CN103267569A - 环境噪声栅格适应性检测估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明环境噪声栅格适应性检测估计方法，涉及环境噪声检测技术领域。为了克服现有噪声传声器在检测环境噪声中存在的对于高频噪声测量不准确、受传声器设计材料限制大的技术缺陷，本发明给出了一种环境噪声栅格适应性检测估计方法，通过在噪声传感器前端添加栅格式接收窗、选用新型环境噪声检测传感器应用材料，建立不同噪声频率、强度下噪声输入角度的非线性控制方程，使用微型舵机控制栅格开闭角度，提升整体环境噪声中特别是高频噪声的检测准确性，使得检测结果更加能真实的反应被检测区域的噪声状态，解决了现有传声器在检测环境噪声中存在的对于高频噪声测量不准确、受传声器设计材料限制大的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种环境噪声检测方法，特别涉及一种环境噪声栅格适应性检测估计方法，属于噪声检测技术领域。
背景技术
噪声污染是继大气污染、水污染和固体废料污染之后的第四大环境公害，噪声污染不但会干扰人们的正常工作与生活，严重时还会给人们的健康带来严重影响，准确获得环境中的噪声监测数据，确保生产、生活环境符合国家环保标准，是环保工作的一项重要任务。
目前检测噪声的传感器按其换能原理可分为电动式(动圈式)、电容式、压电式等噪声传感器，碳精电极传声器是电阻式传声器的最早实现形式，利用电阻换能的方式，原理是利用碳精间接触电阻受声压作用产生变化，以此获得相应变化的电信号；20世纪后，随着传感器技术的发展，电感与静电式换能元器件取代了电阻成为传声器的主要换能纽带；利用了电感现象，并在电感原理的基础上衍生出动圈式和铝带式两类传声器；动圈式传声器通常采用漆包线为音圈，与传声器膜片背部相连，悬挂于磁场中，当膜片受到外界声压作用产生振动，同时会带动音圈振动并在磁场内做切割磁力线运动，此时音圈导线两端产生的感应电动势与导致传声器膜片振动的声源音相同；铝带式传声器开发于20世纪30年代初，它和动圈式传声器有着相同的电磁原理，不同的是，铝带即是传声器的膜片，又是在磁场中运动的音圈，通常由铝箔制造而成，具有优良的瞬态响应能力，对各种风噪声或机械传导噪声相当敏感，极易造成传声器膜片的损害，因而不适合于室外使用；电容式传声器是静电式传声器的一种，通常由电容换能元器件和预放大器两部分组成，电容式传声器可动的部分是一片轻薄的振膜，同时也是电容器两个电极中的一个(另一个为传声器背极)，当振膜随着声波振动时，电容间所储存的电容量也发生变化，在负载电阻的两端就会获得随声压变化的交流电压，完成声电转换的过程；驻极体传声器是静电式传声器的另一种，驻极体又称“永电体”利用电介质在强电场的作用下能够获得永电体的现象制成；驻极体传声器的工作原理与电容式传声器类似，它的振膜和背极使用了可保有永久电荷的驻极体物质为材料制成，这类传声器不需要对电容器供电，省去了提供极头工作的极化电压电源；压电式传声器利用某些具有压电效应的材料制成，有晶体式、陶瓷式和高聚物式等；以晶体式传声器为例，当一定量的晶格30出现，晶体通过机械作用产生变形，晶体便面产生电荷，实现声能的转换；近年来，继光纤通讯获得成功过之后，出现了光纤传声器，它是一种将声振动信号转换成调制的光学信号，并通过光纤传输，再将调制的光信号解调成电信号的装置；光纤传声器主要有基于反射膜结构的Y型传声器和干涉型传声器。
专利：“宋青林，陶永春等.内旋转梁振膜及其组成的传声器芯片[P].中国：CN101321408A”公开的传声器芯片为电容式传声器芯片，振膜内部有悬梁结构，内悬臂为旋转结构，通过旋转梁的扭动达到释放振膜残余应力的目的，柔软的旋转梁起弹簧作用，保证振膜容易上下振动，其振膜边缘设有至少一个外悬梁，振膜通过外旋梁与外旋梁边框固连，振膜中心部位为片状，在片状边缘到振膜外边缘区域内设有多个小孔，这些小孔配合背极声孔释放振膜和背极之间原有的吸声层，并对传声器的频响特性有改善作用。
目前的电容式传声器芯片都是通过声波振动引起电容量变换而导致声电转化的，上述专利“内旋转梁振膜及其组成的传声器芯片”虽然通过改变内部振膜形式提升了传声器的频响特性，但是对于环境监测过程中噪声监测，尤其是高频噪声，存在测量不准确、受传声器设计材料限制大等问题。
发明内容
为了克服现有噪声传声器在检测环境噪声中存在的对于高频噪声测量不准确、受传声器设计材料限制大的技术缺陷，本发明给出了一种环境噪声栅格适应性检测估计方法，通过在噪声传感器前端添加栅格式接收窗、选用新型环境噪声检测传感器应用材料，建立不同噪声频率、强度下噪声输入角度的非线性控制方程，使用微型舵机控制栅格开闭角度，提升整体环境噪声中特别是高频噪声的检测准确性，使得检测结果更加能真实的反应被检测区域的噪声状态，解决了现有传声器在检测环境噪声中存在的对于高频噪声测量不准确、受传声器设计材料限制大的技术问题。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，环境噪声栅格适应性检测估计方法，具有以下特点：
（1）采用多孔材料复合结构组成上下、左右角度可调的栅格式接收窗添加于传声器的前端，使用A/D转换芯片采集传声器经过调理后的电信号，控制器根据当前采集的声音信号频率、强度，依据非线性控制方程调整栅格式接收窗的开闭角度；
（2）栅格式接收窗包括：窗框、相对窗框可进行二维运动的活动扇叶、转轴、控制器、舵机，窗框和扇叶是由多孔金属材料复合结构做成的，窗框边缘包覆着密封隔音材料，栅格式接收窗的内表面覆有聚合物基复合涂层，高频声音信号进入传声器时会被栅格式接收窗反射和折射，到达电容式声频传感器振膜表面，引起振膜的振动实现声电转换，不同的栅格角度对不同频率的声音信号折射效率不同，调整栅格角度，实现噪声信号的选择性通过；
（3）栅格式接收窗的开闭角度决定了传声器对于高频噪声的检测准确度，利用非线性控 制方程：
其中：α上下，α左右分别为上下、左右栅格开闭角度，K1,K2分别为上下、左右栅格调节增益系数，f为当前噪声频率，B为当前噪声强度，f0为高频噪声特征频率；噪声信号通过栅格式接收窗，引起电容式传声器振膜振动，声音信号变成了对应的电信号，电信号经过前置放大、AD转换被送往控制器，控制器在获得当前信号后根据非线性控制方程调节栅格扇叶的开闭大小，以此来实现该噪声传感器对高频噪声的选择性检测。
本发明的有益效果是：通过在噪声传感器前端添加栅格式接收窗、选用新型环境噪声检测传感器应用材料，建立不同噪声频率、强度下噪声输入角度的非线性控制方程，使用微型舵机控制栅格扇页开闭角度，提升整体环境噪声中特别是高频噪声的检测准确性，使得检测结果更加能真实的反应被检测区域的噪声状态，解决了现有传声器在检测环境噪声中存在的对于高频噪声测量不准确、受传声器设计材料限制大的技术问题。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明
图1为本发明环境噪声栅格适应性检测估计方法的总体结构示意图，其中，α上下，α左右分别为上下、左右栅格开闭角度；
图2为本发明具体实施方式中栅格式接收窗结构示意图，201为栅格式接收窗窗框，202为栅格式接收窗扇页，203左右方向栅格扇页开闭角度控制舵机，204上下方向栅格开闭角度控制舵机，205为左右方向舵机-栅格扇页连动轴，206为上下方向舵机-栅格扇页连动轴；
图3为本发明具体实施方式中控制系统功能示意图，其中，AD7655为AD公司的16位两通道模数转换芯片，P0.0～P0.7，P1.0～P1.7分别为STC12C5A60S2单片机的P0和P1两路8位I/O口，与AD7655的16位数字量输出接口相连，PWM上下和PWM左右分别为单片机控制栅格左右、上下运动舵机的输出信号。
具体实施方式
参照附图2—图3。
（1）该系统采用多孔金属材料复合结构组成上下、左右角度可调的栅格式接收窗添加于声频传感器的前端，前置放大电路将声频传感器检测到的电压信号进行初级放大，然后通过噪声变送电路将经初级放大电路放大后的信号调理成可以被A/D采集芯片采集的电压信号，16位高精度A/D采集芯片AD7655将模拟电压信号转化成为数字信号通过的STC12C5A60S2 单片机P0，P1口送往STC12C5A60S2内部，STC12C5A60S2提取噪声信号的频率f和强度B，经过非线性控制方程计算此时应该控制的栅格开闭角度α上下，α左右，以实现对于不同频率噪声信号的选择性滤波；
（2）栅格式接收窗窗框201和扇页202是由两组垂直放置的多孔金属材料复合结构做成的，窗框201与扇页202的接触面边缘包覆着密封隔音材料，保证在扇页关闭时噪声信号能够被隔绝在接收窗之外，舵机203控制左右方向栅格扇页开闭角度，舵机204控制上下方向栅格开闭角度，转轴205为左右方向舵机-扇页连动轴，转轴206为上下方向舵机-扇页连动轴，高频声音信号进入传声器时会被栅格式接收窗反射和折射，到达电容式声频传感器振膜表面，引起振膜的振动实现声电转换，不同的栅格角度对不同频率的声音信号折射效率不同，通过控制舵机204和舵机205调整栅格扇页角度，可以实现噪声信号的选择性通过；
（3）经过前端变送电路调理后的噪声信号通过16位A/D转换芯片AD7655按照1Mhz的采样率将模拟噪声信号转换成16位数字信号，STC12C5A60S2单片机通过P0口和P1口读取16位噪声信号，读取的噪声信号首先被放入了STC12C5A60S2的数据存储区，然后通过功率谱分析，获取当前采集噪声信号的频率f和强度B，根据非线性控制方程： 
这里取K1=1.1，K2＝1.1，f0＝1000Hz，获取应调整的α上下，α左右，再通过单片机内部的2个8位PWM波模块，算出应该对应的PWM上下和PWM左右控制型号为Magic RCM D2S51水平舵机和竖直舵机，如果当前采集的噪声频率为1100Hz，强度为70dB,计算出对应的α上下=89.3度，α左右=89.3度，MagicRCM D2S51型舵机控制信号PWM波的周期为20ms，占空比在10%时为舵机中位，占空比在0时为舵机左满舵，占空比在20%时为舵机右满舵，可以计算当前PWM上下和PWM左右的占空比为19.84%，对应单片机的PWM上下和PWM左右控制寄存器值为0x60，根据上述实施例发现在噪声频率大于f0为高频噪声特征频率时，栅格式接收窗基本处于打开状态，使得高频噪声能够顺利通过。
Claims (1)
1.一种环境噪声栅格适应性检测估计方法，具有以下特点：
（1）采用多孔材料复合结构组成上下、左右角度可调的栅格式接收窗添加于传声器的前端，使用A/D转换芯片采集传声器经过调理后的电信号，控制器根据当前采集的声音信号频率、强度，依据非线性控制方程调整栅格式接收窗的开闭角度；
（2）栅格式接收窗包括：窗框、相对窗框可进行二维运动的活动扇叶、转轴、控制器、舵机，窗框和扇叶是由多孔金属材料复合结构做成的，窗框边缘包覆着密封隔音材料，栅格式接收窗的内表面覆有聚合物基复合涂层，高频声音信号进入传声器时会被栅格式接收窗反射和折射，到达电容式声频传感器振膜表面，引起振膜的振动实现声电转换，不同的栅格角度对不同频率的声音信号折射效率不同，调整栅格角度，实现噪声信号的选择性通过；
（3）栅格式接收窗的开闭角度决定了传声器对于高频噪声的检测准确度，利用非线性控制方程：
其中：α上下，α左右分别为上下、左右栅格开闭角度，K1,K2分别为上下、左右栅格调节增益系数，f为当前噪声频率，B为当前噪声强度，f0为高频噪声特征频率；噪声信号通过栅格式接收窗，引起电容式传声器振膜振动，声音信号变成了对应的电信号，电信号经过前置放大、AD转换被送往控制器，控制器在获得当前信号后根据非线性控制方程调节栅格扇叶的开闭大小，以此来实现该噪声传感器对高频噪声的选择性检测。
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