基于虚拟仪器技术的噪声计设计*

陈永辉，苏 力，冯 靖，丁 恒

(西安航空学院电子工程学院,陕西 西安710077)

0 引言

近年来，随着人们对环境污染的不断重视，噪声污染也逐渐进入人们的视野，被人们重视起来。而噪声是人们在当前的状态下不需要的一种声音，是一种感官污染。其本质与声音一样，都是通过振动介质传递，是一种声波。当声波振动频率处于20～20000 Hz时，人耳中的耳鼓膜可以感受到这种振动，并产生一种感官刺激被大脑接受并分辨出来，这就是人体接受到声音信号的方式。广义上来说，对于人们所不需要的声音，都属于噪声。而噪声作为一种引起人烦躁与不适而影响人们健康的声音分布广泛，是一种公共危害。虽然噪声的传播范围有限，且噪声会随着传播中能量的衰减，不累积、不留痕，当声源停止振动，噪声也随之消失。但噪声对人产生的危害与损失是有累积性的。人体短时间突然接受音量较大噪声信号时，可能会导致人耳听力下降、对声音敏感度降低、暂时性听觉失效甚至耳聋等听觉疾病。而当人体处于嘈杂而时间较长的噪声中时，可能引起神经衰弱、焦虑、抑郁等神经疾病[1]。

作为噪声治理的第一步，噪声检测是非常重要的一环。由于噪声污染是一种感官污染，无影无形，并不能被人们直接检测到。因此，在噪声检测中，我们必须将声能转换为可见的信号，将其大小用具体数值显示出来，而这个数值的大小，就是声音是否为噪声的重要依据。又因为对于不同时间段及不同区域的人们来说，噪声的界定并不完全统一，因此我们需要根据现有的标准进行判断。

对于噪声的音量判定，是根据国际标准化组织给出的推荐值。在人体处于睡眠状态时，超过30 dB的声音就可以被称作噪声。当环境噪声为70 dB时，人们之间的交流就会受到极大的干扰，导致对话难以听清。而当人体在85 dB的环境中工作30年时，有8%的可能性会导致耳聋；当人体在90 dB的环境中工作30年时，有18%的可能性会导致耳聋[2]。

1 设计思路

本文所述的噪声检测系统主要由检测、转换、处理三部分组成。其中检测与转换部分由硬件部分来实现，处理部分由软件系统来完成。

检测部分采用驻极体电容式声音传感器来实现对于外界声源的实时检测。其可以检测到外界环境声源发出的声波信号，并通过内置的电容式驻极体话筒将之转换为一组随外界声源变化的电信号，借此可以实现对外界声音到电信号的实时转换，是噪声检测系统的核心组成部分。

驻极体电容式声音传感器的检测核心为内置的驻极体话筒。该驻极体话筒内部具有一个极薄的塑料膜片。当膜片感受到声波时，会随声波一起振动，来带动电容的变化，就可以实现对声波到电信号的转换。其工作参数为：

工作电压：4.5 V～5.5 V；

模拟输出电压：5 V；

工作电流：260 uA；

频率范围：100 Hz～10000 Hz；

转换部分采用NI USB-6001数据采集卡与调制电路来实现对电信号到数字信号的一步步转换。将环境声源发出的声音信号通过声音传感器转换为电信号，并通过调制电路进一步转换为模拟信号，最终使用采集卡转换为可以被计算机识别的数字信号，并被计算机接收。

调制电路采用整流滤波电路，能够对电信号进行放大、整流、滤波，来实现稳定微弱电信号并放大的目的，并将输出的信号转为模拟信号，最后通过连接将模拟信号输送进NI USB-6001数据采集卡中。

噪声处理部分主要是利用LabVIEW软件，进行编程来完成。主要功能包括：采集卡驱动程序的编写，数据处理程序的编写，处理结果的显示与报警。

系统原理框图如图1。

图1 系统框图

2 软件的设计

根据上述功能的需要，LabVIEW软件用户界面中，需适当放置分贝波形图显示模块，噪声报警模块和历史数据存储模块[3]。

分贝的波形图显示模块主要分为分贝的实时数值显示与波形图的显示，两者都是对于环境声音的分贝值的实时显示。通过数值显示控件与波形图控件，可以将检测到的环境声音依照时间以波形与数值的方式显示出来，波形显示相较于数值显示更加直观，更易看出各个波峰的变化情况，对噪声检测来说，可以直观地观察到噪声的出现与否。

噪声报警模块通过分贝值比较的形式，设定好噪声判定分贝后，可以对比检测到的环境实时分贝值的大小对比，当环境声实时分贝大于等于设定的噪声判定分贝后，报警灯亮。噪声判定分贝的输入使用数值控件中的数值输入控件，可以自由调整噪声判定分贝，以根据环境区域及时间自由调整噪声判定分贝。报警灯使用布尔控件中的原型指示灯控件，可根据环境实时分贝值与噪声判定分贝的大小比值来判断噪声并激活，实现报警的目的。

图2 噪声报警及波形图显示

历史数据储存模块通过计算后的分贝值与时间直接记录，在设置好时间间隔频率后，将之按照时间顺序依次写入二维数组控件内。通过数组的写入形式储存历史数据。

后面板在设计时需要连接用户界面中的各控件，还需要根据预期目标对各模块之间进行连接。并对分贝计算、采集卡信号调用等模块在后面板进行设计。

噪声检测系统中，首先需要将NI USB-6001数据采集卡中的数据调用到LabVIEW软件中。在安装好NI USB-6001数据采集卡驱动程序后，将采集卡设备通过Express面板中的DAQ助手完成采集通道的设置，进行数据采集，将输入电压值的数字信号导入到LabVIEW软件中来[4]。

在电压值导入到LabVIEW软件后，可通过公式(1)将电压值换算为分贝值。

(1)

根据传感器中的配置参数，输入电压Ui为5 V，电阻值不变。

则，将上述公式进行转换可得：

(2)

根据式(2)，可以根据数字信号实时输出的电压值计算出实时分贝值。

由于NI USB-6001数据采集卡输入的数字信号为一个8位的动态数据，因此，在进行下一步数据处理时，需要使用从动态数据转换按钮，将数据转换为浮点整数进行计算，之后将数据按照公式与输入电压相除，再通过对数函数后乘以10就可以得到一个分贝值的浮点数据[5]。因此，后置面板中分贝值计算模块的连接方式如图3。

图3 分贝值计算程序图

噪声判定与报警模块需要与实时分贝相比较。当实时分贝值大于或等于噪声判断分贝值时，可以判定出现噪声。因此，本次使用比较面板中的大于小于符号，来对噪声出现与否进行判断，并通过大于小于符号输出的布尔量来对噪声报警灯进行激活与显示[6]。因此，后置面板中应采取噪声判断与报警模块应当与显示模块相连的方式如图4。

图4 噪声判断与报警模块

历史数据存储模块需要对数据进行实时保存，当实时数字信号换算为实时分贝值时，就需要进行及时保存。而在实时分贝值保存时，需要对时间变量进行一定的间隔，采用数字至小数字符串转换，将之改为一组数值。最后通过if结构的判断并创建数组将之保存进数组进行显示。因此，后置面板中历史数据存储模块的连接方式如图5 。

图5 历史数据存储模块

将各部分模块设计好之后需要对各模块之间进行连接。而在连接时，由于计算机的采样时间过低，频率较快，因此，我们为了更加直观地显示出噪声数据的判断，需要将整体程序进行循环，并添加延时程序。且在各个模块之间需要注意各类型数据之间的转换。因此，设计整体需采用一个While循环来实现数据的连续采集，循环过程中使用一个100 ms的延时装置设置数据采集的频率，并适当添加动态转换按钮。

综上，其最终程序设计图如图6。

图6 系统程序设计图

3 结语

本次设计是基于虚拟仪器技术的噪声计设计，是一次针对噪声检测系统的数字化设计方案。该方案可以很好地解决人们日常生活以及生产工作中对外界环境噪声的检测，并能够完成长期在线监测，完成监测数据的大量存储；能够做到有效判定噪声的出现以及针对噪声做出及时的预防及处理。