专利名称：全数字实时噪声测量分析方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全数字实时噪声测量分析方法及其系统。
背景技术：
噪声，又称无调声，是使人们听起来有不舒服的嘈杂感觉而且妨害人们正 常生活和工作的声音。从物理学观点看，是不同频率和不同强度声音的无规律 杂乱组合。从生理学观点讲，凡是使人们讨厌的、烦躁的和不需要的声音都叫 噪声。因而噪声有时不只单独由物理量所能定义的，还与人们的心理和生理状 态有关。根据发生噪声的性质可以分为交通噪声、工业噪声、建筑施工噪声、 生活噪声等各类噪声源。噪声污染影响人们的正常工作、休息和身心健康，已 经成为当代环境的主要污染源之一，与空气污染、水污染一起被公认为当代世 界三大公害。
控制噪声首先就要测量分析噪声。在机械工程领域，噪声测量的任务主要 是测定噪声的强烈强度、分析噪声的结构和特性、查找噪声源等。噪声分析 仪就是基于此目的提出的，通过对噪声信号的采集、测量和分析来达到研究噪 声的目的。目前应用最为广泛的噪声分析仪以声级计居多，而早期的声级计多 采用单片机为微控制器，处理速度慢、内存小、精度低，显示像素少，无法达 到实时测量的要求，而且产品功耗高，体积大，也不方便随身携带。随着数字 信号处理技术和半导体工艺的不断发展，功耗低、处理速度快的嵌入式处理器 日益涌现，嵌入式实时操作系统的广泛应用为噪声测量仪实时化、小型化、低 功耗、高处理能力等性能的实现打下了基础。
在国外，实时噪声测量产品应经被广泛应用，像德国(HeadAcoustics公司、 RacalHeim公司、DataKustics公司)、丹麦(GRAS公司)、挪威(Norsonic公司)、
日本等国家的一些公司能生产具有实时功能的全数字便携式噪声分析仪。如 Pulsar 30型声级计，由英国帕尔莎公司设计生产，具有积分、统计、频谱分析 功能为一体的实时分析仪器，其中增加了 1/3倍频程的实时分析。
而国内噪声控制技术研究起步比较晚，与发达国家相比差距较大，特别在 计算机技术对噪声测量和产品优化设计方面比较薄弱。但近20年来发展比较快，
从事噪声分析仪器生产的公司引进国外先进的技术，并根据需要自主研发，生 产出一系列新的噪声分析产品。 一些国内企业纷纷推出了具有国际领先水平的实时噪声分析仪，打破了外国在这类产品的市场垄断。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全数字实时噪声测量分析方法及其系统，是对 现有的噪声分析设备进行分析改进，设计一款便携式具有多种功能的噪声测量 分析仪。
本发明解决其技术问题釆用的技术方案是
1、 一种全数字实时噪声测量分析方法
由噪声采集系统完成对噪声的采集、预处理和与PDA的USB通信，再经 过USB传送至PDA进行噪声测量与分析，并能显示时域波形、频域波形，提 供系统设置；用户能选择噪声采集系统的采样频率，采样时间；能选择频率计 权的L线性、A和C方式；能选择时间计权的时间平均、快档和慢档；图形显 示模式中用户根据需要选择信号的频域分析方法并显示出相应的频谱图，其中 包括FFT频谱分析、倍频程频谱分析和1/3倍频程频谱分析功能，实现对实时 噪声的测量和分析。
2、 一种全数字实时噪声测量分析系统
在所述的噪声测量分析系统中装有噪声测量分析软件的PDA，装有噪声测 量分析软件PDA的噪声测量分析系统与噪声采集系统通过USB 口连接。
所述的噪声采集系统是由噪声传声器采集的噪声信号，并将噪声信号转换 成电信号，经运算放大器放大后，由A/D转换器进行模数转换，在微控制器的 控制下经USB 口与装有噪声测量分析软件PDA的噪声测量分析系统连接。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是
1) 技术上采用计算机数字化处理技术与采用模拟技术实现噪声测量与分析 相比，大大简化了硬件设计、縮小了体积、减少了功耗，携带方便。
2) 方法上采用了计算机全数字处理技术，噪声测量分析全部采用软件完成， 拓展功能、升级系统方便。PDA显示屏为彩色VGA显示器，最大显示分辨率达 640x480，真彩显示，噪声分析图谱显示逼真、效果好。
3) 采用分体式设计，系统软硬件升级方便、成本低、可扩展性好，可适用于 不同用户的不同需求。
本发明利用PDA计算机系统实现低成本、高质量、全数字实时噪声信号测
量与分析，形成一套便携式多种功能的实时噪声测量分析仪。
图1是本发明系统结构原理框图。
4图2是噪声信号采集系统结构原理框图。 图3是本发明系统结构电路图。
图4是噪声信号测量与分析部分，外观是PDA，安装PDA-运行噪声检测分 析系统软件。
图5是噪声信号采集系统， 一端安装噪声传声器、另一端安装USB口。 图6是本发明系统构成图(总尺寸在21x7x2cmS以内)。
具体实施例方式
如图1所示，本发明的噪声测量分析系统中装有噪声测量分析软件的PDA， 装有噪声测量分析软件PDA的噪声测量分析系统与噪声采集系统通过USB 口 连接。
如图2所示，本发明的噪声采集系统是由噪声传声器采集的噪声信号，并 将噪声信号转换成电信号，经运算放大器放大后，由A/D转换器进行模数转换， 在微控制器的控制下经USB 口与装有噪声测量分析软件PDA的噪声测量分析 系统连接。
本发明系统工作原理如下
PDA上的噪声测量分析系统发送命令，通过usb传送给噪声采集系统，然 后噪声采集系统按照命令采集数据，再通过usb传送给PDA上的噪声测量分析 系统，噪声测量分析系统接受到数据后，进行数据处理，然后显示频谱图，倍 频程，1/3倍频程等图。
上位机PDA上的噪声测量分析系统，如图4所示，图中l是PDA-运行 噪声检测分析系统软件，下位机噪声测量分析系统，如图5所示，图中2是托 板，3是噪声传声器位置，4是噪声信号的采集、预处理和实时USB通信系统， 噪声采集系统的USB 口和托板(如图5所示)作为二者的连接固定，全数字实时 噪声测量系统，如图6所示。
噪声测量分析系统的算法中频谱图的计算通过基尔傅里叶变换得到，倍频 程同样是噪声处理的通用算法，而由于硬件的要求，在计算1/3倍频程时，使 用了多抽样算法，
噪声传声器(也称Microphone、麦克风)采集噪声信号，并将噪声信号转换 成电信号，经运算放大器放大后，由A/D转换器进行模数转换，在微控制器 (MCP，相当于单片机)的控制下将数字化的噪声信号发送给噪声测量分析系统； 噪声测量分析系统由软件全数字进行噪声的时域波形、频域波形显示；声学测 量；声级测量频率计权(A， C， Z);时间计权(F(快)，S(慢)，I(脉冲))；频谱分析(FFT分析、倍频程分析和1/3倍频程分析)。微控制器还起到控制噪声采样 频率和管理噪声采集系统的作用。 噪声分析仪系统设计指标
本发明设计的噪声分析仪满足国际标准IEC61673-2002 I级声级计要求
测量声级范围25dB 100dB(以20pPa为参考0dB);
声压级35dB 100dB;
加速度0.01m/s2~200m/s2;
声学测量频率范围10Hz 20kHz;
声级测量频率计权A， C, Z;
时间计权F(快)，S(慢)，I(脉冲)；
频谱分析
(1) FFT分析谱线数目8192、 16364可选;
(2) 倍频程分析滤波器中心频率31.5Hz 16kHz;
(3) 1/3倍频程分析滤波器中心频率25Hz ~ 20kHz;
噪声信号采集卡是噪声测量分析系统的前端设备，负责噪声信号的采集和
预处理，在设计中采集卡做到
功耗低为开发成便携式产品，系统采用了低功耗16位单片机控制噪声信 号的采集及传送，在相关外围芯片的选择上也以功耗低，体积小为原则。
动态范围宽系统中使用16位模数转换芯片对电声信号进行采集，其动态
范围达到96dB，可以根据需求采用更高分辨率的模数转换芯片。
传输速率高系统要对高达20kHz的声音信号进行采样，根据乃奎斯特定 律采样率必须大于40kHz，则每秒采样至少80kB数据，要将这些数据实时地 传输给上位机，传输速度也必须达到80kB/s， USB1.1协议中数据传输速度达到 12Mb/s，而其后的USB2.0速度增加到480Mb/s，充分满足了系统的传输要求。 名词解释
PDA是Personal Digital Assistant的縮写，字面意思是"个人数字助理"。PDA 所使用的操作系统主要有Palm OS、 Windows CE、 Windows Mobile和EPOC等。 狭义的PDA指可以称作电子记事本，其功能较为单一；广义的PDA主要指掌 上计算机。本项发明中的PDA指采用Windows CE、 Windows Mobile等操作系 统的掌上计算机。
权利要求
1、一种全数字实时噪声测量分析方法，其特征在于由噪声采集系统完成对噪声的采集、预处理和与PDA的USB通信，再经过USB传送至PDA进行噪声测量与分析，并能显示时域波形、频域波形，提供系统设置；用户能选择噪声采集系统的采样频率，采样时间；能选择频率计权的L线性、A和C方式；能选择时间计权的时间平均、快档和慢档；图形显示模式中用户根据需要选择信号的频域分析方法并显示出相应的频谱图，其中包括FFT频谱分析、倍频程频谱分析和1/3倍频程频谱分析功能，实现对实时噪声的测量和分析。
2、 一种实施权利要求1所述的一种全数字实时噪声测量分析方法的系统， 包括噪声测量分析系统，其特征在于在所述的噪声测量分析系统中装有噪声 测量分析软件的PDA,装有噪声测量分析软件PDA的噪声测量分析系统与噪 声采集系统通过USB 口连接。
3、 根据权利要求2所述的一种全数字实时噪声测量分析方法的系统，其特 征在于所述的噪声采集系统是由噪声传声器采集的噪声信号，并将噪声信号 转换成电信号，经运算放大器放大后，由A/D转换器进行模数转换，在微控制 器的控制下经USB口与装有噪声测量分析软件PDA的噪声测量分析系统连接。
全文摘要
本发明公开了一种全数字实时噪声测量分析方法及其系统。装有噪声测量分析软件PDA的噪声测量分析系统与噪声采集系统通过USB口连接。实现了频率计权、时间计权、倍频程和1/3倍频程处理的数字化。并可显示时域波形、频域波形，提供系统设置，用户可以选择，噪声采集系统的采样频率，采样时间设置，选择频率计权的L线性、A和C方式，选择时间计权的时间平均、快档和慢档。图形显示模式中用户根据需要选择信号的频域分析方法并显示出相应的频谱图，其中包括FFT频谱分析，倍频程频谱分析和1/3倍频程频谱分析等功能，实现对实时噪声的测量和分析。本发明利用PDA计算机系统实现低成本、高质量、全数字实时噪声信号测量与分析。
文档编号G01R29/26GK101539602SQ20091009779
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月23日 优先权日2009年4月23日
发明者张瑞林, 微 李, 李锋良, 林志锋, 樊冬毅, 许锦亮, 陈永强 申请人:浙江理工大学