环境噪声实时监测系统的研制开发

田 青 张 钊 韩圣东 顾 民 黄云龙

北方工业大学 北京 100041

1 研究背景

1.1 课题背景

噪声源于生活中各个角落，它无处不在，与人们的生活息息相关的。噪声已经被认为是仅次于大气污染和水污染的第三大公害。通常环境噪声测量的目的是了解被测环境是否符合允许的噪声标准或噪声超标情况，以便采取相应的控制措施。

传统的硬件声级计应用广泛，小到用于听力校准以确定噪声对人耳听觉的危害程度，大到用于对机械电子产品噪声、环境噪声、交通噪声等的现场测量。但这种声级计功能比较单一，如需要对噪声进行进一步的测量，则须外接滤波器和记录仪，不便于进行实时分析，其灵活性明显不足。而且，如要求基于硬件的噪声监测仪对整个噪声频段进行实时分析，则要并联许多滤波器，会出现在使用一段时间后，由于电路老化等原因，造成仪器性能不稳定的现象。

为了克服硬件监控系统的缺点，本系统采用了虚拟仪器。虚拟仪器是全新概念上的最新一代测量仪器，它把现代计算机技术和仪器技术相结合，用来辅助计算机的测试。

虚拟仪器将传统的由硬件实现的数据分析、处理和显示等功能改为由功能强大的计算机软件来完成，使计算机与相应的I/O接口设备相连以获取信号，然后按照测量原理，编制具有测量功能的程序，构成相应的测试仪器。基于相同的硬件系统，虚拟仪器通过编制不同的软件来实现多种测量仪器的功能，显著降低了仪器的开发和维护费用，提高了仪器的灵活性和性价比。

1.2 软件平台

虚拟仪器的编程采用LabVIEW，因为LabVIEW采用图形化编程(所以也被称为G语言)，它的界面和功能与真实的仪器十分相似。它是美国国家仪器公司(National Instrument，NI)的产品，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。在LabVIEW环境中开发的应用程序都被冠以VI后缀，以表示虚拟仪器的含义。VI一般包括前面板和程序框图，前面板实际就是程序的交互式用户接口，与真实物理仪器的前面板相似，程序框图实际就是VI的程序代码。利用LabVIEW开发的虚拟仪器，可以利用高性能的计算机对噪声信号进行采样、记录以及实时分析，也可以移植到ARM板上。

2 系统结构

2.1 硬件结构

整体硬件结构如图1所示。传声器将被测声源信号转换为电信号，A/D卡将模拟信号转换为数字信号后，供计算机进行分析和处理。A/D卡采用的是Sound Blsster声卡，利用LabVIEW软件完成对信号的读取、分析、计算、存储和显示。

图1

2.2 软件结构

2.2.1 程序原理

软件结构由两部分组成(如图2所示)。一部分是程序框图的设计，主要分为3个模块。第一个模块是对拾音器所接收的声音信号经过A/D转换后生成电信号的读取；第二个模块是对读取的电信号进行测量与分析；第三个模块是报警系统。另一部分是前面板的显示，主要分为3个模块，第一个模块显示所测量的声压值；第二个模块是控制测量开始与否的开关；第三个模块是实时计时模块，时刻显示当前的时间日期。

图2

2.2.2 程序框图设计(如图3所示)

图3

(1)声源接收模块

测量音源的拾音头将测得的声音信号转换为电压值并传给计算机，通过LabVIEW软件的控制将这些电信号传给计算机。程序设定接受的音源形式为单声道16 bit。

(2)噪声分析模块

在计算机成功接收音源信号后，可以采用多种方法对其进行分析，如实时测量声音的波峰和波谷值，或对测量的电压值数组进行分析，选出最大幅值等。但在实际的应用测量中，由于环境噪声本身是不规则且大幅波动的，这两种方法所测结果波动过大，在稳定指标上难以达到要求，而有的软件对声源进行统计、加权等计算过于复杂。本程序旨在实时监测生活区的噪声情况，因此减小了计权声级问题的影响，从而大幅减少了计算量。

针对以上方法的缺点，本程序为了解决测量结果不稳定、计算量繁多的问题，采用了对声音积分的方法进行分析。虽然噪声是不规则且浮动较大的，但是相同声级的噪声在一个测量周期内所产生的能量总和是大致相等的。用这个原理可以有效地解决噪音测量结果不稳定的问题。

在得到能量的测量结果后，为了便于计算，对积分再求平均值，用这个平均值与噪音计测声压值结合，根据声压值的计算公式对它们进行拟合，绘制出对数分布图，然后利用Excel公式拟合出精确的声压级公式，最后将公式导入LabVIEW软件的公式框图中，对噪声进行实时测量。

(3)报警模块

声音超过80 dB时，会影响人们的正常生活。所以，在噪声超过80 dB时，系统会明灯报警。

2.2.3 前面板显示结果

前面板分别显示所测得的声压值及当前时间(如图4所示)。

图4

3 研究结果

3.1 程序在PC机上运行的测量值与校准噪声值对比

系统运行后测量得到的声压值结果与校准噪声计所测结果基本一致(如图5所示)。

图5

3.2 程序在ARM板上运行的测量值与校准噪声值对比

图6

另外，我们将做好的系统移植到ARM板上，并且在Windows CE系统下运行，运用LabVIEW的MOBILE模块将程序导入ARM板上。经过调试后，系统在ARM板上运行达到测量较为准确的指标(如图6所示)。

系统运行后测量得到的声压值结果与校准噪声计的结果基本一致。

4 结束语

环境噪声测试系统通过声级标准仪(噪声器)标定校准，达到了测量环境噪声值(分贝值dB)的基本要求。LabVIEW是一个简单、易于操作的虚拟仪器系统开发与设计平台，它集多种传统仪器的功能与一身，并可以根据用户的需求进行利用和综合开发，十分方便。我们应用该平台搭建的噪声测试分析仪，不仅能较为准确地测量环境中的噪声，还能降低成本，同时也能提高噪声测试分析的效率。LabVIEW是我们学习和工作的好伙伴，是不可或缺的重要检测及开发软件，在科学领域中有着重要的地位，能够帮助我们解决很多疑难问题。我们的虚拟噪声测试仪(声级计)的开发设计还有待进一步完善，相信必定会在日后有更大的突破。

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