壓信號的調(diào)節(jié)。

　　具體推導(dǎo)公式如下：

故解得，Vout=Vin-Va，而Vin是表示分貝值的電壓信號，通過改變電位器RX的大小來調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓Va的大小，從而實現(xiàn)了輸入顯示電路的表示分貝值的電壓信號Vout的調(diào)節(jié)。其中Va為R3的輸入電壓，Vb為運放的反向輸入電壓，Vout為運放的同向輸入電壓，Vin為輸入電壓，Vout為輸出電壓。

　　1．4．2 保持電路

　　為了持續(xù)顯示測量時間段內(nèi)的當(dāng)前最大分貝值，必須采用峰值檢波保持電路，如圖4所示。

　　這里采用二極管電容檢波電路，電容取470μF，它的充電時間常數(shù)小，放電時間常數(shù)大，當(dāng)然在這里還可以利用運放的高輸入電阻和低輸出電阻進行的優(yōu)化。當(dāng)時間計權(quán)開關(guān)置于“慢”時，儀器可測量一段時間內(nèi)的最大聲級值；置于“快”時，可以對環(huán)境噪聲進行實時的測量。

　　1．4．3 顯示電路

　　ICL7107芯片作為表頭驅(qū)動，簡單經(jīng)濟，需要雙極性電源電壓驅(qū)動，它包含位數(shù)字A／D轉(zhuǎn)換器，可直接驅(qū)動LED數(shù)碼管，內(nèi)部設(shè)有參考電壓Vref、獨立模擬開關(guān)、邏輯控制、顯示驅(qū)動、自動調(diào)零功能等。這里應(yīng)用它的A／D轉(zhuǎn)換功能和對LED數(shù)碼管的驅(qū)動功能。它的顯示原理如下：
??
式中：Vref由36端調(diào)整，它的動態(tài)范圍為(一Vref，+Vref)。本設(shè)計中，取10位為最低位，這樣量程減小了10倍。

　　本設(shè)計中所需要的一5 V電壓是利用7107芯片產(chǎn)生振蕩信號，再在其38腳上串接一個4069的反相器，然后將該信號通過2只4μF電容和2只1N4148二極管構(gòu)成倍壓整流電路輸出而得到的。

　　2 測試實驗

　　噪聲計中最重要的是A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，系統(tǒng)采用無源高通濾波器和有源低通濾波器兩部分實現(xiàn)。利用II型無源高通濾波電路對輸入進來低于1 kHz的電壓信號進行衰減，以實現(xiàn)近似于A類計權(quán)的響應(yīng)。低通濾波電路將頻率高于20 kHz的信號濾除。采用的二階巴特沃斯有源濾波電路的幅頻響應(yīng)在通帶中具有最大平坦度。

　　通過Workhench軟件對A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)仿真得到的幅頻曲線如圖5所示。由圖可知，它對100 Hz以下的信號有較大的衰減，這樣符合人耳對噪聲信號靈敏度的特點，同時也可濾除20 kHz以上的信號。

　　測試濾波器的幅頻特性和A計權(quán)的要求比較如圖6所示。測試的輸入電壓為1V，以1kHz信號為基準(zhǔn)。

　　3 結(jié) 語

　　人類對不同頻率聲音的敏感度不一樣，低頻段最差，大約3 kHz最好，所以噪聲測量不是測量真正的聲壓，而是經(jīng)過衰減處理的，常見的有A計權(quán)、B計權(quán)、C計權(quán)和D計權(quán)等，文中采用A計權(quán)。實際上一個噪聲計對不同響度段應(yīng)采用不同的計權(quán)網(wǎng)絡(luò)。