CN102506994A

CN102506994A - 一种数字化声学检测系统

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Publication number: CN102506994A
Application number: CN2011103704188A
Authority: CN
Inventors: 薛燕; 冯海泓; 胡晓城; 陈华; 黄励; 任松鑫
Original assignee: JIAXING ZHONGKE ACOUSTICS TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JIAXING ZHONGKE ACOUSTICS TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2012-06-20

Abstract

本发明公开了一种数字化声学检测系统，它包括传声器、前置电路、AD、信号处理器、触摸屏和键盘，传声器把声信号转变为电信号后，送入到前置电路，前置电路把信号放大后送入到AD，进行模数转换，转换后的信号送入到信号处理器进行信号处理，触摸屏和键盘与信号处理器连接；所述的信号处理器内设有校准模块、声级测量模块、频谱分析模块和FFT分析模块；校准模块用于通道校准和传声器校准；声级计模块支持A、C、Z频率计权，频谱分析模块允许在宽广的频率范围内用1/1和1/3倍频程频带进行实时测量，FFT分板模块用于测量选频段瞬时声级和最大、最小声级。本发明能实现最基本的各类声级检测、声强计算，能对声振信号进行实时频谱与统计分析，对声振信号进行自动监测，减少低频部分的数据冗余，利用加窗减少频谱泄漏。

Description

一种数字化声学检测系统

技术领域

本发明为一体化数字声学分析系统，具体地说是采用数字处理技术，获得各类声学测量项目的系统，具有精度高、扩展性强、造价低廉等特点，可广泛应用于声振信号检测和分析领域内。

背景技术

现有的声学检测系统，精度低、扩展性差、造价高。如B&K公司作为声学测量行业的领先企业于1960年制造了型号为2203的世界上第一台手持式声级计，开始了便携式声信号分析系统的研制历程。然而这台2203型号声级计功能很少，没有脉冲时间常数测量也没有峰值检测。随着信号理论及大规模集成电路的发展，声学分析仪器功能越来越强，B&K最新2250型号声级计不仅可以同时测量 A、C 频率计权，快（F）、慢（S）时间计权的全部测量，还可以测量倍频程谱和1/3 倍频程谱，动态范围达到 140dB。但这种声级计计算量大，精度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字化声学检测系统。

本发明要解决的是现有现有声学检测系统精度低、扩展性差、计算量大和造价高等的问题。

本发明的技术方案是：包括传声器、前置电路、AD、信号处理器、触摸屏和键盘，传声器把声信号转变为电信号后，送入到前置电路，前置电路把信号放大后送入到AD，进行模数转换，转换后的信号送入到信号处理器进行信号处理，触摸屏和键盘与信号处理器连接。

所述的信号处理器内设有校准模块、声级测量模块、频谱分析模块和FFT分析模块；

校准模块用于通道校准和传声器校准。

声级测量模块支持A、C、Z频率计权，F、S、I时间计权，用于计算瞬时声级Lp、最大声级Lmax、最小声级Lmin、等效连续声级Leq、白天等效连续声级Ld、夜晚等效连续声级Ln、昼夜等效连续声级Ldn、声暴露E、声暴露级Le 、统计声级LN 及标准偏差SD、峰值声级Lpk。

频谱分析模块允许在宽广的频率范围内用1/1和1/3倍频程频带进行实时测量，支持A、C、Z频率计权，F、S时间计权；频谱分析模块的频谱分析包括瞬时声级Lp、最大声级Lmax、最小声级Lmin、等效连续声级Leq、声暴露E、声暴露级Le、峰值声级Lpk、峰值保持Lhold。

FFT分板模块用于测量选频段瞬时声级和最大、最小声级。

上述校准模块、声级测量模块、频谱分析模块和FFT分析模块为独立模块，分别完

成对应的功能；测量时先使用校准模块进行传声器灵敏度校准，然后根据具体需要，分别选择声级测量模块、频谱分析模块或FFT分析模块。

所述的信号处理器为双核架构的 OMAPL138处理器。

所述的前置电路用来进行阻抗变换和前置放大。前置电路包括一台前置放大器，它为AWA14604型ICP前置放大器，由恒流源供电，具有高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声等特点，它的信号线和电源线合二为一。

本发明的优点是：本发明通过用采样率的高性能滤波器组，实现高分辨率分数阶倍频程算法，极大地减少计算量，完成对信号进行1~1/24倍频程实时频谱分析。本发明的系统根据目前多采样率原理设计多分辨率倍频程及 1/3 倍频程，将整个倍频程分析设计成多级结构，每一级的采样率均为上一级的二分之一，并且按照倍频程的规律进行频程划分，实现了频谱分析的多分辨率特性，提高了分析精度并减少了计算量。

本发明采用内插FIR滤波器实现过渡带极窄的高通滤波，滤波低频噪声，大幅度减少本底噪声，提高系统性能。

本发明所采用的FFT分析在给定频谱范围内可任意选择起始和终止频率，提供更高

分辨率FFT分析，可以在一个基带频带间隔里的一个窄带宽度内获取非常好的精度。

附图说明

图1为本发明的硬件结构框图。

图2为本发明信号处理器内各模块作用关系图。

图3为本发明各模块关系框图。

图4为本发明基于多采样率理论倍频程分析原理图。

图5为抗混叠滤波器频响曲线图。

图6为本发明电话铃声1/3倍频程频谱图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的说明。

如图所示，本发明包括传声器1、前置电路2、AD、信号处理器5、触摸屏3和键盘4，传声器1把声信号转变为电信号后，送入到前置电路2，前置电路2把信号放大后送入到AD，进行模数转换，转换后的信号送入到信号处理器5进行信号处理，触摸屏3和键盘4与信号处理器5连接。信号处理器5连接有SRAM（同步动态随机存储器）、Nandflash、SD卡。

信号处理器5可以通过USB接口与计算机6连接，把相关的数据显示在计算机6上或通过计算机6对信号处理器5进行操作。

所述的信号处理器5内设有校准模块、声级测量模块、频谱分析模块和FFT分析模块。

校准模块用于通道校准和传声器1校准。

FFT分板模块用于测量选频段瞬时声级和最大、最小声级。FTT测量是观察梳状滤波与窄频影响的理想工具。它可以对音频系统的频率响应做详细的研究。

成对应的功能；测量时先使用校准模块进行传声器1灵敏度校准，然后根据具体需要，分别选择声级测量模块、频谱分析模块或FFT分析模块。所以在声级测量、频谱分析或FFT分析之前都必须先进行校准，获取传声器1灵敏度校准值，才可以进行后续的计算。

所述的信号处理器5为双核架构的 OMAPL138处理器。OMAPL138处理器包含两个核心，即 ARM 核心和DSP 核心。ARM 核主频高达 300MHz。作为实时分析系统的控制核心，ARM 核心负责数据采集、算法流程控制、操作系统调度、界面显示、文件保存等操作。DSP 核心为主频300MHz 的 TI C674x 系列浮点处理器核，DSP 核心作为协处理器负责算法模块的调用，数据处理并及时将结果返回给 ARM 核做后续处理。

所述的前置电路2用来进行阻抗变换和前置放大。前置电路2包括一台前置放大器，它为AWA14604型ICP前置放大器，由恒流源供电，具有高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声等特点，它的信号线和电源线合二为一。

所述的校准模块用于计算修正值；在实际环境中，声压经过传声器1转变为电信号，再由前置电路2对信号进行处理，AD转换后进信号处理器5，通过DSP 计算，这中间的每一个环节均可能引起计算误差，并且环境温度、湿度均会影响系统计算的准确性，因此系统需要校准，以校正因为电路噪声及外界环境噪声对本系统的影响，这部分修正是校准模块需要计算的修正值。

假设传声器1的灵敏度为M（v/Pa），放大电路放大系数为 S，输入声压有效值为p，则电压V0为

(1)

DSP计算声压级为：

(2)

上述的Vref为参考电压，C为校正值。

所述的校正模块的校准原理是基于等效连续声级，计算输入稳态正弦信号的等效连续声压级并将其与实际输入值、放大系数带入以上公式，计算出校准模块在该声信号频率下的传声器1灵敏度修正值。

所述的声级测量模块的功能主要包括快（F）、慢（S）、脉冲（I）时间计权，A、C、Z 频率计权，瞬时声级，等效连续声级，峰值声级，声暴露级，统计声级等。

声级测量模块主要的计算量集中在计权网络。声级测量中频率计权网络及时间计权网络采用IIR结构滤波器实现，符合国家标准规定的要求；C计权网络为四阶IIR带通滤波器(两个二阶IIR级联实现)，需要20次实数乘法与16次实数加法；A计权网络为六阶IIR带通滤波器(三个二阶IIR级联实现)，需要30次实数乘法与24次实数加法；时间计权网络为二阶IIR带通滤波器，需要 5次实数乘法与4次实数加法，每一点数据进入时间计权网络之前需要一次平方处理，为 1次实数乘法。

标准《IEC61672》给出了频率计权的计算公式。任何频率（Hz）上的C计权可用下式计算，分贝表示

(3)

任何频率（Hz）上的A计权可用下式计算，分贝表示

(4)

公式中的C1000表示频率1000Hz的C计权，A1000表示频率1000Hz的A计权，f 表示频率。

频率计权是一种有严格要求的带通滤波器法，首先求出其传递函数，再转换为数字滤波器，直接进行计权。

计权声压级：简称声级，是计权声压和参考声压之比值取以10为底的对数乘以20，以dB(分贝)表示，即:

= 20

(5)

式中：

——计权声压级，dB；

——计权声压，Pa;

——参考声压，Pa;

计权声压级应标明所用的频率计权及时间计权。

国家标准规定的等效连续声级定义为：在规定的时间间隔内，均方根声压与基准声压之比的以 10为底的对数再乘以20，声压用标准频率计权得到。等效连续声级用分贝（dB）表示，等效连续 A计权声级数学表达式为：

(6)

任何瞬时时间上的A计权和时间计权声级

用下式表示:

(7)

测量的时间平均A计权声级

或

与对应的A计权声暴露级之间的关系，用下式表示：

(8)

公式中的T表示时间，T0表示参考时间。

所述的频谱分析模块用于对采样信号作倍频程分析与1/3倍频程分析。

倍频程频谱分析通常是由十组带通滤波器组构成滤波网络，这是一种恒定百分比带宽的带通滤波器，每一个带通滤波器代表一个倍频程，每个频程的上下截止频率之比为二，带通滤波器衰减掉其它频程的信号，并计算过滤之后的信号的能量，作为声信号在此频程内的能量的度量。倍频程分析是一种很粗糙的频谱分析方法，若需要更精细的分析可以将倍频程频带按照对数等刻度划分为三段，即1/3倍频程，也可以作更精细的分数阶倍频程分析。

本发明频谱分析设计基于多采样率理论实现，即系统中存在不同采样率的信号，减少低频部分的数据冗余，并利用滤波器技术划分频带，利用汉宁窗减少频谱泄漏。下面讲述本发明所采用的降采样原理。

给定采样率

和FFT运算点数N=512点，其频率分辨率可简单由下式来估计：

(9)

一般来说，对于倍频程每个频程含有六条及以上谱线，可准确估计频程的功率值，因此，对于国家标准中x=12频程，其频程跨度为

，93.95Hz的频率分辨率可以很好的满足要求，然而对于 x=-15 频程其频程跨度为

，无法用N=512的FFT 准确估计此频程的能量。通常有两种办法来提高频率分辨率，一种办法为增加 FFT 运算的点数，为了准确估计x=-11 频程的能量，需要的最少点数：

(10)

如此高的运算点数在工程中很难实现，并且运算点数高增加了系统的延时。第二种办法为降低采样率，假如将采样率降低为原来的百分之一，即

，那么对于x=-11频带，需要的最小 FFT点数为

,不仅减少了计算量，而且减少了系统延时。

本发明FFT采用上述降采样原理实现倍频程分析与1/3倍频程分析，每两个相邻频程间存在1/2降采样，为了避免降采样后频谱混，本发明在降采样前都设计了抗混叠滤波器。

所述的FFT分析模块对信号进行FFT分析。

当进行FFT分析时，首先设置分析时间，即采用时间计权，计权时间包括0.1s、0.2s、0.5s和1s。为了防止FFT分析数据截断存在频率泄露，本发明为不同信号选择不同的窗函数，如默认的声学测试采用汉宁窗，分析接近基波信号的小信号时采用Dolph-Chebyshev窗。

本发明FFT分析主要采用蝶形算法，插值虚部，由于蝶形算法输出为倒位序，本发明同样研究到位序算法准确获取FFT频谱，对所需频段进行抽取。本发明FFT分析可以选择不同频谱范围显示，以采样点数为1024，屏幕显示频谱条数400为例，3个频谱范围可以选择：20k显示频率范围内FFT测试结果，1.453kHz~20.156kHz范围,分辨率为46.875Hz，400频点。4.7k 显示频率范围内FFT测试结果, 70.31Hz~4.746kHz范围,分辨率为11.72Hz，400频点。1.2k 显示频率范围内FFT测试结果, 20.51Hz~1.189kHz范围，分辨率为2.93Hz，400频点。

本发明能实现最基本的各类声级检测、声强计算，实现了目前声信号分析仪器具有的声级测量及频谱分析等功能。能对声振信号进行实时频谱与统计分析，对声振信号进行自动监测，声级测量中频率计权网络及时间计权网络采用 IIR 结构滤波器实现，符合国家标准规定的要求；频谱分析设计基于多采样率理论实现，即系统中存在不同采样率的信号，减少低频部分的数据冗余，利用加窗减少频谱泄漏。

Claims

1.一种数字化声学检测系统，其特征在于该系统包括传声器、前置电路、AD、信号处理器、触摸屏和键盘，传声器把声信号转变为电信号后，送入到前置电路，前置电路把信号放大后送入到AD，进行模数转换，转换后的信号送入到信号处理器进行信号处理，触摸屏和键盘与信号处理器连接；

校准模块用于通道校准和传声器校准；

声级测量模块支持A、C、Z频率计权，F、S、I时间计权，用于计算瞬时声级Lp、最大声级Lmax、最小声级Lmin、等效连续声级Leq、白天等效连续声级Ld、夜晚等效连续声级Ln、昼夜等效连续声级Ldn、声暴露E、声暴露级Le 、统计声级LN 及标准偏差SD、峰值声级Lpk；

频谱分析模块允许在宽广的频率范围内用1/1和1/3倍频程频带进行实时测量，支持A、C、Z频率计权，F、S时间计权；频谱分析模块的频谱分析包括瞬时声级Lp、最大声级Lmax、最小声级Lmin、等效连续声级Leq、声暴露E、声暴露级Le、峰值声级Lpk、峰值保持Lhold；

FFT分板模块用于测量选频段瞬时声级和最大、最小声级；

2.根据权利要求1所述的数字化声学检测系统，其特征在于所述的前置电路包括

一台前置放大器，用来进行阻抗变换和前置放大，该前置放大器为AWA14604型ICP前置放大器，其信号线和电源线合二为一。