CN101614584A - 一种基于数字信号处理的噪声测量***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字信号处理的噪声测量***及方法，其***包括依次连接的传声器、放大器、AD采样模块、数字信号处理器和单片机，传声器用于采集声音信号并将其转化为模拟的电压信号；所述放大器，用于降低电压信号阻抗，得到低阻抗电压信号；AD采样模块用于将低阻抗电压信号转换成数字信号；单片机用于获取声压级计算所需的计算参数，并向所述数字信号处理器发送中断信号；所述数字信号处理器，用于响应所述中断信号，根据所述计算参数，对所述数字信号进行声压级分析计算，得到声压级。本发明所提供的基于DSP的数字式噪声测量***及方法，其硬件连接简单、算法实现容易、动态范围大、测量精度高。

Description

一种基于数字信号处理的噪声测量***及方法

技术领域

本发明涉及一种数字式噪声测量***，尤其是涉及一种基于数字信号处理的噪声测量***及方法。

背景技术

传统的噪声测量***如图1所示，是采用模拟电路实现信号滤波、声压级算法以及计权网络，其运算速度慢、精度低、动态范围小、功耗大，而且功能单一。

近年来，随着微电子以及集成电路的快速发展，出现了一些数字式噪声测量***，其相比传统的噪声测量***运算速度、精度、动态范围都有所提高，但由于设计的噪声测量***的结构不同，例如，选用的处理器多为单片机等一些数字信号处理能力较差的处理器，而且AD采样模块的采样频率范围小，采样精度低等，并且在***中仍使用模拟的时间计权网络以及倍频程分析模块，在实现噪声测量时，算法复杂，动态范围小，所测量信号的频率范围也有所限制，而且精度很难满足要求。

因此，有必要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的上述缺点，提供了一种硬件连接简单、算法实现容易、动态范围大、测量精度高，而且可实现的功能丰富的基于DSP的数字式噪声测量***及方法。

本发明的技术方案是：

提供了一种基于数字信号处理的噪声测量***，其中，包括依次连接的传声器、放大器、AD采样模块、数字信号处理器和单片机，其中，

所述传声器，用于采集声音信号并将其转化为模拟的电压信号；

所述放大器，用于降低所述电压信号阻抗，得到低阻抗电压信号；

所述AD采样模块，用于将所述低阻抗电压信号转换成数字信号；

所述单片机，用于输入声压级计算所需的计算参数，并显示计算得到的声压级；

所述数字信号处理器，用于根据所述计算参数，对所述数字信号进行声压级分析计算，得到声压级，并将声压级发送至所述单片机显示。

本发明所述的噪声测量***，其中，所述AD采样模块设置于所述数字信号处理器内部；所述放大器包括前置放大器和程控放大器，其中，

所述前置放大器，用于对所述电压信号进行阻抗变换，将高阻抗电压信号变成低阻抗电压信号；

所述程控放大器，用于根据所述AD采样模块的满量程值调整所述低阻抗电压信号大小，并将处理后的信号发送给所述AD采样模块。

本发明所述的噪声测量***，其中，所述AD采样模块连接在所述数字信号处理器与所述放大器之间；所述放大器为前置放大器，用于对所述电压信号进行阻抗变换，将高阻抗电压信号变成低阻抗电压信号，并发送给所述AD采样模块。

本发明所述的噪声测量***，其中，所述数字信号处理器上连接有外部存储器，用于存储所述计算结果。

本发明所述的噪声测量***，其中，所述单片机上连接有键盘，用于输入所述数字信号处理器进行声压级计算分析所需要的计算参数，包括时间计权方式、测量时间或显示模式。

本发明所述的噪声测量***，其中，所述单片机与所述数字信号处理器之间连接有电平转换电路，并采用SCI协议进行通信。

一种基于数字信号处理的噪声测量方法，包括以下步骤：

A、获取声音信号，并将其转化为模拟的电压信号，降低所述电压信号阻抗，将得到的低阻抗电压信号转换成数字信号；

B、设置声压级计算分析所需要的计算参数，判断是否有中断请求，当有中断请求时，采样所述数字信号；

C、根据计算参数选择分析模式，对所述数字信号进行声压级分析计算，得到声压级。

本发明所述的噪声测量方法，其中，所述步骤C中，所述分析模式为FFT分析时，包括以下步骤：

C11、设定预定分析时间，并采样数字信号；

C12、对所述数字信号进行FFT变换，得到信号频谱、能量谱、单边功率谱，通过单边功率谱求出噪音信号的声压谱，根据计算声压级的公式计算出各频率点的声压级；

C13、计算各频率点的声压级值，并绘制声压级谱，通过分贝求和运算计算出总声压级。

本发明所述的噪声测量方法，其中，所述步骤C中，所述分析模式为倍频程分析时，包括以下步骤：

C21、采样数字信号；

C22、将所述数字信号循环通过预定频率的数字带通滤波器进行滤波；

C23、根据滤波结果，计算所有数字信号的带通滤波值的总平均值，并计算各频带声压级以及总声压级。

本发明所述的噪声测量方法，其中，当没有中断请求时，采样数字信号，计算得到瞬时声压级及等效声压级。

本发明通过采用DSP作为算法处理器，充分发挥了DSP强大的数字信号处理能力，不仅实现声压级的计算，同时实现倍频程分析、滤波处理、频率计权、时间计权等，省略了模拟计权网络，模拟滤波器件等模拟电路，使得仪器结构简单，功耗降低，同时固有噪声减小，更重要的是本发明的测量精度高，动态范围大。

附图说明

图1为现有技术中噪声测量***的结构示意图；

图2为本发明实施例的噪声测量***一的结构示意图；

图3为本发明实施例的噪声测量***二的结构示意图；

图4为本发明实施例的噪声测量方法总体流程图；

图5为本发明实施例的倍频程分析模块程序流程图；

图6为本发明实施例的FFT分析模块程序流程图；

图7为本发明实施例的时间计权实现过程图；

图8为本发明实施例的时间计权的等效电路图。

具体实施方式

以下结合附图，将对本发明的较佳实施例加以详细说明。

本发明实施例一提供的噪声测量***结构如图2所示，包括依次连接的传声器110、放大器、数字信号处理器(DSP)150和单片机180。其中，传声器110用于获取声音信号并将其转化为电压信号。可在数字信号处理器150上连接用于存储声压级计算结果的外部存储器160。AD采样模块140设置在数字信号处理器150内部，用于将模拟声音信号转换为数字信号。放大器可包括用于对声音信号进行阻抗变换的前置放大器120，和可适应AD采样模块的量程对声音信号进行放大缩小处理的程控放大器130。该方案的特点是利用DSP自带的AD采样模块以及***电路，实现信号的采集，并通过单片机与DSP连接实现键盘输入与液晶模块显示。

本实施例中，在单片机180上还可连接键盘170与具有图形化显示功能的液晶显示器190，键盘170以中断形式与单片机180连接，进行功能选择以及测量时间、测量模式设置等人机交互功能，同时所设置内容将在液晶显示器190上显示。

其中，通过键盘170可以输入的功能主要有计权方式(A、C、Z)选择、时间计权方式(F、S、I)选择、测量时间设定、选择显示模式、保存数据设置等，液晶显示器则配合键盘的要求进行显示。当键盘上有按键按下时，单片机根据被按下的按键判断出用户的需求，同时向DSP发中断请求，DSP响应中断，根据用户按键设置的需求进行测量计算，并将计算结果发送给单片机180，单片机180将结果显示在液晶显示器190上。当无按键按下时，默认算法为：以A计权方式测量瞬时声压级，进行10分钟的等效声压级测量，并将瞬时声压级、等效声压级、统计声压级、最大声压级、最小声压级显示在液晶显示器上。

其中测量计算过程如下：通过传声器110获取声音信号并将其转化为模拟的电压信号，接着前置放大器120对该电压信号进行阻抗变换，将高阻抗电压信号改变成低阻抗电压信号输出；然后将输出的高阻抗电压信号接入程控放大器130中，依据AD采样模块140的量程对该高阻抗电压信号进行放大缩小处理，输出接近AD采样模块满量程(如：3V)的电压信号；再将此电压信号送入数字信号处理器150的AD采样模块，将模拟电压信号转化为数字信号；再通过相应算法进行处理该数字信号，包括计算声压级，频率计权，时间计权以及对信号进行倍频程分析等；再将计算分析结果保存至外部存储器160中，同时依据设置所需显示的内容，将显示数据发送给单片机180，单片机180再将该显示数据发送至液晶显示器190进行显示。

本发明实施例二的噪声测量***结构如图3所示，由依次连接的传声器210、前置放大器220、AD采样模块240、数字信号处理器250和单片机280组成。其中传声器210用于获取声音信号，并将其转化为电压信号。可在数字信号处理器250上连接用于存储声压级计算结果的外部存储器260。与实施例一不同的是，本实施例中数字信号处理器外接一AD采样模块将模拟电压信号转换为数字信号；也因此省略了实施例一中的程控放大器，直接采用前置放大器220对声音信号进行阻抗变换，并将进行阻抗变换后的声音信号接入AD采样模块240进行模数转换。

与实施例一相同的是，实施例二在单片机280上还可连接键盘270和具有图形化显示功能的液晶显示器290，其中键盘270以中断形式与单片机连接，进行功能选择以及测量时间、测量模式设置等人机交互功能，同时所设置内容将在液晶显示器290上显示。

同样，键盘输入功能主要有计权方式(A、C、Z)选择，时间计权方式(F、S、I)选择，测量时间设定，选择显示模式，保存数据设置等，液晶显示器配合键盘的要求显示。有按键按下时，单片机根据按下的按键判断出用户需求，同时向DSP发中断请求，DSP响应中断，根据用户按键设置的需求进行测量计算，并将结果发送给单片机，单片机将结果显示在液晶显示器上。无按键按下时，优选采用默认值为A计权方式测量瞬时声压级，进行10分钟的等效声压级测量，并将瞬时声压级、等效声压级、统计声压级、最大声压级、最小声压级显示在液晶显示器上。

以下给出本发明的一种能实现更好声压级测量效果的具体应用方式：传声器可采用电容式传声器；前置放大器可安装在噪声测量***内部靠近电容式传感器的部位；DSP为浮点芯片或者其他32位的DSP；外部存储器可用可寻址空间为512K或其他型号的存储器；单片机可采用C51系列的单片机；DSP与单片机之间可接电平转换电路，以保证DSP与单片机进行稳定的通讯；液晶显示器可采用具有图形显示功能的液晶显示器。如果采用外接的AD采样模块，优选采用24位、上限量程最小值为10V的AD采样模块。

结合以上噪声测量***，本发明还提供了一种噪声测量方法，其总体流程图如图4所示，下面结合图4对该方法作具体分析。

S101、上电复位并初始化***；噪声测量***的传声器获取声音信号，并将其转化为模拟的电压信号，通过前置放大器降低电压信号阻抗，再通过AD采样模块将得到的低阻抗电压信号转换成数字信号；

S102、通过键盘设置声压级计算分析所需要的计算参数，数字信号处理器判断是否有中断请求，当有中断请求时，响应中断，采样数字信号；根据计算参数选择分析模式，对数字信号进行声压级分析计算，得到声压级，当没有中断请求时，采样数字信号，直接计算得到瞬时声压级及等效声压级。

其中对噪声信号的分析模式包括倍频程分析和FFT分析。

倍频程分析流程如图5所示，包括以下步骤：采样4096个数字信号数据；初始化倍频程分析结果存储区，将所有数字信号先通过20KHz的带通滤波器，计算4096个滤波结果的平方和，并进行线性平均；再按1/2抽取重组信号，将数字信号循环通过预定频率的数字带通滤波器进行滤波，进行求平方和及进行线性平均，依次包括6KHz的带通滤波器、2.5KHz的带通滤波器和10KHz的带通滤波器，将最后结果通过10KHz的低通滤波器后，计算各带通滤波器滤波后的总平均值，并计算各频带声压级以及总声压级；再对数字信号进行1/2抽取以进行下一轮的滤波。每次滤波计算结果均存储在倍频程分析结果存储区中，以备后续运算分析使用。可设定循环次数i＝10，当I≥10时，直到定时器溢出产生中断时，停止倍频程分析，利用保存在倍频程分析结果存储区中的数据计算出等效声压级，统计声压级。

FFT分析流程如图6所示为，以频率计权方式为A计权、测量时间设定为30分钟为例，FFT分析详细过程如下：

进入FFT工作模式，设定预定分析时间，令定时器定时30分钟并开始工作，首先采集4096个数据，进行FFT变换得到信号频谱、能量谱、单边功率谱，通过单边功率谱求出噪音信号的声压谱，然后由计算声压级的公式计算出各频率点的声压级。接着调用计算A计权的函数，得出各个频率点的计权修正值，分别与之前计算出的对应的声压级值进行求和运算，得到修正后的各频率点的声压级值，并绘制声压级谱，接着通过分贝求和运算计算出总声压级，将此数据保存在定义好的数组中，一直如此循环，直到定时器溢出产生中断时，停止FFT分析，利用保存在数组中的数据计算出等效声压级，统计声压级。

通过这两种分析模式不仅计算出噪声信号的声压级大小，而且分析了信号的频率成分以及各频率处的分布。这些都可通过软件编写算法实现的，且采用模块化的设计方法，功能丰富且方便扩展。

同时在计算声压级的过程中涉及频率计权修正以及时间计权的积分运算。频率计权通过软件编写C语言的算法函数计算出在各个频率处的计权修正值。

时间计权将积分电路等效为一个RC串联电路，如图8所示，以此电路模型推出差分方程，通过软件编写实现此差分方程，通过改变RC值改变积分时间常数实现不同时间计权，实现过程如图7所示。

本发明通过采用DSP作为算法处理器，充分发挥了DSP强大的数字信号处理能力，不仅实现声压级的计算，同时实现倍频程分析、滤波处理、频率计权、时间计权等，省略了模拟计权网络，模拟滤波器件等模拟电路，使得仪器结构简单，功耗降低，同时固有噪声减小，更重要的是本发明的测量精度高，动态范围大。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1、一种基于数字信号处理的噪声测量***，其特征在于，包括依次连接的传声器、放大器、AD采样模块、数字信号处理器和单片机，其中，

所述传声器，用于采集声音信号并将其转化为模拟的电压信号；

所述放大器，用于降低所述电压信号阻抗，得到低阻抗电压信号；所述AD采样模块，用于将所述低阻抗电压信号转换成数字信号；

所述单片机，用于获取声压级计算所需的计算参数，并向所述数字信号处理器发送中断信号；

所述数字信号处理器，用于响应所述中断信号，根据所述计算参数，对所述数字信号进行声压级分析计算，得到声压级。

2、如权利要求1所述的噪声测量***，其特征在于，所述AD采样模块设置于所述数字信号处理器内部；所述放大器包括前置放大器和程控放大器，其中，

所述前置放大器，用于对所述电压信号进行阻抗变换，将高阻抗电压信号变成低阻抗电压信号；

所述程控放大器，用于根据所述AD采样模块的满量程值调整所述低阻抗电压信号大小，并将处理后的信号发送给所述AD采样模块。

3、如权利要求1所述的噪声测量***，其特征在于，所述AD采样模块连接在所述数字信号处理器与所述放大器之间；所述放大器为前置放大器，用于对所述电压信号进行阻抗变换，将高阻抗电压信号变成低阻抗电压信号，并发送给所述AD采样模块。

4、如权利要求1所述的噪声测量***，其特征在于，所述数字信号处理器上连接有外部存储器，用于存储所述计算结果。

5、如权利要求1所述的噪声测量***，其特征在于，所述单片机上连接有键盘，用于输入所述数字信号处理器进行声压级计算分析所需要的计算参数，包括时间计权方式、测量时间或显示模式。

6、如权利要求1所述的噪声测量***，其特征在于，所述单片机与所述数字信号处理器之间连接有电平转换电路，并采用SCI协议进行通信。

7、一种基于数字信号处理的噪声测量方法，包括以下步骤：

A、获取声音信号，并将其转化为数字信号；

B、设置声压级计算分析所需要的计算参数，判断是否有中断请求；

C、当有中断请求时，采样所述数字信号，根据计算参数选择分析模式，对所述数字信号进行声压级分析计算，得到声压级。

8、如权利要求7所述的噪声测量方法，其特征在于，所述步骤C中，所述分析模式为FFT分析时，包括以下步骤：

C11、设定预定分析时间，并采样数字信号；

C12、对所述数字信号进行FFT变换，得到信号频谱、能量谱、单边功率谱，通过单边功率谱求出噪音信号的声压谱，根据计算声压级的公式计算出各频率点的声压级；

C13、计算各频率点的声压级值，并绘制声压级谱，通过分贝求和运算计算出总声压级。

9、如权利要求7所述的噪声测量方法，其特征在于，所述步骤C中，所述分析模式为倍频程分析时，包括以下步骤：

C21、采样数字信号；

C22、将所述数字信号循环通过预定频率的数字带通滤波器进行滤波；

C23、根据滤波结果，计算所有数字信号的带通滤波值的总平均值，并计算各频带声压级以及总声压级。

10、如权利要求7所述的噪声测量方法，其特征在于，当没有中断请求时，采样数字信号，计算得到瞬时声压级及等效声压级。

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