闡述環(huán)境噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

陳貴雄

摘要: 本文簡(jiǎn)要介紹了噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能以及實(shí)現(xiàn)方式和工作原理,并比較了幾種實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞: 環(huán)境噪聲； 無(wú)線； 傳輸； 監(jiān)測(cè)技術(shù)

雖然近十多年來(lái)我國(guó)對(duì)環(huán)境噪聲管理和控制工作取得了明顯的成效,但許多城市噪聲污染仍相當(dāng)嚴(yán)重。噪聲污染投訴事件數(shù)量一直居各類環(huán)境污染投訴事件的首位,影響了社會(huì)安定和社會(huì)正常秩序。

城市環(huán)境噪聲污染已經(jīng)成為世界各國(guó)大城市面臨的一個(gè)重要環(huán)境保護(hù)問(wèn)題,環(huán)境噪聲控制已成為城市環(huán)境保護(hù)和社會(huì)發(fā)展的重要工作內(nèi)容。目前國(guó)外關(guān)于環(huán)境噪聲研究發(fā)展方向表現(xiàn)在三個(gè)方面:一是更加深入地進(jìn)行環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)研究,為環(huán)境噪聲管理、治理、控制和規(guī)劃提供依據(jù)；二是加強(qiáng)噪聲的實(shí)驗(yàn)室研究,著重進(jìn)行噪聲頻率成分、時(shí)間特性、空間分布、噪聲的實(shí)驗(yàn)?zāi)M等方面的研究；三是完善噪聲的監(jiān)測(cè)手段,增加監(jiān)測(cè)時(shí)段,提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間代表性和空間代表性。其中環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)是把握城市噪聲污染現(xiàn)狀,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究、預(yù)測(cè)研究的基礎(chǔ),是進(jìn)行環(huán)境噪聲科學(xué)有效控制的基礎(chǔ)。

1 國(guó)內(nèi)外環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀

由于國(guó)外工業(yè)化和城市化進(jìn)程比較早,環(huán)境問(wèn)題的產(chǎn)生和相應(yīng)的環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)研究與應(yīng)用也

早于我國(guó)。幾個(gè)著名的國(guó)外聲學(xué)儀器公司開發(fā)的噪聲監(jiān)測(cè)產(chǎn)品已經(jīng)解決了自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)數(shù)據(jù)處

理、信息自動(dòng)傳輸、信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、監(jiān)測(cè)信息資源共享、工作環(huán)境不受限制等技術(shù)問(wèn)題。僅就技術(shù)

而言,目前環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較完備,能夠滿足當(dāng)前環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)的技術(shù)要求,實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)監(jiān)測(cè)僅僅是經(jīng)濟(jì)上能否承受的問(wèn)題。

國(guó)外噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大都應(yīng)用在機(jī)場(chǎng)噪聲的監(jiān)測(cè)和固定噪聲源的監(jiān)測(cè)中。大型的國(guó)際機(jī)場(chǎng)均建有飛機(jī)噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),各類飛機(jī)的起降噪聲數(shù)據(jù)由自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取得,并直接與機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)聯(lián)網(wǎng),以確定其是否超標(biāo)。日本全國(guó)布有大約7000 個(gè)固定源噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)控各種噪聲源對(duì)周圍環(huán)境的干擾情況。

由于我國(guó)現(xiàn)有環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)儀器以手持式為主,自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)開發(fā)投入不足,環(huán)境噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)水平發(fā)展滯后于國(guó)際先進(jìn)水平,成為環(huán)境噪聲研究領(lǐng)域中一項(xiàng)亟待深入開展的工作。

2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

我國(guó)已經(jīng)設(shè)立噪聲自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的城市有北京、上海、哈爾濱等,噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)1000 多個(gè)。各個(gè)

城市所采用的自動(dòng)噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成大同小異,大致分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、前端供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸

(有線或無(wú)線) 系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)中心等四大部分。

2．1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要作用是完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)聲環(huán)境的測(cè)量工作,一般采用傳聲器及信號(hào)分析模塊采集并簡(jiǎn)單處理信號(hào)。傳聲器是一種聲電換能器,可將測(cè)得的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),有電動(dòng)式傳聲器、壓電式傳聲器和電容式傳聲器等三種:電動(dòng)式傳聲器的優(yōu)點(diǎn)在于其固有噪聲小,輸出阻抗低,不需要阻抗變換器,可以直接連接衰減器和放大器,但是它的體積偏大,頻率響應(yīng)不平直,易受電磁場(chǎng)干擾；壓電式傳聲器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,頻率響應(yīng)也較平直,但是受溫度影響較大,穩(wěn)定性差；電容式傳聲器具有頻度范圍寬、頻率響應(yīng)平直、靈敏度變化小、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求的工作范圍和工作環(huán)境,一般都選用電容傳聲器。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般有以下兩種實(shí)現(xiàn)方式:

(1) 傳聲器模塊+ AD 轉(zhuǎn)換模塊:傳聲器模塊將采集到的噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱電信號(hào)(電壓或

電流信號(hào)) 后經(jīng)放大傳給AD 轉(zhuǎn)換模塊,由AD 轉(zhuǎn)換模塊將模似電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),直接送到

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

(2) 傳聲器模塊+ AD 轉(zhuǎn)換模塊+ 信號(hào)分析模塊:即在前種采集方式的基礎(chǔ)上,通過(guò)信號(hào)處理

模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算分析,再將分析后的數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。信號(hào)處理模塊可以利

用單片機(jī)技術(shù)自已開發(fā),也可選用現(xiàn)有的噪聲頻譜分析儀的機(jī)芯?，F(xiàn)在很多的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理分析工作,這樣做可以簡(jiǎn)化前端硬件設(shè)計(jì),降低硬件成本。

2．2 前端供電系統(tǒng)

噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多需要在戶外工作,供電一般采用蓄電池供給或蓄電池加市電聯(lián)合供給兩種方式。利用蓄電池供電,不受監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的限制,流動(dòng)性好,適合短期監(jiān)測(cè)工作；利用市電網(wǎng)絡(luò)為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電則適合于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)工作,為防止停電的情況發(fā)生,可接入小型蓄電池以提供緊急情況下的電源。

戶外工作的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般需要滿足其工作環(huán)境的需要,其外觀設(shè)計(jì)需要滿足防風(fēng)、防雨、防鳥

停的功能,即使在監(jiān)測(cè)條件不佳的情況下也能保證正常工作。

2．3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將采集系統(tǒng)取得的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心以供處理,同時(shí)將數(shù)據(jù)中心發(fā)出的指令傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),一般傳輸距離較遠(yuǎn)。數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)其采用的方式,可以分為有線(架設(shè)光纜、電纜或租用電信專線) 和無(wú)線(建立專用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)或借用GSMPGPRS、CDMA 等公用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)) 兩大類。

現(xiàn)有的很多環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用有線、有線加調(diào)制解調(diào)器或光纖等通訊方式。基于電話線

的傳輸方法有兩種:一種是監(jiān)測(cè)儀器和數(shù)據(jù)中心都通過(guò)調(diào)制解調(diào)器接入電話線網(wǎng),傳送、接收雙方

是對(duì)等的,隨時(shí)都可通過(guò)撥號(hào)訪問(wèn)對(duì)方,因?yàn)殡娫捑€網(wǎng)的覆蓋面較廣,利用電話線傳輸數(shù)據(jù)具有初期投資較小、數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率較高等優(yōu)點(diǎn),但在使用過(guò)程中由于按占線時(shí)間的長(zhǎng)短計(jì)費(fèi),不適合在線時(shí)間長(zhǎng)而傳輸數(shù)據(jù)量少的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。如果監(jiān)測(cè)儀器周圍沒有電話線,就需要專門架設(shè)電話線,增加前期安裝工作的難度,增大監(jiān)測(cè)成本。采用光纖方式傳輸數(shù)據(jù),雖然傳輸速度快,傳輸數(shù)據(jù)量大,但鋪設(shè)光纖成本過(guò)大,監(jiān)測(cè)部門很難承擔(dān)。

計(jì)算機(jī)和通信兩個(gè)領(lǐng)域的相互滲透、逐步融合促進(jìn)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善提高,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將成為未來(lái)環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕獙?shí)現(xiàn)方式。無(wú)線數(shù)據(jù)通訊主要有以下幾種方式:無(wú)線電、移動(dòng)通訊網(wǎng)短消息服務(wù)和移動(dòng)通訊網(wǎng)+ 計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)等。

(1) 無(wú)線電:利用一定頻率的無(wú)線電波信號(hào),傳輸、接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。無(wú)線電通訊一般在200～400MHz 或214GHz 左右的頻段使用。上海市的噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用無(wú)線數(shù)據(jù)通訊方式,無(wú)線通訊工作頻率為450MHz。

采用無(wú)線電技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是不需要傳輸資費(fèi),一般都數(shù)話兼容,同時(shí)可以用來(lái)傳輸語(yǔ)音；缺點(diǎn)是隨著距離的增加,信號(hào)容易受干擾,而且容易對(duì)精密電子設(shè)備造成不良影響。

(2) 移動(dòng)通訊網(wǎng)短消息服務(wù): 短消息業(yè)務(wù)SMS(Short Message Service) 是全球移動(dòng)通信系統(tǒng)提

供的一種能夠使用手機(jī)或GSM 模塊接收和發(fā)送文本消息的服務(wù)。每條短消息最多可包含160 個(gè)字母或70 個(gè)漢字。

以SMS 業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,雖然通信費(fèi)用比較低廉,但由于其在傳輸過(guò)程中存在時(shí)延,不能滿足一些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。同時(shí)如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量超過(guò)短消息允許的最大長(zhǎng)度,必須通過(guò)多次分組打包傳輸數(shù)據(jù),這樣造成的時(shí)延就更長(zhǎng),而且通信費(fèi)也隨之增加。

(3) 移動(dòng)通訊網(wǎng)+ 計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng):移動(dòng)通信網(wǎng)是一種新型的基于分組交換的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),具有傳輸速度高、使用方便、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn),逐漸在各行業(yè)內(nèi)開始應(yīng)用。將數(shù)據(jù)借用GSMPGPRS、CDMA 等公用移動(dòng)通訊網(wǎng)信息平臺(tái)傳送到計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)上,數(shù)據(jù)中心再?gòu)幕ヂ?lián)網(wǎng)上獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

全球移動(dòng)通信系統(tǒng)( GSM, Global System forMobile Communications) ,最早在歐洲開發(fā)出來(lái)并投入使用,由于受到無(wú)線接口的單個(gè)業(yè)務(wù)信道數(shù)據(jù)傳輸速率最高不能超過(guò)12kbpPs 的限制,與其它網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信速率最高為916kbpPs。