一种实验室环境噪声监测系统的设计

2017-10-14纪京召张军陈毅

声学与电子工程 2017年3期

关键词：水听器环境噪声光纤

纪京召张军陈毅

（第七一五研究所，杭州，310023）

一种实验室环境噪声监测系统的设计

纪京召张军陈毅

（第七一五研究所，杭州，310023）

在对光纤水听器的等效噪声压测试的过程中，为了掌握等效噪声压测量时环境噪声对消声箱内测试的影响情况，准确监测测量实验室内的环境噪声，设计了一种能够对所在实验室内环境噪声进行监测的测量系统，该系统能实时采集环境噪声并进行处理，可以根据实际情况进行定时或指定时间段的环境噪声信号的测试分析，最后通过实验分析验证了系统功能。

光纤水听器；环境噪声；等效噪声；水声测量；测量系统；监测

在水声测试中，等效噪声压是指水听器在线性工作区内的下限声压级，它决定了水听器的最小可检测声压级[1]。随着光纤水听器逐渐得到推广应用，它的等效噪声压级也备受关注。因光纤水听器的灵敏度较高，测试其等效噪声压时，监测实验室内环境噪声就显得十分重要[2]。在空气中，通常使用声级计对环境噪声进行简单的测试评估，而对于特定的测试任务[3]，使用专门的测试系统会更方便。以往的测试系统一般采用通用的仪器设备搭建测试系统来实现[4]。随着虚拟仪器技术的发展，目前以软件为核心，借助计算机、通用的数据采集模块、传感器等硬件设备构建虚拟仪器的测量系统已成为当前测控技术发展的主流方向[5]。基于以上技术，我们设计了一套用于实验室条件下环境噪声的实时监测系统，该测量系统基于LabVIEW平台进行开发，选用了NI（National Instruments）公司的PXI（PCI extensions for Instrumentation）控制模块及采集模块作为主要硬件。通过LabVIEW这种直观的图形化编程技术降低噪声监测系统开发周期，减少执行时间和系统成本，提高效率。整个监测系统具备本底噪声低，信号运算处理功能丰富、软件面板易操作，结果显示信息丰富的特点。

1 测量原理

声学传感器的等效噪声压可以定义为平行于传感器主轴传播的平面正弦式行波使传感器产生的开路电压等于1 Hz的噪声电压时所具有的声压[6]。测量原理如下：首先利用数据采集系统对环境噪声信号进行采集，然后通过计算对环境噪声进行评价。对采集的信号进行傅里叶变换得到信号谱：

噪声压谱级计算公式：

式中：LU=20lgU，dB re 1V，U为采集的电压信号谱，Meff为有效自由场灵敏度[级]，dB re 1V/μPa，u为采集到的电压信号，t为时间。

2 测量系统

系统主要包括硬件和软件两部分，其中硬件系统部分主要由主控计算机、数据采集模块，声学传感器以及一些辅助连接设备构成；软件系统部分基于LabVIEW平台开发。通过采用NI公司的提供的PXI构架的硬件系统，结合LabVIEW软件平台，搭建了自动化环境噪声测试系统平台。利用LabVIEW 软件平台提供的直观的图形化编程方法减少了测试开发时间，结合NI公司基于PXI构架的模块化及LabVIEW软件平台包含的各种内置数学和信号处理函数、专用工程控件和指示控件来自定义用户界面可以提高编程效率，最终实现了快速构建测试系统的目标。

2.1 测量系统硬件

我们构建的测试系统使用了NI公司的PXI构架虚拟仪器硬件来搭建数据采集系统，为了满足低噪声的测试需求，采用了 24位的低噪声高精度数据采集模块，它的动态范围高达114 dB，输入增益+10 dB、+20 dB和+30 dB可选。采样速率最高可达204.8 k。输入端接50 Ω电阻时，1 kHz处等效输入噪声低至。能满足光纤水听器等效噪声压的测试要求。光纤水听器等效噪声压测试系统示意图如图1所示。被测光纤水听器置于隔振台上的消音箱中，通过消音箱顶部经过隔声处理的过线孔引出，连接至采集卡与计算机[7]。

图1 光纤水听器等效噪声压测试系统示意图

环境监测系统的硬件组成框图如图2所示，主控计算机通过控制低噪声数据采集模块对声学传感器所接收到的信号进行采集，并对采集到的噪声信号进行实时处理分析。

图2 测量系统构成

2.2 测量系统软件

系统测试软件采用LabVIEW平台，借助它的直观的图形化编程环境和数据流方法降低了系统的开发时间，提供了更为直观的用户体验。在单一的开发环境中实现测试仪器的自动化，从而节省时间和成本。

测量系统软件是测量系统的主要组成部分，系统通过它实现了对信号采集的控制、处理、存取及输出等功能。在使用中，先对采集噪声信号的采样率、采样时间、传感器灵敏度等参数进行设置，实现对采集模块、传感器等的控制；对采集得到的噪声信号进行分析，实现对噪声信号的频谱分析与能量分析，完成对环境噪声的实时监测。测试软件系统框图如图3所示。首先对测量系统初始化，包括数据初始化，设备初始化；然后对参数进行设置，主要包括采样频率、采样时间、平均次数等，然后设置采集通道，发送命令进行采集，然后通过计算分析模块对采集到的数据进行处理，最后通过显示控件和存储控件完成结果的显示和存储。

图3 软件系统图

3 实验

为了准确测量光纤水听器的等效噪声压，分析环境噪声的影响，我们利用该测量系统对光纤水听器等效噪声压测量时的环境噪声进行了实时的监测试验研究。试验中利用系统的低噪声采集模块对消声箱内的被测光纤水听器与监测传声器及消声箱外的环境监测传声器的接收信号进行测量。采样率10 kHz，采样时间1 s，每隔3 min采样计算一次，共监测了48 h的环境噪声数据。为了比较测试过程中环境噪声的稳定性，分别选取1 000 Hz以及2 000 Hz的数据进行了分析，图4中为1 000 Hz分析结果，图5为2 000 Hz分析结果。

图4 噪声测试结果1 000 Hz

图5 噪声测试结果2 000 Hz

从图4和图5中可以看出，在夜间的测得的结果要比白天得到的结果小，两天的数据并不完全重复，这些都与实际情况相符合。2 000 Hz数据要比1 000 Hz数据起伏小，这是因为消音箱以及隔振台对频率较高部分的噪声有更好的隔离作用。同时也说明了等效噪声压的测量结果随环境噪声的变化在频率较低的部分是比较明显的。从试验结果中也可以发现，当前的实验室条件下1 000 Hz处的等效噪声随环境变化明显。因此，在进行光纤水听器等效噪声测试时应该对环境噪声带来的影响采取适当的控制手段。同时，也可以通过对环境噪声的监测结果对光纤水听器的等效噪声压的测试结果进行修正，提高它的测量结果的准确性。