便携式吸声系数测量仪的设计

图 1 硬件系统结构框图
式中 : PA ( f )、 PB ( f) 分别为 A、 B 传声器的频 域输出信号 ; 频率 ; c 为声速。 当声波入射角度为 时 , 吸声材料的声压反射系数为 R= z cos - 1 z cos + 1
2
系统硬件主要由程控白噪声信号 发生电路、 声强探 头电路 和 DSP处理电路三部 分组成。程 控白 噪声 信号发 生电 路主要 发射时间可控、 带 宽可 调、 功率可 调的 白噪 声信 号。声强 探头
纳击穿时产生 散粒 噪 声 [ 3] , 再经 过一 系 列处 理得 文 中 加 入 CD4051。 CD 4051 是单 8 通道数字控制模拟电子开关 , 有 3 个二进制控制 输入端 A、B、 C和 I NH 输入 , 具 有低导 通阻抗 和很低的 截止漏 电流。幅值为 4 5~ 20 V 的数字信 号可控 制峰值 至 20 V 的模 拟信号。其 中 , 二 进制 控制 输入 端 A、B、 C 接 地 , 选通 通 道 0; I NH 连接到 DSP 的 X F 引脚 , 通 过控 制 X F 引脚 电平 的高 低就 可以控制白噪声发射的时间。
收稿日期 : 2010- 07 - 13
( 3)
实时调整放大倍数 , 采集数据 , FFT 及计算吸声系数等。 D SP处
22
Instrum ent T echnique and Senso r
O c t 2010
理模块是两路对称的模拟信号转换电路 , 在 DSP的 控制下将 长 线传输过来的模拟声压信号 , 经低通滤波 器、 程 控放大器、 模数 转换器 , 转换成数字声压信 号送入 DSP处理。 2. 1 程控白噪声信号发生电路 声音在空气中的传 播速度 为 340 m /s, 在短 时间内 可以 形 成多次反射。为 了 避免 多次 反 射干 扰 , 发 射时 间 必须 非 常 短 暂 , 并且可以利用 数字 信号控 制白 噪声 信号发 射时 间的 电路。 程控白噪声信号发生电路如图 2 所示。 白噪声信号发生器利用普通 双极性晶 体管 9014 发射结 齐
( 2)
电路是两路完全对称声电转换电路 , 将传声 器探头所在 声场的 声压信号转换成电 信号 , 通过 前置 放大器 带动 长线输 出 , 避免 仪器引起声场变化。 DSP 处理电路主 要完 成以 下功 能 : 控制 白噪 声发 射时 间 ,
在求得声压反射系数后 , 就可计算出材料的吸声系数 : = 1- |R |
[ 1]
首先 , 通过 FFT 把传声器 A 、 B 的时域信号 P A ( t)、 P B ( t)变换 为频域信号 PA ( f )、 P B (f ); 其次, 根据式 ( 1) 计算归一化声阻抗率; 最后 , 根据式 ( 2) 和式 ( 3) 计算斜入射吸声系数。从这个过程中可 以看出, 精确的 FFT 变换对于吸声系数的测量来说至关重要。 2 硬件设计 系统硬件结构如图 1 所示。
第 10 期
郝永德等 : 便携式吸声系数测量仪的设计
23
图 4
AD S7862 和 DSP 的连接图
式 ( 1) ~ 式 ( 3) 计算 出吸 声系数 , 最 后将测 量结 果通 过 HP I 接 口送给单片机。 DSP应用程序流程图如 图 5 所示。
的吸声系数结果 , 与上位机通信等。 4 结束语 文中根据双传声器法测 量基本原 理, 设计 了系统 的硬件 结 构和软件流程。经过实验验证, 程控白噪声 发生器能发射带宽、 功率、 时间均可调的白噪声信 号; DSP 处 理电路能实时调整 放大 倍数 , 双通道在 10 m s内同时采集 512点 , 精确地完成 FFT 变换。 参考文献 :
图 3 程控白噪声时域波形图
首先 , DSP 进行 初始 化 , 设置 10 m s 定 时中 断 , XF 置 高 电 平 , 停止发射白噪声信号 ; 然后 , XF 置低电平 发射白噪声 信号 , DSP开始采集数据 ; 直到发 生 10 m s 定时中 断 , X F 置高 电平 停 止发射白噪声信号 , 完 成数据 的采 集 , 从而达 到利 用数 字信 号 来控制白噪声信号发射的目的。 2. 2 处理器 DSP 和 ADS7862 之间的连接 双传声 器法 测量吸 声系 数需要 大量 复杂 计算 , 如 FFT、 计 算吸声系数 , 并且白噪声信 号的采样时间 很短暂 , 经过筛 选 , 系 统 D SP选用 TM S320VC5402。 TM S320VC5402 具有以 下主要 特 点 : 先进的多总线 结构 ; 多 处理单 元 ; 多级 流水 线结 构 ; 特殊 的 DSP指令 ; 单周期定点 指令执 行时 间为 10 ns 等。以上 这些 优
。 双传 声 器法。 该
文中采用近年来提 出 的一 种 新方 法
方法是通过两个声压传声器测量材 料的法向 阻抗率 , 而后计 算 斜入射吸声系数的一种方法 , 具有直观、 简单、 可在现 场中测 量 应用等优点 , 但是运 算比较 复杂。系统 利用 TM S320VC5402 的 高速运算能力和精确的快速傅 里叶变 换 FFT, 采用两 路完全 对 称的信号调理电路 , 实现系 统便携现场实时测量。 1 双传声器法测量吸声系数的基本 原理 假定传声器 A、 B 的间 距为 2d, 两传声 器 的连 线垂 直于 材 料 , 则归一化声阻抗率为 [ 2 ] z= j d c PB ( f ) + PA ( f ) PB ( f ) - PA ( f ) ( 1) 为角
[ 1] [ 2] 朱从云 , 黄其柏 . 基于特性阻抗的测量吸声系数 的一种新方法 . 机 械设计与制造 , 2008 ( 8) : 154 - 156 . LANOY E R. A pract ical dev ice to deter m ine the ref lect ion coeff icient of acou stic materials in-s itu based on a m icroflown and m icrophone sensor , ISMA, 2004 . [ 3] [ 4] 徐正红 , 赵 战略 . 限带 白噪 声信 号 发声 器 . 仪 表技 术 与传 感 器, 2001( 1) : 15- 16 . Texas I n strum ents . AD 7862 [ EB /OL ] . [ 2005 - 08 ] . http : / /www. bu rr -b row n . com. 作者简介: 郝永德 ( 1960 ) , 硕 士 , 教授 , 研究方 向为电 子技术 及应 用、 敏感材料与技术。 E-m ai: l ydh901 @ s ina. com
D esign of Protable Sound Absorption CoefficientM easuring Instrum ent
HAO Y ong -de , BU J ian - feng , WU Zhao - chun ( H uazhon g Un iversity of S cien ce and T echnology, W uhan 430074 , Ch ina) Abstrac t : Based on the pr inciples of two -m icrophone techn ique , a design o f a portab le absorption coeffic ient m easuring instru m en tw as proposed. Th is instrum ent , w ith TM S320VC5402 and AT89S52 as m icroch ip , si m u ltaneously acquired the sound pressure signal through t w o perfectly sy mm etrica l s igna l conditioning circu it and then transm itted them to DSP a fter the AD S7862 conve rsa tion . Then, DSP completed FFT to calculate the sound absorption coeffic ient and finally gave the m to the m icro co m puter d isp lay ing and co mmunicating w ith PC, to ach ieve the advantages o f the syste m portab le , h igh precision, in situ real ti m e m easure m ent and so on . K ey w ords : abso rption coeffic ient ; D SP; m icrocomputer ; ADS7862 0 引言 传统的吸声 系数 测 量方 法主 要 有驻 波 管 法和 混 响室 法。 驻波管法只能测量垂直入射吸声系 数 , 样 品的大小必 须与驻 波 管的大小完全相同 , 不 能测量 沙等 松散 的吸声 材料 , 并 且仪 器 比较笨重 , 不便于携带 ; 混响室法必须 在昂贵的 混响室中 测量 , 测量的结果可能大于 1, 不同的混 响室测 量的结 果有时 差别 很 大 , 不适于现场测量
2010 年 第 10 期
仪 表 技 术 与 传 感 器
Instrum ent T echnique and Senso r
2010 N o 10
便携式吸声系数测量仪的设计
郝永德 , 卜剑锋, 吴兆春
( 华中科技大学 , 湖北武汉 430074 )
摘要: 根据双传声器法的基本原理 , 设计一种便携式 吸声系数测量仪 。 该仪器以 TM S320VC5402 和 AT89S52 作为控 制 芯片, 通过两路完全对称的信号调理电路同时采集模拟声压 信号, 经 AD S7862 转换后送给 DSP . 然后 , DSP 完成傅里叶时 频 变换 FFT 并计算出吸声系数 。 最后, 交给单片机显示并与上位机通信。 系统具有便携 、 精度高 、 现场实时测量等优点 。 关键词 : 吸声系数 ; 数字信号处理器 ; 单片机 ; ADS7862 中图分类号 : T P216 文 献标识码 : A 文章编号 : 1002- 1841( 2010) 10- 0021- 03