基于Labview的號笛聲壓性能測試系統設計

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(1.農業部漁業裝備與工程重點開放實驗室,上海 200092； 2.中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092)

號笛是船舶航行作業中極為關鍵的聲響安全設備，其聲壓性能(基本頻率范圍、聲壓級大小、聲輻射指向性)的優劣直接關系到船舶避碰和求救能力[1-2]。目前缺少號笛聲壓性能自動綜合測試平臺，測試主要通過積分聲級計、1/3倍頻程濾波器、旋轉機械裝置等輔助設備，按GB/T 12303—2009的測試方法手動完成。該方法外接的1/3倍頻程濾波器需手動選擇測試中心頻率，過程繁瑣；測量號笛的聲輻射指向性時，手工移動聲級計的位置，測量數據點有限，無法保證尋找到真正的最低聲壓級；讀數時，測試人員置于高分貝聲場，危害人體聽覺系統[3-4]。另外，市場上常見的聲級計的測量上限為135 dB，只有少數聲級計測量程能大于138 dB，如HS5660B(高)型精密脈沖聲級計、AWA-5661C型聲級計。市售聲級計大多采用模擬電路來實現信號1/3 倍頻程濾波器、頻率計權網絡及時間計權，其運算速度慢、精度低、動態范圍小、功耗大[5-6]；并且其聲壓的頻譜分析、圖形顯示、數據存儲和打印等功能只能通過外接配套設備的串口才能實現[7-8]，當用于號笛聲壓自動測試時，其靈活性明顯不足。近年來，隨著微電子以及集成電路的快速發展，一些學者開始研究數字式聲級計[9-11]。本文將聲壓傳感、機電控制、數據采集技術結合，并以Labview為軟件開發平臺，利用NI公司提供的聲音與振動分析工具包，設計一套號笛聲壓性能自動測試系統，為號笛聲壓性能自動測試平臺的研制提供技術支撐。

1 號笛聲壓測量規定與聲壓測量原理

1.1 號笛聲壓測量規定

GB/T 12303—2009 海船聲號器具的聲壓級測量標準中規定了不同號笛的基本頻率范圍、1/3倍頻程聲壓級和可聽距離。如大型號笛基本頻率范圍130～350 Hz，最大聲壓級應≥138 dB，可聽距離≥1.5 n mile[12-13]。此標準也對號笛聲壓性能測試用的聲級計、濾波器、傳聲器性能做了要求；同時規定測試時應使用聲級計的“快檔”時間計權，每次測量時間不少于4 s；測量號笛的聲輻射指向性時，在軸線上±45°內的任何水平方向，聲壓級應不低于要求值的4 dB，在任何其他方向的聲壓級，不低于要求值的10 dB。

1.2 聲壓級測量原理

聲壓性能采用聲級計來測量，聲級計是一種以dB為單位指示被測聲壓級和計權聲壓級的儀器。聲壓級Lp(t)的定義為

Lp(t)=20 lg[p(t)/p0]

(1)

式中:p0——參考聲壓，取p0=2×10-5Pa；

p(t)——實時聲壓有效值,Pa。

傳聲器是一種將聲壓信號轉換為電壓信號的傳感器，其輸出信號U(t)為

U(t)=S·p(t)

(2)

式中:S——傳聲器的聲壓靈敏度，其靈敏度一般為50 mV/Pa。

將式(2)代入式(1)，整理后得

Lp(t)=20lgU(t)-C

(3)

式中:C——對確定的傳聲器而言為常數，

C=20lgp0+20lgS。

1.3 頻率和時間計權

為了使聲級計測量結果與人對聲音的主觀感覺相符合，提出了聲級，即計權聲壓級的概念。聲級是用一定的計權網絡對頻率、時間進行計權后得到的聲壓級。為模擬人耳的響度感覺特性，一般設有A、B、C 3種頻率計權網絡。對于連續的穩態噪聲，A聲級能較好地反映人耳的主觀感覺。時間計權的定義是規定時間常數的時間指數函數，該函數是對瞬時聲壓的平方進行計權。時間計權聲級指方均根聲壓與基準聲壓之比的以10為底的對數乘以20，其中方均根聲壓由標準頻率計權和標準時間計權得到。對于任何瞬時時間上的頻率計權和時間計權聲級L(t)可表示為

(4)

式中:τ——時間計權的時間常數，目前主要有F(125 ms)計權和S(1 s)計權；

ξ——從過去的某時刻，例如，積分下限-∞到觀測時刻t的時間積分變量；

p(ξ)——在時間變量為ξ時頻率計權瞬時聲壓。

1.4 1/3倍頻程聲壓級

1/3倍頻程頻譜分析是指把人耳能聽到的20 Hz～20 kHz整個聲頻范圍分成30個恒定帶寬比的頻帶，即頻帶的上下截止頻率之比為21/3的常數，并對落在這些頻帶中的聲頻信號計算聲壓級。以這些頻帶的中心頻率為橫坐標，以聲壓級為縱坐標，作出噪聲頻譜按照倍頻帶或1/3倍頻帶劃分標準的聲壓分布圖，就可以直觀明了地了解號笛聲壓的頻譜特點，得到號笛的基本頻率范圍和最大的1/3倍頻程聲壓級。

2 硬件設計

自動測試系統硬件組成見圖1。號笛聲壓被傳聲器感知并經其前置放大器調理后輸出的電壓信號傳送給數據采集卡(A/D模塊)，由數據采集卡將模擬電壓數字化后送給上位機進行分析、處理及顯示測量結果。另外，上位機也可控制據采集卡的數字信號、脈沖輸出功能，從而實現對步進電機的旋轉控制，輔助完成號笛指向性性能測試。選用的硬件型號及其基本性能如下所述。

圖1 號笛聲壓性能自動測試平臺示意

2.1 步進電機及其驅動器

步進電機選用二相混合式步進電機型號86HS1146A4。其步距角1.8°，靜力矩8.2 N·m，具有良好的內部阻尼特性，運行平穩，無明顯低頻振蕩區；造型美觀，結構牢固，噪聲低，可靠性高，使用壽命長。

步進電機驅動器選用細分型兩相混合式步進電機驅動器MD680A。它采用直流24～80 V供電，適合驅動電壓24～80 V，電流小于8.0 A外徑57～86 mm的兩相混合式步進電機。此驅動器采用交流伺服驅動器的電流環進行細分控制，電機的轉矩波動小，低速運行平穩，振動和噪音低。高速時可輸出相對較高的力矩，定位精度高。選用的步進電機及其控制器相互配合，經細分處理，至少能實現步距角為0.90°、0.45°，滿足聲輻射指向性測試要求。

2.2 傳聲器及其前置放大器

GB/T 12303—2009標準中給出的號笛的基本頻率范圍在70～2 100 Hz內，考慮到壓力場和擴散場型傳聲器在測量頻率小于5 000 Hz時，這兩類傳聲器測量結果的誤差將小于0.3 dB。本方案決定選用北京聲望聲電技術有限公司的MP451型傳聲器，MP451型傳聲器是6.35 mm(1/4 in)壓力場預極化駐極體測量傳聲器，動態范圍35～164 dB，頻率響應為10 Hz～50 kHz，靈敏度為4 mV/Pa，符合IEC61672標準I型的要求。選用北京聲望聲電技術有限公司的MA401型前置放大器，MA401采用恒流源供電方式，是具有低噪聲和高輸入阻抗的高品質前置放大器，其優勢在于成本較低，可與MP451型傳聲器配套使用。MA401出色的頻率響應可保證其與傳聲器相配時達到IEC61672標準規定的I型的要求。MA4451與MA401的配合能滿足號笛聲壓信號的敏感與響應要求。

2.3 采集模塊

采集模塊采用NI USB-6210，它是一款USB 總線供電 M系列多功能DAQ模塊，在高采樣率下也能保持高精度。該模塊提供了16路模擬輸入，輸入模擬信號可以差分、共地單端輸入(RSE)和不共地單端輸入(NRSE)3種方式連接到數據采集卡；250 kS/s單通道采樣率；4路數字輸入線；4路數字輸出線；每通道有4個可編程輸入范圍(±0.2～±10 V) ；數字觸發；2個計數器/定時器。該模塊可以滿足設計的系統A/D采樣與控制步進電機驅動器的要求。

2.4 各模塊接口連接

步進電機、驅動器、采集模塊、傳聲器及其前置放大器輸出信號及電源供電模塊的連線見圖2。

圖2 各模塊接口連接示意

傳聲器及其前置放大器輸出信號采用參考單端模式接入采集模塊的AI0，信號地線與采集模塊的模擬地(AIGND)端口連接，步進電機驅動器采用共陽極接線方法，采集模塊的PFI4輸出脈沖可以控制步進電機的轉速，P1.1口控制電機旋轉方向，P1.2輸出的使能信號控制驅動器的工作狀態；電源模塊為其他部分提供穩定、可靠的工作電壓，使各個硬件模塊能正常工作。

3 軟件設計

3.1 應用軟件

系統應用軟件使用Labview 8.6編程軟件開發，利用了NI聲音與振動工具包和報表生成工具包。根據號笛聲壓性能測試的規定，確定系統的工作過程程序流程見圖3。軟件開發過程中遵循Labview模塊化程序設計思想，在總體方案確定后，根據所需的不同功能分別組建各功能模塊。該系統主要由聲壓信號采集與數據分析模塊、步進電機控制模塊、報表生成模塊3部分組成。其中，電機控制模塊程序可借助DAQ助手設定設定采樣模塊各個輸出口的狀態。Labview中報表生成有4種方法：利用Report Genetation類函數生成報表；用Report Genetation Toolkit For Microsoft Office生成報表；通過DDE生成報表，通過Activc X生成報表。本文采用第2種方法完成，限于篇幅，這兩部分模塊具體的圖形化程序不詳細介紹。

圖3 工作過程程序流程

3.2 信號采集與數據處理編程

NI-DAQmx可通過多種方式來幫助用戶節省開發時間并提高數據采集應用的性能，一種是使用DAQ助手，另一種方式是使用NI-DAQmx提供的數據采集應用程序接口(API)函數。本系統設計中使用后一種方式。數據處理借用NI聲音與振動工具包，該工具包中包含了電壓轉物理信號、n倍頻程濾波器、計權濾波器等噪聲處理子VI(虛擬模塊)，可以直接調用。其中n倍頻程濾波器子VI符合IEC 61260:1995和ANSI S1.11—2004國際標準。信號采集與數據處理程序框圖見圖4。程序首先利用DAQmx創建通道函數建立數據采集任務，設定采樣率、參數標度轉換等參數后啟動采樣，在循環中讀取采樣值，并將采樣值依次送給頻率加權濾波器子VI、1/3倍頻程分析子VI和聲壓級子VI進行分析，得到需要的號笛聲壓性能參數。

4 結束語

圖4 信號采集與數據處理程序框圖

此系統的設計為號笛聲壓性能測試自動化、提高測試效率提供了技術支持。下一步是要對此系統進行計量并標定，使其盡快用于實際檢測工作中。

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