一種低成本噪聲計(jì)設(shè)計(jì)

    噪聲污染和氣體污染、固體物質(zhì)污染已稱為當(dāng)今世界三大污染。過高的噪聲會(huì)損害人們的健康，如產(chǎn)生神經(jīng)衰弱、神經(jīng)質(zhì)等。噪聲監(jiān)測(cè)是提高人類生活水平的重要途徑。人耳的聽閾一般是20μPa，痛閾一般為200 Pa，其間相差107倍，這樣寬廣的聲壓范圍不易測(cè)量，而且人耳對(duì)聲壓相對(duì)變化的分辨具有非線性特征，通常采用40方等響曲線的反曲線對(duì)聲壓級(jí)進(jìn)行計(jì)權(quán)校正，即用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測(cè)A聲級(jí)，它的單位是dB。目前，國外公司一直占據(jù)國內(nèi)高精度噪聲計(jì)市場(chǎng)，它的價(jià)格普遍偏高，嚴(yán)重制約了噪聲計(jì)的廣泛使用。然而，用于日常生活的環(huán)境噪聲測(cè)量設(shè)備并不需要復(fù)雜和十分精確的測(cè)量儀器，因此設(shè)計(jì)一種低成本、便攜式、可滿足日常生活使用的噪聲計(jì)十分重要。

1 電路設(shè)計(jì)
    聲學(xué)中常用聲壓級(jí)Lp來反映聲壓的變化，將聲壓P的聲壓級(jí)表示為：
    LP=20lg(P／P0)
    式中：基準(zhǔn)量P0單位為μPa，當(dāng)P=P0時(shí)，Lp=0 dB；
    當(dāng)P=107P0時(shí)，LP=140 dB。
    系統(tǒng)原理圖如圖1所示，在信號(hào)采集和放大電路中采用了駐極體傳聲器，并采用反相放大器將信號(hào)放大到適宜處理的范圍；通過A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)很好地滿足人耳對(duì)不同頻率聲音的敏感性；AD536芯片很容易得到有效值及其相對(duì)應(yīng)的分貝值，避免采用單片機(jī)進(jìn)行大運(yùn)算量的對(duì)數(shù)處理，提高了反應(yīng)速度；調(diào)整電路可以確定所需的不同測(cè)量零點(diǎn)；最后用數(shù)碼管對(duì)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，具有快慢顯示功能。

1．1 噪聲信號(hào)的采集及放大電路實(shí)現(xiàn)
    駐極體話筒采用源極接地，漏極輸出的方法連接，動(dòng)態(tài)范圍寬，靈敏度高。在VCC=9 V的電壓驅(qū)動(dòng)下，動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到一2～+2V。經(jīng)過調(diào)試，當(dāng)話筒電壓V1=VCC／2時(shí)，話筒靈敏度達(dá)到最大。在本電路中取漏極負(fù)載電阻R1=20 kΩ，電路圖如圖2所示。傳感器將噪聲信號(hào)變換為電信號(hào)后，繼續(xù)將其放大。放大電路采用帶寬大于2 MHz的運(yùn)算放大器。

    電路參數(shù)：R2=20 kΩ，R3=51 kΩ，C=0．22μF；
    增益：A=R3／R2=2．55；
    輸出電壓幅值大致范圍：0～5 V。
1．2 濾波電路方案實(shí)現(xiàn)
    根據(jù)人耳列不同頻率的響度感覺，在噪聲測(cè)量中，常用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測(cè)得A聲級(jí)。表1給出倍頻帶中心頻率與A聲級(jí)校正量之問的關(guān)系。
    計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)由無源高通濾波和有源低通濾波兩部分構(gòu)成，精心計(jì)算和調(diào)試相關(guān)外圍元件參數(shù)，使其幅頻特性與A計(jì)權(quán)曲線相近，電路圖如圖3所示。

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    高通濾波器相應(yīng)參數(shù)計(jì)算如下：
    取C1=10μF，利用等式求得后級(jí)電阻R2=100Ω，前級(jí)電阻取R1=100 kΩ，以便得到較高的輸入阻抗。
    二階巴特沃斯有源濾波電路的相應(yīng)參數(shù)計(jì)算如下：
    (1)選擇電容C2的容量，計(jì)算電阻R3，R4的阻值通常電容C2，C3宜在微法數(shù)量級(jí)以下，電阻R3，R4的值一般約在幾百千歐以內(nèi)。
    設(shè)定C2=C3=C=1 000 pF，故有：

       考慮到-3dB的截止角頻率ωH=ωn，則：

    
    令：S=s/ωH，依據(jù)巴特沃斯多項(xiàng)式中n=2的情況

    考慮到則得到：

    
    (2)求R5，R6的阻值
    考慮到運(yùn)放兩輸入端的外接電阻必須滿足平衡條件，即R5||R5=R3+R4=16kΩ，故求出R5=25kΩ，R6=43kΩ。
    由于濾波器性能對(duì)元件的誤差比較靈敏，在電路中應(yīng)選用穩(wěn)定而精密的電阻器和電容器。
1．3 有效值及對(duì)數(shù)電路方案實(shí)現(xiàn)
    有效值電路采用真有效值／直流轉(zhuǎn)換器AD536A。AD536A的性能與混合或模數(shù)器件相當(dāng)，甚至更優(yōu)，但其價(jià)格卻低得多，而且它的連接非常簡單。只需一個(gè)外接電容來設(shè)置平均時(shí)間常數(shù)即可，在這里取輸入時(shí)間為O．25s，當(dāng)CAV與信號(hào)的輸入電阻形成的低通濾波器時(shí)問常數(shù)大于信號(hào)的周期時(shí)，就能很好地求出有效值和對(duì)數(shù)值。
    對(duì)數(shù)輸出由5端引出，該點(diǎn)的電壓與一logVin成正比?？捎蒙錁O跟隨器緩沖并可以用外部調(diào)整電路平移該電壓，電壓調(diào)整電路由穩(wěn)壓芯片AA580構(gòu)成。緩沖器的輸出端級(jí)聯(lián)一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的放大器，用以改變步長。
1．4 調(diào)整及顯示電路方案實(shí)現(xiàn)
1．4．1 調(diào)整電路
    有效值及對(duì)數(shù)電路的輸出電壓與-log Vin成正比，通過緩沖器的步長調(diào)整，可以得到等式Lp=20lg(P/P0)=201g P-20lg P0右邊的第一項(xiàng)，在設(shè)計(jì)中要設(shè)定參考電壓，即0分貝值，只需改變等式右邊的第二項(xiàng)，所以在對(duì)數(shù)電路后加入了一級(jí)基于減法電路的補(bǔ)償電路，可以用來調(diào)零。同時(shí)，還可以通過調(diào)整補(bǔ)償電壓，設(shè)立相對(duì)參考零點(diǎn)，用來測(cè)量分貝變化的相對(duì)值，通過改變基準(zhǔn)電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)了輸入顯示電路的表示分貝值的電壓信號(hào)的調(diào)節(jié)。
    具體推導(dǎo)公式如下：

        故解得，Vout=Vin-Va，而Vin是表示分貝值的電壓信號(hào)，通過改變電位器RX的大小來調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓Va的大小，從而實(shí)現(xiàn)了輸入顯示電路的表示分貝值的電壓信號(hào)Vout的調(diào)節(jié)。其中Va為R3的輸入電壓，Vb為運(yùn)放的反向輸入電壓，Vout為運(yùn)放的同向輸入電壓，Vin為輸入電壓，Vout為輸出電壓。

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1．4．2 保持電路
    為了持續(xù)顯示測(cè)量時(shí)間段內(nèi)的當(dāng)前最大分貝值，必須采用峰值檢波保持電路，如圖4所示。

    這里采用二極管電容檢波電路，電容取470μF，它的充電時(shí)間常數(shù)小，放電時(shí)間常數(shù)大，當(dāng)然在這里還可以利用運(yùn)放的高輸入電阻和低輸出電阻進(jìn)行的優(yōu)化。當(dāng)時(shí)間計(jì)權(quán)開關(guān)置于“慢”時(shí)，儀器可測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)的最大聲級(jí)值；置于“快”時(shí)，可以對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量。
1．4．3 顯示電路
    ICL7107芯片作為表頭驅(qū)動(dòng)，簡單經(jīng)濟(jì)，需要雙極性電源電壓驅(qū)動(dòng)，它包含位數(shù)字A／D轉(zhuǎn)換器，可直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，內(nèi)部設(shè)有參考電壓Vref、獨(dú)立模擬開關(guān)、邏輯控制、顯示驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)調(diào)零功能等。這里應(yīng)用它的A／D轉(zhuǎn)換功能和對(duì)LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)功能。它的顯示原理如下：

   
    式中：Vref由36端調(diào)整，它的動(dòng)態(tài)范圍為(一Vref，+Vref)。本設(shè)計(jì)中，取10位為最低位，這樣量程減小了10倍。
    本設(shè)計(jì)中所需要的一5 V電壓是利用7107芯片產(chǎn)生振蕩信號(hào)，再在其38腳上串接一個(gè)4069的反相器，然后將該信號(hào)通過2只4μF電容和2只1N4148二極管構(gòu)成倍壓整流電路輸出而得到的。

2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)
    噪聲計(jì)中最重要的是A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用無源高通濾波器和有源低通濾波器兩部分實(shí)現(xiàn)。利用II型無源高通濾波電路對(duì)輸入進(jìn)來低于1 kHz的電壓信號(hào)進(jìn)行衰減，以實(shí)現(xiàn)近似于A類計(jì)權(quán)的響應(yīng)。低通濾波電路將頻率高于20 kHz的信號(hào)濾除。采用的二階巴特沃斯有源濾波電路的幅頻響應(yīng)在通帶中具有最大平坦度。
    通過Workhench軟件對(duì)A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)仿真得到的幅頻曲線如圖5所示。由圖可知，它對(duì)100 Hz以下的信號(hào)有較大的衰減，這樣符合人耳對(duì)噪聲信號(hào)靈敏度的特點(diǎn)，同時(shí)也可濾除20 kHz以上的信號(hào)。

    測(cè)試濾波器的幅頻特性和A計(jì)權(quán)的要求比較如圖5所示。測(cè)試的輸入電壓為1V，以1kHz信號(hào)為基準(zhǔn)。

3 結(jié) 語
    人類對(duì)不同頻率聲音的敏感度不一樣，低頻段最差，大約3 kHz最好，所以噪聲測(cè)量不是測(cè)量真正的聲壓，而是經(jīng)過衰減處理的，常見的有A計(jì)權(quán)、B計(jì)權(quán)、C計(jì)權(quán)和D計(jì)權(quán)等，文中采用A計(jì)權(quán)。實(shí)際上一個(gè)噪聲計(jì)對(duì)不同響度段應(yīng)采用不同的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。