基于DASP的船舶艙內(nèi)噪聲信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)研究＊

蔡旭東 崔滋剛 曲 豐 吳 磊

（91388部隊(duì)92分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

現(xiàn)代船舶不僅要求其具有安全、隱身、動(dòng)作快速等特點(diǎn)，還應(yīng)具有良好的舒適性，能給艙室內(nèi)人員提供一個(gè)友好的工作空間。作為一個(gè)相對(duì)密閉的環(huán)境，船舶艙室經(jīng)常會(huì)遭受各種噪聲的污染。噪聲干擾不僅會(huì)影響到船舶的隱身性能，暴露我方目標(biāo)，其振動(dòng)也可能會(huì)影響艙內(nèi)各種儀器儀表、設(shè)備的正常工作。因此，艙內(nèi)噪聲問題日益引起了船舶設(shè)計(jì)工作者的關(guān)注［1］。

船舶作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，許多條件和情況難以確定和量化，可將艙室內(nèi)所測(cè)得噪聲信號(hào)統(tǒng)稱為“艙內(nèi)噪聲”。為了能方便、準(zhǔn)確地測(cè)量噪聲信號(hào)，考察艙室環(huán)境是否達(dá)到研制指標(biāo)，本文介紹了一套測(cè)量系統(tǒng)，能夠在海上航行試驗(yàn)中，滿足測(cè)量艙內(nèi)噪聲信號(hào)數(shù)據(jù)的基本要求，且具有小型、可靠、可操性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)組成原理

噪聲測(cè)量系統(tǒng)主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、微控制處理中心、存儲(chǔ)設(shè)備、顯示設(shè)備、電源等其它輔助設(shè)備組成。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示［2］。測(cè)量傳感器接收船舶艙內(nèi)噪聲信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路放大、整波后，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后由微控制處理中心通過DASP（Data Auto Sam-pleand Process System）數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行處理，得到噪聲信號(hào)的波形圖和頻譜圖，方便地檢查信號(hào)的最大強(qiáng)度等指標(biāo)。同時(shí)，UPS電源可為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓，存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)所采集的數(shù)據(jù)，顯示設(shè)備可實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)波形圖等。信號(hào)在傳輸過程中，全部使用同軸電纜傳輸，盡可能地減少信號(hào)衰減、失真。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

3 系統(tǒng)各關(guān)鍵模塊介紹

3.1 噪聲測(cè)量傳感器

噪聲測(cè)量傳感器采用高性能駐極體電容式聲壓測(cè)試傳感器，該傳感器采用獨(dú)特的鍍膜工藝，具備較好的聲學(xué)性能及長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性。傳感器主要由駐極體、極頭和前置電路等元件組成，能夠測(cè)試20～146dB動(dòng)態(tài)范圍、20Hz～20kHz的頻率范圍的信號(hào)，其主要性能指標(biāo)如下：

開路靈敏度：－26±1.5dB（50mV／Pa）；極化電壓：0V；靜態(tài)壓力系數(shù)：－0.010dB／Kpa；溫度系數(shù)：－0.008dB／℃（－20～＋60℃）；工作環(huán)境：－35～80℃，0～98%RH；輸出阻抗：＜110Ω；噪聲：＜2.0μV。

3.2 信號(hào)調(diào)理電路［2］

傳感器輸出的信號(hào)量值較小，若直接進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，容易產(chǎn)生較大誤差。傳感器接收模擬信號(hào)后，為了充分利用系統(tǒng)的測(cè)量量程，減小采集系統(tǒng)的量化誤差，需要進(jìn)行信號(hào)的調(diào)理—放大、濾波、整流等處理。圖2為信號(hào)調(diào)理電路中放大部分的電路原理圖。系統(tǒng)采用具有三運(yùn)算放大器的儀器儀表放大電路［3］，電路具有較高的共模和差模輸入阻抗、很低的輸出阻抗、較高的共模抑制比以及精確穩(wěn)定的增益。第一級(jí)的兩個(gè)放大器工作在同相結(jié)構(gòu)，它們的閉環(huán)輸入電阻較高，起到高輸入阻抗緩沖器的作用，第二級(jí)放大器構(gòu)成輸出級(jí)，具有很低的閉環(huán)輸出電阻。

整個(gè)電路放大倍數(shù)為：

通過外接增益電路Rg的調(diào)整可以改變?cè)鲆鍭的值。通常A可以在1～1000范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，Rg的值一般為幾十到上百歐姆。

3.3 A／D轉(zhuǎn)換

圖2 放大電路

圖3 AD轉(zhuǎn)換器與控制器連接圖

3.4 DASP系統(tǒng)簡(jiǎn)介

DASP（Data Auto Sam-pleand Process System）數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)軟件是為解決工程靜動(dòng)態(tài)測(cè)試中的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析處理、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等實(shí)際問題而開發(fā)的一套運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)上的多通道信號(hào)采集和實(shí)時(shí)分析軟件［5］。該系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)較好地融入了虛擬測(cè)試儀器的思想，以便攜式計(jì)算機(jī)為儀器的硬件平臺(tái)，將測(cè)試儀器的功能和儀器面板、控制件均設(shè)計(jì)成相應(yīng)的軟件，同時(shí)在計(jì)算機(jī)的總線槽內(nèi)配以對(duì)應(yīng)的、可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的模塊化硬件接口。系統(tǒng)儀器測(cè)試功能和接口輸入數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與處理下便構(gòu)成了虛擬式儀器，虛擬儀器的測(cè)試功能、面板控制均實(shí)現(xiàn)了軟件化。在DASP系統(tǒng)中，軟件的設(shè)計(jì)充分利用了計(jì)算機(jī)的各種智能化功能，在信號(hào)分析和處理功能設(shè)計(jì)上基本實(shí)現(xiàn)了功能不低于常用硬儀器的虛擬儀器，且更靈活、方便。DASP系統(tǒng)注重實(shí)用、內(nèi)容豐富、功能先進(jìn)，在爆破測(cè)試和地震信號(hào)測(cè)量等領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景［6］。

4 系統(tǒng)工作流程［7］

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

系統(tǒng)上電后，運(yùn)行DASP系統(tǒng)軟件開始工作。設(shè)置相關(guān)參數(shù)，初始化系統(tǒng)內(nèi)核，若不需要開始采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，軟件中點(diǎn)擊采集則進(jìn)入信號(hào)采集部分。傳感器將采集的信號(hào)通過電纜傳輸至信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波、整流、放大處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將整理后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，當(dāng)緩存到一定容量后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬介質(zhì)中，便于數(shù)據(jù)分析。若需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，則打開實(shí)時(shí)處理軟件，進(jìn)行信號(hào)波形的實(shí)時(shí)顯示以及頻譜的分析。采集事后，通過DASP系統(tǒng)可調(diào)用數(shù)據(jù)從時(shí)間域和頻域等方面進(jìn)行周期、相關(guān)性、功率譜分析。

5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本系統(tǒng)可采用220V電源供電、也可使用UPS或便攜式電池供電。經(jīng)功耗測(cè)試后，若使用便攜式電池工作，系統(tǒng)可連續(xù)運(yùn)行1小時(shí)左右，完全滿足測(cè)量時(shí)間的要求。在某海域航行的船舶艙室內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)行了噪聲測(cè)試。試驗(yàn)測(cè)量時(shí)，船舶航速13節(jié)，天氣晴朗，無風(fēng)浪，環(huán)境噪聲干擾可以忽略。測(cè)量曲線如圖5所示［8］。信號(hào)的幅值明顯。

圖5 噪聲測(cè)試圖

6 結(jié)語(yǔ)

基于DASP的船舶艙內(nèi)噪聲信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)解決了便攜性、實(shí)時(shí)讀取以及大容量等難題，并進(jìn)行了海上試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確、可靠的工作，并能實(shí)時(shí)測(cè)試信號(hào)顯示信號(hào)圖譜。測(cè)試數(shù)據(jù)說明船舶艙內(nèi)噪聲信號(hào)具有較好的觀測(cè)性，不同點(diǎn)源所測(cè)信號(hào)具有一定的差異性，這為深入研究監(jiān)測(cè)艙內(nèi)噪聲，降低噪聲對(duì)環(huán)境的干擾打下了良好的基礎(chǔ)。

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