聲響式定時(shí)器校準(zhǔn)技術(shù)研究

胡 寧

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610092)

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聲響式定時(shí)器校準(zhǔn)技術(shù)研究

胡 寧

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610092)

校準(zhǔn)聲響式定時(shí)器的停止時(shí)刻往往通過人為手動(dòng)卡時(shí)的方式實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的同步。本文提出利用聲電原理將聲響轉(zhuǎn)化為電信號(hào)達(dá)到測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)與定時(shí)器停止時(shí)刻的同步，基于時(shí)頻測(cè)量的基本原理簡(jiǎn)要介紹聲響式定時(shí)器校準(zhǔn)的工作原理和校準(zhǔn)方法。該校準(zhǔn)方法僅是對(duì)聲響式校準(zhǔn)的一種探索與嘗試。

拾音器；適配部件；時(shí)間閘門；時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀

0 引言

聲響式定時(shí)器是時(shí)間控制的輔助設(shè)備，但對(duì)生產(chǎn)加工，材料處理等同樣具有重要意義。聲響式定時(shí)器的校準(zhǔn)通常采用人工秒表卡時(shí)的方法，這種方法會(huì)引入較大的人為誤差。特別是在校準(zhǔn)時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，校準(zhǔn)人員容易疏忽秒表卡時(shí)，導(dǎo)致重新校準(zhǔn)，增加了重復(fù)工作量和時(shí)間。聲響式定時(shí)器計(jì)時(shí)停止時(shí)會(huì)發(fā)出的聲響，因此，可以將該聲響信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)實(shí)現(xiàn)定時(shí)器與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的同步。本文將闡述如何通過聲電信號(hào)實(shí)現(xiàn)時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀和聲響式定時(shí)器計(jì)時(shí)停止時(shí)刻同步。

1 校準(zhǔn)裝置工作原理

聲響式定時(shí)器標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由隔音箱、拾音器、適配部件和時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀組成，如圖1所示。

圖1 聲響式定時(shí)器校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)框圖

隔音箱用于隔絕箱體外部聲響對(duì)箱體內(nèi)部的干擾，主要由箱體和隔音材料組成。材料隔音著眼于入射聲源另一側(cè)的透射聲能的大小，透射聲能越小越好。隔音材料可使透射聲能衰減到入射聲能的10-3～10-4或更小?？筛鶕?jù)測(cè)量環(huán)境、場(chǎng)地選擇適當(dāng)?shù)母粢舨牧稀?/p>

拾音器在隔音箱內(nèi)，作為聲電轉(zhuǎn)化電路的第一級(jí)，其作用就是把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸給放大器。拾音器主要有電容式拾音器和動(dòng)圈式拾音器。電容式拾音器是以聲音通過空氣使震膜震動(dòng)，改變上震膜和下金屬鐵片的距離，使其電容發(fā)生變化，形成電流阻抗。這種拾音器的輸出功率較大，靈敏度高，頻響范圍能達(dá)到20Hz～20kHz，但是容易受到周圍環(huán)境的干擾。

相對(duì)而言，動(dòng)圈式拾音器是以聲音通過空氣使震膜震動(dòng)，然后，在震膜上的線圈繞組和環(huán)繞在動(dòng)圈上的磁鐵形成磁力場(chǎng)切割，產(chǎn)生微弱的電流。其本質(zhì)就是一塊電磁鐵，無論是整體式還是六點(diǎn)式的拾音器都是在永磁體上纏繞線圈制成的。拾音器里的永磁體一般用兩種材料來制作：磁鋼(即鋁鎳鈷合金)和陶瓷。磁鐵越大纏繞的線圈越多，拾音器的輸出功率就越大。通常這種拾音器功率比較小，頻響范圍比較差，一般只能達(dá)到50Hz～16kHz，但因?yàn)槠潇`敏度不高，受到的環(huán)境雜音干擾要小很多。

聲響信號(hào)經(jīng)過拾音器后轉(zhuǎn)化為微弱的電流信號(hào)，經(jīng)過適配部件中的放大器、比較器、帶通濾波器和控制器后形成控制信號(hào)，控制時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀的時(shí)間閘門關(guān)閉時(shí)刻，即計(jì)時(shí)停止時(shí)刻。

2 適配部件工作原理

適配部件如圖1所示，主要有由放大器、比較器和控制電路組成。這里適配部件轉(zhuǎn)化的信號(hào)沒有音質(zhì)好壞的要求，只是停止計(jì)時(shí)的截止信號(hào)，因此沒有加入濾波器。如果在特殊場(chǎng)地，或噪音較大的場(chǎng)所使用可考慮在適配部件中加入濾波器。

2.1 增益放大器

拾音器輸出的毫伏信號(hào)范圍實(shí)測(cè)約為20～25mV，此電信號(hào)太小不能夠進(jìn)行采樣，后級(jí)A/D轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為0～5V，聲音信號(hào)的范圍與采樣范圍的比較得出放大器的放大倍數(shù)應(yīng)為200倍左右。此處將信號(hào)通過一增益為46dB的放大器，放大到伏特量級(jí)。為了將從拾音器獲得的微弱語音信號(hào)放大，采用兩極高輸入阻抗的同向放大器，電路原理圖如圖2所示，放大器A1和A2的放大倍數(shù)按下式計(jì)算:βA1=1+RF1/R3，βA2=1+RF2/R5。

圖2 同向放大器電路原理圖

2.2 控制電路

主要起開關(guān)控制作用，當(dāng)其接收到匹配的信號(hào)后做出斷開或者閉合的動(dòng)作?？刹捎秒娮娱_關(guān)類器件或者電磁鐵作為控制部件。圖3為電子開關(guān)適配電路圖。

圖3 電子開關(guān)適配電路圖

時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀與聲響式定時(shí)器同步啟動(dòng)，當(dāng)聲響式定時(shí)器停止計(jì)時(shí)發(fā)出聲響，聲響信號(hào)通過拾音器、放大器、比較器后提供給電子開關(guān)適配電路，適配電路終端接入時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀的兩個(gè)通道。有聲響信號(hào)時(shí)，比較器輸出“1”電平，三極管BE導(dǎo)通，適配電路中反相器前端為“0”電平，經(jīng)過反向后為“1”電平。此時(shí)，時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀通道2的電平信號(hào)通過三態(tài)門TRI到達(dá)通道1，時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀與聲響式定時(shí)器同步停止計(jì)時(shí)。反之，無聲響信號(hào)時(shí)三態(tài)門呈高阻狀態(tài)，時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀通道2的電平信號(hào)無法到達(dá)通道1，時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀持續(xù)計(jì)時(shí)。

3 時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀工作原理

聲響式定時(shí)器通常校準(zhǔn)時(shí)間TX較長(zhǎng)，fX通常在赫茲以下級(jí)別，而時(shí)基頻率很容易達(dá)到kHz或MHz。此外，定時(shí)器待測(cè)信號(hào)不能在一次測(cè)量中周而復(fù)始的循環(huán)，不能作為計(jì)數(shù)信號(hào)。因此，聲響式定時(shí)器的校準(zhǔn)只能采用測(cè)周原理。

時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀采用測(cè)周的原理設(shè)計(jì)，核心部件由CPLD和單片機(jī)構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)框圖

時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)信號(hào)由CPLD將標(biāo)準(zhǔn)晶振信號(hào)分頻得到。CPLD中邏輯電路由邏輯門電路構(gòu)成，其主要作用是形成時(shí)間閘門。時(shí)間閘門的開閉由該標(biāo)準(zhǔn)儀啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)和通道1的電平信號(hào)控制。啟動(dòng)時(shí)，聲響式定時(shí)器與時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀手動(dòng)同步啟動(dòng)，單片機(jī)接收到鍵盤啟動(dòng)鍵信號(hào)后發(fā)送電平信號(hào)控制CPLD時(shí)間閘門打開。此時(shí)，時(shí)間閘門與時(shí)標(biāo)信號(hào)(標(biāo)準(zhǔn)晶振經(jīng)過分頻后的信號(hào))進(jìn)行邏輯合成，由計(jì)數(shù)器對(duì)合成后的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。停止時(shí)，聲響式定時(shí)器發(fā)出聲響信號(hào)，時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀通道2的電平信號(hào)通過適配部件到達(dá)通道1，CPLD根據(jù)通道1的電平信號(hào)觸發(fā)時(shí)間閘門閉合，停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在寄存器中。單片機(jī)從寄存器中讀取CPLD的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、處理后通過顯示器顯示出來，實(shí)現(xiàn)時(shí)間閘門的時(shí)間測(cè)量。同時(shí)單片機(jī)對(duì)CPLD發(fā)出反饋信號(hào)，完成對(duì)CPLD計(jì)數(shù)清零、置位以及相關(guān)控制等操作。其中適配部件實(shí)質(zhì)上起到類似聲控開關(guān)的作用。

4 試驗(yàn)結(jié)果

1)采用手動(dòng)秒表卡時(shí)方式測(cè)量聲響式定時(shí)器，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)

可以看出，在同一測(cè)量點(diǎn)的三次測(cè)量值極差為0.06～0.14s。手動(dòng)秒表卡時(shí)校準(zhǔn)方法的測(cè)量不確定度包含以下因素：1)由秒表引入的測(cè)量不確定度u1；2)啟動(dòng)和停止時(shí)刻由人為因素引入的測(cè)量不確定度為u2；3)由秒表分辨率引入的測(cè)量不確定度為u3和由測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度u4，取其較大值。

2)采用聲響式定時(shí)器校準(zhǔn)裝置測(cè)量的數(shù)據(jù)如表2所示：

表2

對(duì)比表1和表2數(shù)據(jù)可以看出，聲響式定時(shí)器校準(zhǔn)裝置的測(cè)量更穩(wěn)定，不確定度更優(yōu)。同時(shí)采用該校準(zhǔn)裝置還能讓檢定人員在實(shí)際校準(zhǔn)工作中擺脫錯(cuò)過卡時(shí)時(shí)刻而造成重新檢定的困擾。

5 結(jié)論與展望

拾音器的選擇和適配部件的設(shè)計(jì)是該技術(shù)應(yīng)用能否取得良好效果的關(guān)鍵所在。拾音器的選擇與環(huán)境場(chǎng)所密切相關(guān)，適配部件主要是將拾音器的信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制電平，對(duì)于時(shí)間測(cè)量?jī)x而言，它具有一個(gè)信號(hào)開關(guān)的作用，控制標(biāo)準(zhǔn)儀計(jì)時(shí)停止的時(shí)刻。適配部件的設(shè)計(jì)因標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的不同而不同，理論上具有電秒表測(cè)量功能的測(cè)量?jī)x都可以配合類似設(shè)計(jì)的適配部件實(shí)現(xiàn)該校準(zhǔn)技術(shù)的應(yīng)用。

本文提出的校準(zhǔn)技術(shù)是為了減小聲響式定時(shí)器校準(zhǔn)過程中的人為因素，保證其校準(zhǔn)準(zhǔn)確性、可靠性而進(jìn)行的一種探索和嘗試。該校準(zhǔn)技術(shù)完成了停止時(shí)刻的自動(dòng)同步，但是啟動(dòng)同步仍然采用手動(dòng)的方式。如何完成聲響式定時(shí)器的全自動(dòng)測(cè)量還有進(jìn)一步探索和討論的空間。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.17