基于虛擬儀器技術(shù)的噪聲計設(shè)計*

陳永輝，蘇 力，馮 靖，丁 恒

(西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院,陜西 西安710077)

0 引言

近年來，隨著人們對環(huán)境污染的不斷重視，噪聲污染也逐漸進入人們的視野，被人們重視起來。而噪聲是人們在當前的狀態(tài)下不需要的一種聲音，是一種感官污染。其本質(zhì)與聲音一樣，都是通過振動介質(zhì)傳遞，是一種聲波。當聲波振動頻率處于20～20000 Hz時，人耳中的耳鼓膜可以感受到這種振動，并產(chǎn)生一種感官刺激被大腦接受并分辨出來，這就是人體接受到聲音信號的方式。廣義上來說，對于人們所不需要的聲音，都屬于噪聲。而噪聲作為一種引起人煩躁與不適而影響人們健康的聲音分布廣泛，是一種公共危害。雖然噪聲的傳播范圍有限，且噪聲會隨著傳播中能量的衰減，不累積、不留痕，當聲源停止振動，噪聲也隨之消失。但噪聲對人產(chǎn)生的危害與損失是有累積性的。人體短時間突然接受音量較大噪聲信號時，可能會導(dǎo)致人耳聽力下降、對聲音敏感度降低、暫時性聽覺失效甚至耳聾等聽覺疾病。而當人體處于嘈雜而時間較長的噪聲中時，可能引起神經(jīng)衰弱、焦慮、抑郁等神經(jīng)疾病[1]。

作為噪聲治理的第一步，噪聲檢測是非常重要的一環(huán)。由于噪聲污染是一種感官污染，無影無形，并不能被人們直接檢測到。因此，在噪聲檢測中，我們必須將聲能轉(zhuǎn)換為可見的信號，將其大小用具體數(shù)值顯示出來，而這個數(shù)值的大小，就是聲音是否為噪聲的重要依據(jù)。又因為對于不同時間段及不同區(qū)域的人們來說，噪聲的界定并不完全統(tǒng)一，因此我們需要根據(jù)現(xiàn)有的標準進行判斷。

對于噪聲的音量判定，是根據(jù)國際標準化組織給出的推薦值。在人體處于睡眠狀態(tài)時，超過30 dB的聲音就可以被稱作噪聲。當環(huán)境噪聲為70 dB時，人們之間的交流就會受到極大的干擾，導(dǎo)致對話難以聽清。而當人體在85 dB的環(huán)境中工作30年時，有8%的可能性會導(dǎo)致耳聾；當人體在90 dB的環(huán)境中工作30年時，有18%的可能性會導(dǎo)致耳聾[2]。

1 設(shè)計思路

本文所述的噪聲檢測系統(tǒng)主要由檢測、轉(zhuǎn)換、處理三部分組成。其中檢測與轉(zhuǎn)換部分由硬件部分來實現(xiàn)，處理部分由軟件系統(tǒng)來完成。

檢測部分采用駐極體電容式聲音傳感器來實現(xiàn)對于外界聲源的實時檢測。其可以檢測到外界環(huán)境聲源發(fā)出的聲波信號，并通過內(nèi)置的電容式駐極體話筒將之轉(zhuǎn)換為一組隨外界聲源變化的電信號，借此可以實現(xiàn)對外界聲音到電信號的實時轉(zhuǎn)換，是噪聲檢測系統(tǒng)的核心組成部分。

駐極體電容式聲音傳感器的檢測核心為內(nèi)置的駐極體話筒。該駐極體話筒內(nèi)部具有一個極薄的塑料膜片。當膜片感受到聲波時，會隨聲波一起振動，來帶動電容的變化，就可以實現(xiàn)對聲波到電信號的轉(zhuǎn)換。其工作參數(shù)為：

工作電壓：4.5 V～5.5 V；

模擬輸出電壓：5 V；

工作電流：260 uA；

頻率范圍：100 Hz～10000 Hz；

轉(zhuǎn)換部分采用NI USB-6001數(shù)據(jù)采集卡與調(diào)制電路來實現(xiàn)對電信號到數(shù)字信號的一步步轉(zhuǎn)換。將環(huán)境聲源發(fā)出的聲音信號通過聲音傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，并通過調(diào)制電路進一步轉(zhuǎn)換為模擬信號，最終使用采集卡轉(zhuǎn)換為可以被計算機識別的數(shù)字信號，并被計算機接收。

調(diào)制電路采用整流濾波電路，能夠?qū)﹄娦盘栠M行放大、整流、濾波，來實現(xiàn)穩(wěn)定微弱電信號并放大的目的，并將輸出的信號轉(zhuǎn)為模擬信號，最后通過連接將模擬信號輸送進NI USB-6001數(shù)據(jù)采集卡中。

噪聲處理部分主要是利用LabVIEW軟件，進行編程來完成。主要功能包括：采集卡驅(qū)動程序的編寫，數(shù)據(jù)處理程序的編寫，處理結(jié)果的顯示與報警。

系統(tǒng)原理框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 軟件的設(shè)計

根據(jù)上述功能的需要，LabVIEW軟件用戶界面中，需適當放置分貝波形圖顯示模塊，噪聲報警模塊和歷史數(shù)據(jù)存儲模塊[3]。

分貝的波形圖顯示模塊主要分為分貝的實時數(shù)值顯示與波形圖的顯示，兩者都是對于環(huán)境聲音的分貝值的實時顯示。通過數(shù)值顯示控件與波形圖控件，可以將檢測到的環(huán)境聲音依照時間以波形與數(shù)值的方式顯示出來，波形顯示相較于數(shù)值顯示更加直觀，更易看出各個波峰的變化情況，對噪聲檢測來說，可以直觀地觀察到噪聲的出現(xiàn)與否。

噪聲報警模塊通過分貝值比較的形式，設(shè)定好噪聲判定分貝后，可以對比檢測到的環(huán)境實時分貝值的大小對比，當環(huán)境聲實時分貝大于等于設(shè)定的噪聲判定分貝后，報警燈亮。噪聲判定分貝的輸入使用數(shù)值控件中的數(shù)值輸入控件，可以自由調(diào)整噪聲判定分貝，以根據(jù)環(huán)境區(qū)域及時間自由調(diào)整噪聲判定分貝。報警燈使用布爾控件中的原型指示燈控件，可根據(jù)環(huán)境實時分貝值與噪聲判定分貝的大小比值來判斷噪聲并激活，實現(xiàn)報警的目的。

圖2 噪聲報警及波形圖顯示

歷史數(shù)據(jù)儲存模塊通過計算后的分貝值與時間直接記錄，在設(shè)置好時間間隔頻率后，將之按照時間順序依次寫入二維數(shù)組控件內(nèi)。通過數(shù)組的寫入形式儲存歷史數(shù)據(jù)。

后面板在設(shè)計時需要連接用戶界面中的各控件，還需要根據(jù)預(yù)期目標對各模塊之間進行連接。并對分貝計算、采集卡信號調(diào)用等模塊在后面板進行設(shè)計。

噪聲檢測系統(tǒng)中，首先需要將NI USB-6001數(shù)據(jù)采集卡中的數(shù)據(jù)調(diào)用到LabVIEW軟件中。在安裝好NI USB-6001數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序后，將采集卡設(shè)備通過Express面板中的DAQ助手完成采集通道的設(shè)置，進行數(shù)據(jù)采集，將輸入電壓值的數(shù)字信號導(dǎo)入到LabVIEW軟件中來[4]。

在電壓值導(dǎo)入到LabVIEW軟件后，可通過公式(1)將電壓值換算為分貝值。

(1)

根據(jù)傳感器中的配置參數(shù)，輸入電壓Ui為5 V，電阻值不變。

則，將上述公式進行轉(zhuǎn)換可得：

(2)

根據(jù)式(2)，可以根據(jù)數(shù)字信號實時輸出的電壓值計算出實時分貝值。

由于NI USB-6001數(shù)據(jù)采集卡輸入的數(shù)字信號為一個8位的動態(tài)數(shù)據(jù)，因此，在進行下一步數(shù)據(jù)處理時，需要使用從動態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換按鈕，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為浮點整數(shù)進行計算，之后將數(shù)據(jù)按照公式與輸入電壓相除，再通過對數(shù)函數(shù)后乘以10就可以得到一個分貝值的浮點數(shù)據(jù)[5]。因此，后置面板中分貝值計算模塊的連接方式如圖3。

圖3 分貝值計算程序圖

噪聲判定與報警模塊需要與實時分貝相比較。當實時分貝值大于或等于噪聲判斷分貝值時，可以判定出現(xiàn)噪聲。因此，本次使用比較面板中的大于小于符號，來對噪聲出現(xiàn)與否進行判斷，并通過大于小于符號輸出的布爾量來對噪聲報警燈進行激活與顯示[6]。因此，后置面板中應(yīng)采取噪聲判斷與報警模塊應(yīng)當與顯示模塊相連的方式如圖4。

圖4 噪聲判斷與報警模塊

歷史數(shù)據(jù)存儲模塊需要對數(shù)據(jù)進行實時保存，當實時數(shù)字信號換算為實時分貝值時，就需要進行及時保存。而在實時分貝值保存時，需要對時間變量進行一定的間隔，采用數(shù)字至小數(shù)字符串轉(zhuǎn)換，將之改為一組數(shù)值。最后通過if結(jié)構(gòu)的判斷并創(chuàng)建數(shù)組將之保存進數(shù)組進行顯示。因此，后置面板中歷史數(shù)據(jù)存儲模塊的連接方式如圖5 。

圖5 歷史數(shù)據(jù)存儲模塊

將各部分模塊設(shè)計好之后需要對各模塊之間進行連接。而在連接時，由于計算機的采樣時間過低，頻率較快，因此，我們?yōu)榱烁又庇^地顯示出噪聲數(shù)據(jù)的判斷，需要將整體程序進行循環(huán)，并添加延時程序。且在各個模塊之間需要注意各類型數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。因此，設(shè)計整體需采用一個While循環(huán)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，循環(huán)過程中使用一個100 ms的延時裝置設(shè)置數(shù)據(jù)采集的頻率，并適當添加動態(tài)轉(zhuǎn)換按鈕。

綜上，其最終程序設(shè)計圖如圖6。

圖6 系統(tǒng)程序設(shè)計圖

3 結(jié)語

本次設(shè)計是基于虛擬儀器技術(shù)的噪聲計設(shè)計，是一次針對噪聲檢測系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計方案。該方案可以很好地解決人們?nèi)粘Ｉ钜约吧a(chǎn)工作中對外界環(huán)境噪聲的檢測，并能夠完成長期在線監(jiān)測，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的大量存儲；能夠做到有效判定噪聲的出現(xiàn)以及針對噪聲做出及時的預(yù)防及處理。