CN103063088A - 一种声光弹特性测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种声光弹特性测量系统及测量方法，其利用声传感器和光传感器获取声光弹爆炸时瞬时产生的强噪声和强闪光信号，获得的声压和光强信号经过传感器转换为电信号，再经过信号处理电路，测量声光弹爆炸在传感器所在位置的噪声级和强闪光强度。本系统通过声光传感系统能够将声强和光强测试功能的完美结合，具有较高灵敏度与高可靠性，可以同时进行多路测量，测量范围大，测量数据可以上传至计算机进行其他处理，此外测量不受环境光和环境噪声的影响。

Description

一种声光弹特性测量系统及测量方法

 

技术领域

本发明涉及测量系统和方法，具体地涉及一种声光弹特性测量系统及测量方法。

背景技术

声光弹是利用爆炸时产生的强烈的声响和眩目的闪光，刺激有生目标的耳朵和眼睛，使其暂时致盲的一种警用非致命性武器。

声光弹爆炸时会产生强烈的声响和闪光。当声音和强度分别达到一定的强度时，可使人的听觉和视觉以突然刺激，出现失聪和失明。但短时会恢复正常。如果声光弹的声音和光强小于一定的强度值时，将对被实施人无震慑作用；而超过一定的强度值时，将会对人耳和人眼造成永久性损伤。为了使声光弹产生应有的效果，必须进行准确的测量。另外，声光弹在空中爆炸时生成的空气振动的峰值噪声和强闪光强度是声光弹特性的一项重要参数，也是衡量声光弹特别是威慑效果的一项重要指标，准确测量其参数具有重要的意义。现有技术中没有能够很好实时对声光弹声光特性进行多通道测量的装置。

发明内容

  

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种声光弹特性测量系统，其包括测量控制箱、声音传感系统和光传感系统，在测量控制箱内设置有多通道数据采集卡、信号处理系统、数据存储单元、实时显示单元、数据输出单元，测量控制箱配置地用于完成测量数据的采集、测量数据的记录和处理、测量参数的实时显示、数据输出功能，其中多通道数据采集卡配置地用于将每个通道的测量信号采集传输至信号处理系统，信号处理系统配置地用于对采集的信号进行实时处理，以获得需要的噪声水平、光强以及噪声水平和光强随距离的关系，并同时具有声光电报警模块，数据存储单元配置地用于将处理前和处理后的数据进行记录，实时显示单元通过利用LCD液晶板实时显示所选择通道的测量值，数据输出单元配置地用于通过USB接口输出处理前和处理后的数据，用于进一步数据处理；测量控制箱中的上述各装置中的各输入输出端口均具有保护功能；所述声音传感系统包括至少一个声音传感器、第一前置放大电路和第一信号调制电路，其中，声音传感器依次通过第一前置放大电路和第一信号调制电路与测量控制箱相连接，光传感系统包括至少一个光传感器、光强处理器、第二前置放大电路和第二信号调制电路，其中该光传感器依次通过光强处理器、第二前置放大电路和第二信号调制电路与测量控制箱相连接，其中上述声音传感系统和光传感系统均被布置在距离声光弹爆炸点一定距离的采集点处，此外，上述每个声音传感器和光传感器均配备有传感器底座，该底座配置地用于在声光弹爆炸采集点处固定声音传感器或光传感器。

本系统通过声光传感系统能够将声强和光强测试功能的完美结合，具有较高灵敏度与高可靠性，可以同时进行多路测量，测量范围大，测量数据可以上传至计算机进行其他处理，此外测量不受环境光和环境噪声的影响。

附图说明

图1是根据本发明中一个代表性实施例的一种声光弹特性测量系统的结构框图；

图2是根据本发明中的一个代表性实施例的一种声光弹特性测量系统中测量控制箱的后面板示意图；

图3是根据本发明中的一个代表性实施例的一种声光弹特性测量系统中测量控制箱的前面板示意图。

具体实施方式

下面将参考附图1-3对本发明中一个详细的代表性实施例进行描述。

一种声光弹特性测量系统，其包括测量控制箱10、声音传感系统和光传感系统，在测量控制箱10内设置有多通道数据采集卡、信号处理系统、数据存储单元、实时显示单元、数据输出单元，测量控制箱10配置地用于完成测量数据的采集、测量数据的记录和处理、测量参数的实时显示、数据输出等功能，其中多通道数据采集卡用于将每个通道的测量信号采集传输至信号处理系统，信号的采集具有宽量程、高精度的噪声和光强测试功能的功能，信号处理系统用于对采集的信号进行实时处理，以获得需要的噪声水平、光强以及噪声水平和光强随距离的关系，并同时具有声光电报警模块，数据存储单元用于将处理前和处理后的数据进行记录，实时显示单元通过利用LCD液晶板实时显示所选择通道的测量值，数据输出单元用于通过USB接口输出处理前和处理后的数据，用于进一步处理；测量控制箱10中的上述各装置中的各输入输出端口均具有保护功能，有效防止输入过压功能；上述声音传感系统包括至少一个声音传感器20、第一前置放大电路40和第一信号调制电路50，其中，声音传感器20依次通过第一前置放大电路40和第一信号调制电路50与测量控制箱10相连接，光传感系统包括至少一个光传感器30、光强处理器60、第二前置放大电路70和第二信号调制电路80，其中该光传感器30依次通过光强处理器60、第二前置放大电路70和第二信号调制电路80与测量控制箱1相连接，其中上述声音传感系统和光传感系统均被布置在距离声光弹爆炸点一定距离的采集点处，此外，上述每个声音传感器20和光传感器30均配备有传感器底座，该底座用于在声光弹爆炸采集点处固定声音传感器20或光传感器30。

本发明通过采用上述的一种声光弹特性测量系统，具体而言是利用声传感系统和光传感系统获取声光弹爆炸时在采集点瞬时产生的强噪声和强闪光信号，并将获得的声压和光强信号转换为电信号，再经过信号调制电路，测量获得声光弹爆炸在采集点所在位置处的噪声级和强闪光强度。

具体的声光弹特性测量方法如下：

声音传感系统和光传感系统分布于声光弹的作用半径内的采集点处，当声光弹爆炸后，产生的声信号和光信号被位于距爆炸点R的采集点处的声音传感器20和光传感器30接收，经过信号控制电路对电信号进行处理获得电压值，其中光强处理器60需对采集到的光进行光强转换处理，进而由测量控制箱10中的多通道数据采集卡获得采集点位置处的噪声级Lp和强闪光强度I，具体的公式如下：

若位于距离爆炸点R处采集点的光传感器输出电压信号幅值为V1，则R处的瞬时照度为

其中：S —— 传感器灵敏度；

      α—— 一致性系数；

有效光强为                             

Δt表示峰值照度25%处的时间t1-t0之差值,单位为秒;

若位于距离爆炸点R处采集点的的声传感器输出电压信号幅值为V2，则R处的瞬时声压为

其中： S —— 传感器灵敏度；

       α—— 一致性系数；

有效声压为

利用公式               

这样，可将瞬时声压转化为噪声级表示形式。

进一步通过测量控制箱10中的信号处理单元处理后利用下面的球面声场中声压级与半径的关系方程，导出距离爆炸点R_x的采集点位置处的噪声级：

由上式可获得声光弹爆炸作用半径内的噪声分布。

同样利用下面的球面光场中光强与半径的关系方程，导出距离爆炸点R_x的采集点位置处的光强：

由上式可获得声光弹爆炸作用半径内的光强分布。

由此可见，在采集点位置处的噪声、光强以及噪声和光强随与爆炸点距离的变化曲线可由测量控制箱10中的信号处理系统获得。

然后，上述的在采集点位置处的噪声、光强以及噪声和光强随与爆炸点距离的变化曲线将通过测量控制箱10中的实时显示单元显示给用户。

具体地，测量控制箱10、声音传感系统以及光传感系统在进行测量时具有以下的技术指标：

测量控制箱10的具体指标：

并行通道数         20

每通道最高采样率   10M样点/秒

存储深度           1M样点/通道

A/D                16位

声音测量的技术指标：  

场类型       自由场

供电方式     220V/110V

频率响应     20Hz—20kHz

测量范围     大于170dB

增益         -20dB、0dB、20dB

测量灵敏度   

3dB

使用温度范围 -20—80°C

使用湿度范围  0—98%

光强测量技术指标：

  波长范围：    可见光

测量范围      

cd—

cd

分辨率        20cd

测量精度      3%

使用温度范围 -20—80°C

使用湿度范围  0—98%。

下面具体介绍一下测量控制箱10前后面板的布置，后面板的布置参考图2：

其中，各数字标记分别是：1- 声模拟信号输入接口：分别接四路声信号调理器输出的模拟信号；2- 光模拟信号输入接口：分别接四路光信号调理电路输出的模拟信号；3- 散热窗：使测试仪内的发热器件的热量及时散去，保持仪器的性能稳定；4- 电源输入接口：声光弹特性测试仪供电插座。

前面板的布置参考图3：

其中，各数字标记分别是：5- 测试数据显示区：测试数据显示区分为四个部分，分别为通道1、通道2、通道3 和通道4。各个通道分别显示各通道的最大声压、有效声压、最大光强和有效光强四处值；6- 实弹-实验选择开关：当扭子开关打到“实验”时，仪器可以对实验配备的高光强闪光灯和声信号发生器声源进行测试，也可以对一般的声源和光源进行测试；当扭子开关打到“实弹”时，可以对声光弹实弹进行测试；7- 复位开关：当仪器受到外界干扰致使显示数据不正确时，可以通过复位开关将仪器复位；8- 数据传输按钮：待与计算机相连的数据线连接好，并且测试软件处在“等待接收”状态时，按下此按钮，测试数据可以上传至计算机；9- 数据传输 USB 接口：可以通过此接口将测试数据上传至计算机； 电源开关：按下开关，电源接通市网交流电，电源指示灯亮，仪器处于测试状态；再次按下此开关，切断电源。

下面再介绍下各装置的安装连接以及使用方法：

1、声音传感器20的安装

（1）打开声音传感器包装盒，小心取出声音传感器，对准声信号线一端的螺纹口顺时针旋紧，切不可掉下、摔扔或将声传感器上的金属保护栅盖旋下；

（2）将装好后的声音传感器固定在声传感器固定架上，将声音传感器朝声源方向放置，将声信号线的另一端与声信号调理器的“IN”连接；

（3）用数据线将声音信号调理器的“OUT”与测量控制箱的“声信号”连接，这就完成了声传感器的安装。

注意：在长时间不进行实验时，请将声传感器取下，放回包装盒。

2、光传感器30的安装

（1）打开光传感器包装箱，小心取出光传感器（光传感器与光信号线已经连接在一起）；

（2）使用1/4 英寸标准螺纹将光传感器固定在光传感器固定架上，使光传感器朝向光源方向；

（3）调节固定架上的旋钮，使固定架的水平气泡处于中心，这时光传感器正对光源方向，可以根据光源信号的高度调节固定架的高度；

（4）将光信号线的另一端与测量控制箱的“光信号”连接（注意：每一光传感器都做了单独标定，光传感器的编号必须与通道号相对应），这就完成了光传感器的安装。

注意：在长时间不进行实验时，请将光传感器取下，放回包装盒。

3、电源的连接

（1）将声信号调理器的电源接口连接220V 市电；

（2）将声光弹特性测试仪电源接口连接220V 市电；

（3）并检查电源接口是否连接良好。

4、仪器的使用

（1）待仪器的所有部件安装完好后，打开声信号调理器的电源；

（2）打开声光弹特性测试仪的电源，电源指示灯亮，且听到“嘀嘀”的响声，测试数据显示区内的数据显示全为“-”，则说明仪器工作正常，此时，仪器处于等待测试状态；

（3）将实弹-实验选择扭子开关打到“实验”位置，仪器可以进行声光弹模拟场的声光测试实验；

（4）若测试数据显示区因设备移动或其他操作出现不正常数据，请按下“复位”按钮，使整个系统复位，重新回到处在等待测试状态；

（5）为了充分地采集背景光强和背景噪声，请等待大概一分钟后进行测试；

（6）同时或者先后按下声音触发开关和光强触发开关，触发声信号和光信号，此时，在测试数据显示区立即显示测量数据（最大光强、有效光强、最大声压、有效声压）；

（7）若要将测试数据上传至计算机，请先用USB 线将测试仪与计算机相连；

（8）当测试仪和计算机连接时，会发出“嘀嘀”的响声，说明测试仪与计算机连接正常；

（9）使测试软件处于“等待接收”状态；

（10）为了使数据更稳定地传，等测试结束后，等待一分钟后，按下“传输”按钮，即可以将数据上传至计算机；

（11）若将扭子开关打到“实弹”位置，仪器可以进行声光弹的测试；

（12）重复（4）-（10）步，即可实现声光弹的实弹测试。

本发明的一个代表性实施例参照附图得到了详细的描述。这些详细的描述仅仅给本领域技术人员更进一步的相信内容，以用于实施本发明的优选方面，并且不会对本发明的范围进行限制。仅有权利要求用于确定本发明的保护范围。因此，在前述详细描述中的特征和步骤的结合不是必要的用于在最宽广的范围内实施本发明，并且可替换地仅对本发明的特别详细描述的代表性实施例给出教导。此外，为了获得本发明的附加有用实施例，在说明书中给出教导的各种不同的特征可通过多种方式结合，然而这些方式没有特别地被例举出来。

Claims (5)

1.一种声光弹特性测量系统，其包括测量控制箱、声音传感系统和光传感系统，在测量控制箱内设置有多通道数据采集卡、信号处理系统、数据存储单元、实时显示单元、数据输出单元，测量控制箱配置地用于完成测量数据的采集、测量数据的记录和处理、测量参数的实时显示、数据输出功能，其中多通道数据采集卡配置地用于将每个通道的测量信号采集传输至信号处理系统，信号处理系统配置地用于对采集的信号进行实时处理，以获得需要的噪声水平、光强以及噪声水平和光强随距离的关系，并同时具有声光电报警模块，数据存储单元配置地用于将处理前和处理后的数据进行记录，实时显示单元通过利用LCD液晶板实时显示所选择通道的测量值，数据输出单元配置地用于通过USB接口输出处理前和处理后的数据，用于进一步数据处理；测量控制箱中的上述各装置中的各输入输出端口均具有保护功能；其特征在于：所述声音传感系统包括至少一个声音传感器、第一前置放大电路和第一信号调制电路，其中，声音传感器依次通过第一前置放大电路和第一信号调制电路与测量控制箱相连接，光传感系统包括至少一个光传感器、光强处理器、第二前置放大电路和第二信号调制电路，其中该光传感器依次通过光强处理器、第二前置放大电路和第二信号调制电路与测量控制箱相连接，其中上述声音传感系统和光传感系统均被布置在距离声光弹爆炸点一定距离的采集点处，此外，上述每个声音传感器和光传感器均配备有传感器底座，该底座配置地用于在声光弹爆炸采集点处固定声音传感器或光传感器。

2.如权利要求1所述的一种声光弹特性测量系统，其特征在于：测量控制箱的技术指标为：

并行通道数         20

每通道最高采样率   10M样点/秒

存储深度           1M样点/通道

A/D                16位

声音测量的技术指标为：

场类型       自由场

供电方式     220V/110V

频率响应     20Hz—20kHz

测量范围     大于170dB

增益         -20dB、0dB、20dB

测量灵敏度                                                  

3dB

使用温度范围 -20—80°C

使用湿度范围  0—98%

光强测量技术指标：

  波长范围：    可见光

测量范围      

cd—

cd

分辨率        20cd

测量精度      3%

使用温度范围 -20—80°C

使用湿度范围  0—98%。

3.如权利要求2所述的一种声光弹特性测量系统，其特征在于：测量控制箱的后面板包括：

声模拟信号输入接口：分别接四路声信号调理电路输出的模拟信号；

光模拟信号输入接口：分别接四路光信号调理电路输出的模拟信号；

散热窗：使测量箱内的发热器件的热量及时散去，保持仪器的性能稳定；

电源输入接口：声光弹特性测试仪供电插座。

4.如权利要求3所述的一种声光弹特性测量系统，其特征在于：测量控制箱的前面板包括：

测试数据显示区：测试数据显示区分为四个部分，分别为通道1、通道2、通道3 和通道4，各个通道分别显示各通道的最大声压、有效声压、最大光强和有效光强四处值；

实弹-实验选择开关：当扭子开关打到“实验”时，仪器可以对实验配备的高光强闪光灯和声信号发生器声源进行测试，也可以对一般的声源和光源进行测试；当扭子开关打到“实弹”时，可以对声光弹实弹进行测试；

复位开关：当仪器受到外界干扰致使显示数据不正确时，可以通过复位开关将仪器复位；

数据传输按钮：待与计算机相连的数据线连接好，并且测试软件处在“等待接收”状态时，按下此按钮，测试数据可以上传至计算机；

数据传输 USB 接口：可以通过此接口将测试数据上传至计算机； 

电源开关：按下开关，电源接通市网交流电，电源指示灯亮，仪器处于测试状态；再次按下此开关，切断电源。

5.一种声光弹特性测量方法，其采用如权利要求1-4中任一项所述的一种声光弹特性测量系统，其特征在于：声音传感系统和光传感系统分布于声光弹的作用半径内的采集点处，当声光弹爆炸后，产生的声信号和光信号被位于距爆炸点R处采集点的声音传感器和光传感器接收，经过信号控制电路对电信号进行处理获得电压值，其中光强处理器需对采集到的光进行光强转换处理，进而由测量控制箱中的多通道数据采集卡获得采集点位置处的噪声级Lp和强闪光强度I，具体的公式如下：

若位于距离爆炸点R处采集点的光传感器输出电压信号幅值为V1，则R处的瞬时照度为

其中：S —— 传感器灵敏度；

      α—— 一致性系数；

有效光强为                               

Δt表示峰值照度25%处的时间t1-t0之差值,单位为秒;

若位于距离爆炸点R处采集点的的声传感器输出电压信号幅值为V2，则R处的瞬时声压为

其中： S —— 传感器灵敏度；

       α—— 一致性系数；

有效声压为

利用公式              

这样，可将瞬时声压转化为噪声级表示形式；

进一步通过测量控制箱中的信号处理单元处理后利用下面的球面声场中声压级与半径的关系方程，导出距离爆炸点R_x的采集点位置处的噪声级：

由上式可获得声光弹爆炸作用半径内的噪声分布；

同样利用下面的球面光场中光强与半径的关系方程，导出距离爆炸点R_x的采集点位置处的光强：

由上式可获得声光弹爆炸作用半径内的光强分布；

在采集点位置处的噪声、光强以及噪声和光强随与爆炸点距离的变化曲线由测量控制箱中的信号处理系统获得；

然后，上述的在采集点位置处的噪声、光强以及噪声和光强随与爆炸点距离的变化曲线将通过测量控制箱中的实时显示单元显示给用户。

Images