基于Labview的号笛声压性能测试系统设计

2014-06-27，，，，

船海工程 2014年6期

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(1.农业部渔业装备与工程重点开放实验室,上海 200092； 2.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

号笛是船舶航行作业中极为关键的声响安全设备，其声压性能(基本频率范围、声压级大小、声辐射指向性)的优劣直接关系到船舶避碰和求救能力[1-2]。目前缺少号笛声压性能自动综合测试平台，测试主要通过积分声级计、1/3倍频程滤波器、旋转机械装置等辅助设备，按GB/T 12303—2009的测试方法手动完成。该方法外接的1/3倍频程滤波器需手动选择测试中心频率，过程繁琐；测量号笛的声辐射指向性时，手工移动声级计的位置，测量数据点有限，无法保证寻找到真正的最低声压级；读数时，测试人员置于高分贝声场，危害人体听觉系统[3-4]。另外，市场上常见的声级计的测量上限为135 dB，只有少数声级计测量程能大于138 dB，如HS5660B(高)型精密脉冲声级计、AWA-5661C型声级计。市售声级计大多采用模拟电路来实现信号1/3 倍频程滤波器、频率计权网络及时间计权，其运算速度慢、精度低、动态范围小、功耗大[5-6]；并且其声压的频谱分析、图形显示、数据存储和打印等功能只能通过外接配套设备的串口才能实现[7-8]，当用于号笛声压自动测试时，其灵活性明显不足。近年来，随着微电子以及集成电路的快速发展，一些学者开始研究数字式声级计[9-11]。本文将声压传感、机电控制、数据采集技术结合，并以Labview为软件开发平台，利用NI公司提供的声音与振动分析工具包，设计一套号笛声压性能自动测试系统，为号笛声压性能自动测试平台的研制提供技术支撑。

1 号笛声压测量规定与声压测量原理

1.1 号笛声压测量规定

GB/T 12303—2009 海船声号器具的声压级测量标准中规定了不同号笛的基本频率范围、1/3倍频程声压级和可听距离。如大型号笛基本频率范围130～350 Hz，最大声压级应≥138 dB，可听距离≥1.5 n mile[12-13]。此标准也对号笛声压性能测试用的声级计、滤波器、传声器性能做了要求；同时规定测试时应使用声级计的“快档”时间计权，每次测量时间不少于4 s；测量号笛的声辐射指向性时，在轴线上±45°内的任何水平方向，声压级应不低于要求值的4 dB，在任何其他方向的声压级，不低于要求值的10 dB。

1.2 声压级测量原理

声压性能采用声级计来测量，声级计是一种以dB为单位指示被测声压级和计权声压级的仪器。声压级Lp(t)的定义为

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

(1)

式中:p0——参考声压，取p0=2×10-5Pa；

p(t)——实时声压有效值,Pa。

传声器是一种将声压信号转换为电压信号的传感器，其输出信号U(t)为

U(t)=S·p(t)

(2)

式中:S——传声器的声压灵敏度，其灵敏度一般为50 mV/Pa。

将式(2)代入式(1)，整理后得

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

(3)

式中:C——对确定的传声器而言为常数，

C=20lgp0+20lgS。

1.3 频率和时间计权

为了使声级计测量结果与人对声音的主观感觉相符合，提出了声级，即计权声压级的概念。声级是用一定的计权网络对频率、时间进行计权后得到的声压级。为模拟人耳的响度感觉特性，一般设有A、B、C 3种频率计权网络。对于连续的稳态噪声，A声级能较好地反映人耳的主观感觉。时间计权的定义是规定时间常数的时间指数函数，该函数是对瞬时声压的平方进行计权。时间计权声级指方均根声压与基准声压之比的以10为底的对数乘以20，其中方均根声压由标准频率计权和标准时间计权得到。对于任何瞬时时间上的频率计权和时间计权声级L(t)可表示为

(4)

式中:τ——时间计权的时间常数，目前主要有F(125 ms)计权和S(1 s)计权；

ξ——从过去的某时刻，例如，积分下限-∞到观测时刻t的时间积分变量；

p(ξ)——在时间变量为ξ时频率计权瞬时声压。

1.4 1/3倍频程声压级

1/3倍频程频谱分析是指把人耳能听到的20 Hz～20 kHz整个声频范围分成30个恒定带宽比的频带，即频带的上下截止频率之比为21/3的常数，并对落在这些频带中的声频信号计算声压级。以这些频带的中心频率为横坐标，以声压级为纵坐标，作出噪声频谱按照倍频带或1/3倍频带划分标准的声压分布图，就可以直观明了地了解号笛声压的频谱特点，得到号笛的基本频率范围和最大的1/3倍频程声压级。

2 硬件设计

自动测试系统硬件组成见图1。号笛声压被传声器感知并经其前置放大器调理后输出的电压信号传送给数据采集卡(A/D模块)，由数据采集卡将模拟电压数字化后送给上位机进行分析、处理及显示测量结果。另外，上位机也可控制据采集卡的数字信号、脉冲输出功能，从而实现对步进电机的旋转控制，辅助完成号笛指向性性能测试。选用的硬件型号及其基本性能如下所述。

图1 号笛声压性能自动测试平台示意

2.1 步进电机及其驱动器

步进电机选用二相混合式步进电机型号86HS1146A4。其步距角1.8°，静力矩8.2 N·m，具有良好的内部阻尼特性，运行平稳，无明显低频振荡区；造型美观，结构牢固，噪声低，可靠性高，使用寿命长。

步进电机驱动器选用细分型两相混合式步进电机驱动器MD680A。它采用直流24～80 V供电，适合驱动电压24～80 V，电流小于8.0 A外径57～86 mm的两相混合式步进电机。此驱动器采用交流伺服驱动器的电流环进行细分控制，电机的转矩波动小，低速运行平稳，振动和噪音低。高速时可输出相对较高的力矩，定位精度高。选用的步进电机及其控制器相互配合，经细分处理，至少能实现步距角为0.90°、0.45°，满足声辐射指向性测试要求。

2.2 传声器及其前置放大器

GB/T 12303—2009标准中给出的号笛的基本频率范围在70～2 100 Hz内，考虑到压力场和扩散场型传声器在测量频率小于5 000 Hz时，这两类传声器测量结果的误差将小于0.3 dB。本方案决定选用北京声望声电技术有限公司的MP451型传声器，MP451型传声器是6.35 mm(1/4 in)压力场预极化驻极体测量传声器，动态范围35～164 dB，频率响应为10 Hz～50 kHz，灵敏度为4 mV/Pa，符合IEC61672标准I型的要求。选用北京声望声电技术有限公司的MA401型前置放大器，MA401采用恒流源供电方式，是具有低噪声和高输入阻抗的高品质前置放大器，其优势在于成本较低，可与MP451型传声器配套使用。MA401出色的频率响应可保证其与传声器相配时达到IEC61672标准规定的I型的要求。MA4451与MA401的配合能满足号笛声压信号的敏感与响应要求。

2.3 采集模块

采集模块采用NI USB-6210，它是一款USB 总线供电 M系列多功能DAQ模块，在高采样率下也能保持高精度。该模块提供了16路模拟输入，输入模拟信号可以差分、共地单端输入(RSE)和不共地单端输入(NRSE)3种方式连接到数据采集卡；250 kS/s单通道采样率；4路数字输入线；4路数字输出线；每通道有4个可编程输入范围(±0.2～±10 V) ；数字触发；2个计数器/定时器。该模块可以满足设计的系统A/D采样与控制步进电机驱动器的要求。

2.4 各模块接口连接

步进电机、驱动器、采集模块、传声器及其前置放大器输出信号及电源供电模块的连线见图2。

图2 各模块接口连接示意

传声器及其前置放大器输出信号采用参考单端模式接入采集模块的AI0，信号地线与采集模块的模拟地(AIGND)端口连接，步进电机驱动器采用共阳极接线方法，采集模块的PFI4输出脉冲可以控制步进电机的转速，P1.1口控制电机旋转方向，P1.2输出的使能信号控制驱动器的工作状态；电源模块为其他部分提供稳定、可靠的工作电压，使各个硬件模块能正常工作。

3 软件设计

3.1 应用软件

系统应用软件使用Labview 8.6编程软件开发，利用了NI声音与振动工具包和报表生成工具包。根据号笛声压性能测试的规定，确定系统的工作过程程序流程见图3。软件开发过程中遵循Labview模块化程序设计思想，在总体方案确定后，根据所需的不同功能分别组建各功能模块。该系统主要由声压信号采集与数据分析模块、步进电机控制模块、报表生成模块3部分组成。其中，电机控制模块程序可借助DAQ助手设定设定采样模块各个输出口的状态。Labview中报表生成有4种方法：利用Report Genetation类函数生成报表；用Report Genetation Toolkit For Microsoft Office生成报表；通过DDE生成报表，通过Activc X生成报表。本文采用第2种方法完成，限于篇幅，这两部分模块具体的图形化程序不详细介绍。

图3 工作过程程序流程

3.2 信号采集与数据处理编程

NI-DAQmx可通过多种方式来帮助用户节省开发时间并提高数据采集应用的性能，一种是使用DAQ助手，另一种方式是使用NI-DAQmx提供的数据采集应用程序接口(API)函数。本系统设计中使用后一种方式。数据处理借用NI声音与振动工具包，该工具包中包含了电压转物理信号、n倍频程滤波器、计权滤波器等噪声处理子VI(虚拟模块)，可以直接调用。其中n倍频程滤波器子VI符合IEC 61260:1995和ANSI S1.11—2004国际标准。信号采集与数据处理程序框图见图4。程序首先利用DAQmx创建通道函数建立数据采集任务，设定采样率、参数标度转换等参数后启动采样，在循环中读取采样值，并将采样值依次送给频率加权滤波器子VI、1/3倍频程分析子VI和声压级子VI进行分析，得到需要的号笛声压性能参数。