CN101922964A - 一种可辨别噪声来源方向的环境噪声监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可辨别噪声来源方向的环境噪声监测装置和方法，其特征是以四个性能参数一致的传声器，即传声器A、传声器B、传声器C和传声器D构成环境噪声监测系统的噪声测量前端；四个传声器按正六面体的形式布置在正六面体的相邻的四个顶点上，其中以传声器A为原点，从传声器A到传声器B、传声器C、传声器D的距离均为正六面体的边长d，以传声器A与传声器B的连线为X轴、传声器A与传声器C的连线为Y轴、传声器A与传声器D的连线为Z轴构成直角坐标系。本发明可以在环境噪声监测中将监测点的噪声大小与噪声来源方向相关联，极大地扩展了环境噪声监测内容和功能，便于环境噪声仲裁和治理。

Description

一种可辨别噪声来源方向的环境噪声监测装置和方法

技术领域

本发明涉及环境噪声监测装置和方法，特别是一种可辨别噪声来源方向的环境噪声监测装置和方法。

技术背景

随着工业生产、交通运输等行业的持续发展和城市人口的增加，环境噪声对人类生活的影响日益严重，噪声污染已成为人类当前必须面对的一个重要环境问题，是影响人类社会环境的一大公害。近年来广大研究者从环境噪声的管理、治理、控制、规划等不同角度对其进行广泛的研究。环境噪声监测是人们了解环境噪声现状、进行环境噪声实验模拟及环境噪声预测研究的基础，也是环保部门进行环境噪声执法、治理的重要科学根据。

国内外著名声学仪器公司已经开发了不同型号的环境噪声监测装置，如丹麦B&K公司的B&K3639系列、挪威Norsonic公司的Nor-1501型、美国Larson David公司的870B型、北京声望公司的NMT1000型、杭州爱华公司的AWA6218S/J型环境噪声监测系统。

从功能模块的构成上来分，目前的环境噪声监测系统构成如图1，按照主要功能的不同，可以分为环境噪声监测终端和控制中心。其中环境噪声监测终端包括噪声测量前端、前置放大、信号调理、A/D采集与信号处理、数据传输和噪声值现场显示等功能模块，主要完成环境噪声值现场监测。环境噪声检测系统的控制中心主要包括噪声地图绘制、结果统计分析、测量结果存储于报告生成等模块，控制中心主要是接收单个/多个环境噪声监测终端传输过来的噪声数据，并对多个噪声监测终端的测试结果进行综合分析与利用。

实际使用时，把环境噪声监测终端放置在选定的噪声测量点上进行环境噪声测量，如机场、道路、居民小区或其它公共区域。噪声测量终端得测量到的噪声数据通过数据传输模块(如利用先进的GPRS/CDMA等公众数据网)，及时把监测点噪声信息传递到环境噪声监测系统的控制中心，便于进行环境噪声管理。有时为更全面了解某区域范围上的噪声分布，也可用多个环境噪声监测终分布在经过优化选择的环境噪声监测点上进行噪声的同步监测，形成一个网络化的城市区域环境噪声监控系统，同时利用地理信息系统，用噪声地图的形式直观地显示出被监测区域噪声值的大小分布。

目前环境噪声监测系统都存在一个不足：每个噪声监测终端仅采用单个传声器来进行噪声测量，只能提供该测点处的噪声值大小，无法提供监测点噪声的来源方向信息。

事实上，获得环境噪声监测点处噪声的大小和来源方向对于环境噪声仲裁、治理等具有重要的意义。例如，在一个周边环境同时存在多个噪声源的测量点(如住宅小区)，环境噪声管理者不仅需要了解噪声监测点处的噪声值大小，更需要了解究竟是其周边的哪个声源产生的噪声对该噪声监测点噪声影响最大，也即需要了解噪声监测点处噪声来源方向信息，以便进行环境噪声仲裁和噪声治理。

发明内容

本发明针对现有环境噪声监测装置和方法中不能提供噪声来源方向缺点，提供一种可辨别噪声来源方向的环境噪声监测装置和方法，以期同时获得测量点处噪声的大小和来源方向，便于对噪声源准确定位，为环境噪声的仲裁和治理提供依据。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明可辨别噪声来源方向的环境噪声监测装置，其结构特点是以四个性能参数一致传声器，即传声器A、传声器B、传声器C和传声器D构成环境噪声监测系统的噪声测量前端；所述四个传声器按正六面体的形式布置在正六面体的相邻的四个顶点上，其中以传声器A为原点，从传声器A到传声器B、传声器C、传声器D的距离均为正六面体的边长d，以传声器A与传声器B的连线为X轴、传声器A与传声器C的连线为Y轴、传声器A与传声器D的连线为Z轴构成直角坐标系。

本发明可辨别噪声来源方向的环境噪声监测装置的结构特点也在于：所述正六面体的边长d的取值为10mm-40mm。

本发明可辨别噪声来源方向的环境噪声监测装置的监测方法的特点是：

用算术平均的方法对传声器A、传声器B、传声器C、传声器D所测得的噪声信号进行加权平均，得到噪声监测点处噪声值的大小；

由传声器A和传声器B测量到的噪声信号计算获得监测点处沿坐标轴x方向的声强分量Ix；由传声器A和传声器C测量到的噪声信号计算获得监测点处沿坐标轴y方向的声强分量Iy；由传声器A和传声器D测量到的噪声信号计算获得监测点处沿坐标轴z方向的声强分量Iz；依据所述声强分量Ix、声强分量Iy和声强分量Iz来确定监测点处噪声的来源方向。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明给出的环境噪声监测装置和方法不仅可以测量出监测点环境噪声的大小，而且可以同时辨别出环境监测点的噪声源方向，把环境噪声监测点的噪声大小与噪声来源方向实时的相互关联，用一个环境噪声监测点实现了监测点的环境噪声值大小测量和噪声来源方向的判别，极大地扩展了环境噪声监测内容和功能，便于环境噪声仲裁和治理。

2、本发明给出的环境噪声值大小计算方法中采用了四个传声器噪声测量值的算术平均方法，可以有效避免由于某个传声器灵敏度异常而导致的环境噪声值测量误差；

3、本发明仅采用四个布置在假想正六面体相邻4个顶点位置上的传声器，实现了噪声来源方向的近似判别，系统硬件构成简单，计算过程简单，概念清晰。

附图说明

图1为环境噪声监测系统构成示意图；

图2为本发明4-传声器噪声测量前端结构示意图；

图3本发明可辨别噪声来源方向的环噪声监测系统构成示意图。

具体实施方式

参见图1，以四个性能参数一致传声器，即传声器A、传声器B、传声器C和传声器D构成环境噪声监测系统的噪声测量前端；四个传声器按正六面体的形式布置在正六面体的相邻的四个顶点上，其中以传声器A为原点，从传声器A到传声器B、传声器C、传声器D的距离均为正六面体的边长d，边长d的取值为10mm-40mm，以传声器A与传声器B的连线为X轴、传声器A与传声器C的连线为Y轴、传声器A与传声器D的连线为Z轴构成直角坐标系。

用算术平均的方法对噪声测量前端的传声器A、传声器B、传声器C、传声器D所测得的噪声信号进行加权平均，得到到噪声监测点处噪声值的大小；

噪声是由各种不同频率的简谐波共同构成，它们都遵循波的传播理论在空间中向前传播。声强是可以表示声波空间传播方向的物理量。通过空间某点沿着直角坐标系三个坐标轴(x，y，z)方向的声强分量便可以唯一确定声波的空间传播方向。

利用互谱声强计算方法，由传声器A和传声器B测量到的噪声信号可近似计算出监测点处沿坐标轴x方向的声强分量Ix；由传声器A和传声器C测量到的噪声信号可近似计算出监测点处沿坐标轴y方向的声强分量Iy；由传声器A和传声器D测量到的噪声信号可近似计算出监测点处沿坐标轴z方向的声强分量Iz；依据所述Ix、Iy、Iz来确定监测点处噪声的来源方向。

本实施例中，具体实施按如下方式进行

1、噪声监测点处噪声值P_O的大小按照如下方法获得：

a、利用传声器A、B、C、D测量到的时域声压信号分别为p_A(t)、p_B(t)、p_C(t)、p_D(t)；

b、分别对上述四个时域声压信号进行频率、时间计权处理和信号有效值计算，得到四个噪声值：P_A、P_B、P_C、P_D；

c、对噪声值P_A、P_B、P_C、P_D进行算术平均，得到噪声的平均值，即噪声监测点处噪声值的大小P_O；

$P_O=\frac{P_A+P_B+P_C+P_D}{4}$

2、噪声监测点处噪声来源方向的辨别：

利用传声器A、传声器B、传声器C、传声器D所测量到的时域声压信号可以方便地近似计算得到沿着直角坐标系坐标轴方向的声强分量Ix、Iy、Iz；

a、由传声器A和传声器B所测量到时域声压信号p_A(t)、p_B(t)计算得到沿着直角坐标系x轴方向的声强Ix：

$\mathrm{Ix}=\frac{\mathrm{Im}\left[G_{\mathrm{AB}}\left(f\right)\right]}{2\mathrm{\πf\ρd}}$

其中：

Ix——测量点处频率c为的声强值；

G_AB(ω)——传声器A、B所测量到时域声压信号p_A(t)和p_B(t)的互功率谱函数，复数；

Im[ ]——求取复函数虚部的运算；

ρ——传播声波的媒介质的密度，常数。空气中取1.293kg/m³；

d——传声器A、B之间的距离，常数；

f——测量声波的频率；

b、由传声器A和传声器C所测量到时域声压信号p_A(t)、p_C(t)计算得到沿着直角坐标系x轴方向的声强Iy：

$\mathrm{Iy}=\frac{\mathrm{Im}\left[G_{\mathrm{AC}}\left(f\right)\right]}{2\mathrm{\πf\ρd}}$

其中：

G_AC(f)——传声器A、C所测量到时域声压信号p_A(t)和p_C(t)的互功率谱函数，复数；

c、由传声器A和传声器D所测量到时域声压信号p_A(t)、p_D(t)计算得到沿着直角坐标系x轴方向的声强Iz：

$\mathrm{Iz}=\frac{\mathrm{Im}\left[G_{\mathrm{AD}}\left(f\right)\right]}{2\mathrm{\πf\ρd}}$

其中：

G_AD(f)——传声器A、D所测量到时域声压信号p_A(t)和p_D(t)的互功率谱函数，复数；

d、由大小和方向已知的声强分量Ix、Iy、Iz可以唯一确定被测量噪声的传播方向，用其与坐标轴的夹角α、β、γ可以表示，计算公式如下：

$\cos \mathrm{\α}=\frac{\mathrm{Ix}}{\sqrt{{\mathrm{Ix}}^2+{\mathrm{Iy}}^2+{\mathrm{Iz}}^2}}$

$\cos \mathrm{\β}=\frac{\mathrm{Iy}}{\sqrt{{\mathrm{Ix}}^2+{\mathrm{Iy}}^2+{\mathrm{Iz}}^2}}$

$\cos \mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{Iz}}{\sqrt{{\mathrm{Ix}}^2+{\mathrm{Iy}}^2+{\mathrm{Iz}}^2}}.$

Claims (3)

1.一种可辨别噪声来源方向的环境噪声监测装置，其特征是以四个性能参数一致的传声器，即传声器A、传声器B、传声器C和传声器D构成环境噪声监测系统的噪声测量前端；所述四个传声器按正六面体的形式布置在正六面体的相邻的四个顶点上，其中以传声器A为原点，从传声器A到传声器B、传声器C、传声器D的距离均为正六面体的边长d，以传声器A与传声器B的连线为X轴、传声器A与传声器C的连线为Y轴、传声器A与传声器D的连线为Z轴构成直角坐标系。

2.根据权利要求1所述的可辨别噪声来源方向的环境噪声监测装置，其特征是所述正六面体的边长d的取值为10mm-40mm。

3.一种权利要求1所述可辨别噪声来源方向的环境噪声监测装置的监测方法，其特征是：

用算术平均的方法对传声器A、传声器B、传声器C、传声器D所测得的噪声信号进行加权平均，得到噪声监测点处噪声值的大小；

由传声器A和传声器B测量到的噪声信号计算获得监测点处沿坐标轴x方向的声强分量Ix；由传声器A和传声器C测量到的噪声信号计算获得监测点处沿坐标轴y方向的声强分量Iy；由传声器A和传声器D测量到的噪声信号计算获得监测点处沿坐标轴z方向的声强分量Iz；依据所述声强分量Ix、声强分量Iy和声强分量Iz来确定监测点处噪声的来源方向。

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