CN103308154A - 一种多孔金属复合结构阵列驻极体噪声检测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多孔金属复合结构阵列驻极体噪声检测器，根据多孔金属材料复合结构中内部含有大量连通空隙的特点，使声波进入材料内部传播时，通过空气粘滞性以及材料的热导性，使特定频段声能不断损耗，对不同频段的声音进行分级处理的效果，有效减少各种杂波干扰，通过对两组同型号同步采集声音信号传声器中的一个进行包封与外界高频信号隔离，作为监测信号的低频背景噪声，并进行阵列式等间隔交错排列，通过在控制器中对采集信号进行融合滤波，与采样点周围的另几路采集得到的低频信号进行背景差计算，利用频谱变换减除低频背景噪音，并根据安装于不同方位的阵列式噪声监测器采集的信号强度与相位变化判断出噪声源方位。

Description

一种多孔金属复合结构阵列驻极体噪声检测器

技术领域

本发明涉及一种噪声检测器，特别涉及一种多孔金属复合结构阵列驻极体噪声检测器，属于环境监测与环境保护技术领域。

背景技术

随着国家经济建设的快速发展，有关噪声的环境污染问题正越来越受到人们的重视。虽然噪声污染不同于其他环境污染，是看不见摸不到的，但对人类的影响却是全方位的，不仅影响人们的正常工作与生活，而且还会对自然环境造成干扰破坏，严重时会危害到人们的身体健康。

现常用的声音传感器分为动圈式、电容式、压电式、铝带式、碳粒式和半导体式等，其中电容式驻极体传声器相对于其他传声器具有高可靠性、耐震性和在检测频段内特性均匀等优势，占据着大部分市场份额。专利“方鹏、朱彪．薄膜型扬声器阵列[P]．中国:CN102143425A．2011-05-06”公开了一种薄膜型扬声器阵列，包括压电驻极体薄膜及线路板组件，由一列单元扬声器组成，具有水平覆盖均匀、垂直指向性强、辐射区内声能衰减较小等特点，但只是针对线性声音具有较好的效果，对于复杂背景环境下多方位、高频带内的噪声信号，特别是在低频噪声干扰较强的室外工地等高噪音地区，无法保证高频噪声信号的检测质量；专利“奚飞．一种驻极体传声器[P]．中国:CN102780952A．2012-11-14”公开了一种驻极体传声器，通过采用背极腔结构简化了原有设备中多个部件，减小了组件体积，但在检测性能上并没有很大的提高，针对高频率噪声信号无法准确地从大环境背景中有效地提取出来，此外设备音孔只能朝向一个方向，对于在真实环境下常常会出现的多源噪声无法进行准确地监测，且在实际环境下的安装也受到了很大限制，难以保证监测全方位覆盖。

现有的噪声监测装置大多以单个容式话筒等宽频带声电转换装置作为噪声检测传感器的感应部件，通过模数转换后对采样得到的声音信号进行处理分析，但传统麦克或扬声器往往只在常用低频段内具有较好的线性度，对于噪声这类频域较高的不规律信号，特别是在复杂多杂波背景下，通过现有检测装置后会产生较大失真，难以有效检测出高频噪声信号；在不同环境下，由于所处环境背景的影响，背景杂音和干扰噪声往往混叠在一起难以区分，如建筑工地等环境背景噪声较高的区域，低频噪声信号的强度一直保持在一个较高水平，此时对人体健康影响较大的高频噪声就极易受到低频背景噪声的影响，对于这类情况下的噪声就需要在噪声采集源头对所要采集的声音频段进行选择，现有的简易噪声传感器无法弥补在这类情况下使用所产生的弊端，目前广为使用的噪声检测设备往往受到使用环境的干扰，无法对高频噪声全方位检测，敏感度较低，难以与频率较低的普通音频信号明显区分，存在高频噪声检测不充分的缺陷，难以全方位客观地评价当前环境的噪声污染程度，此外更无法根据实时监测的数据判断噪声污染源的方位。

发明内容

为了克服现有技术在低频噪声环境下测量高频噪声灵敏度低、无法准确判断噪声方位的不足，本发明提供了一种多孔金属复合结构阵列驻极体噪声检测器，根据多孔金属材料复合结构中内部含有大量连通空隙的特点，使声波进入材料内部传播时，通过空气粘滞性以及材料的热导性，使特定频段声能不断损耗，从而起到了对不同频段的声音进行分级处理的效果，有效减少不同频带信号及信号混合时产生的各种杂波干扰，通过对两组同型号同步采集声音信号传声器中的一个进行包封与外界高频信号隔离，作为监测信号的低频背景噪声，并进行阵列式等间隔交错排列，通过在控制器中对采集信号进行融合滤波，与采样点周围的另几路采集得到的低频信号进行背景差计算，利用频谱变换减除低频背景噪音，并根据安装于不同方位的阵列式噪声监测器采集的信号强度与相位变化判断出噪声源方位，解决在低频噪声环境下对高频噪声污染情况和高频噪声污染源方位难以准确测量的技术缺陷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种多孔金属复合结构阵列驻极体噪声检测器，其特点是包括以下步骤：

（1）将多个同型号传声器分为两组，一组传声器的驻极体对应的进音孔采用多孔金属复合结构进行高频滤波，另一个组传声器的驻极体对应的进音孔与外界环境直接相通，两组传声器按照罐状结构全方位等间距穿插排列，相邻驻极体阵列单元不能属于同一组；

（2）将两组中所有传声器都通过高隔离选择开关来控制选通，直接与外界环境相通的传感器通过多位复用选择开关来控制选通，选择开关可根据需要利用多组简单的选择开关进行逻辑组合成多路，经过高频滤波包封处理的噪声传感器按照阵列的行列数进行选通采集控制，选择开关的通道数不能低于噪声传感器阵列的行列数的一半，通过控制每一列与每一行的多路复用选择开关使直接与外界环境相通的传感器采集的噪声信号与其周围4个相邻的经过高频滤波包封处理的传感器同步A/D采样，若直接与外界环境相通的传感器在阵列边缘则只与周围3个相邻的经过高频滤波包封处理的传感器进行同步A/D采样，A/D采样器个数不能少于5个，采样频率不低于40KHz，通过控制器对阵列式噪声传感器中各个方位的噪声信号进行循环采样；

（3）根据检测噪声的频率范围确定与外界环境进行高频隔离传声器包封吸音材料的面密度、孔径、孔隙率、厚度和复合结构，优选泡沫铝作为包封吸收的主要材料，面密度压缩率30%-40%，刚性背衬厚度0.5mm-1mm，多孔金属层厚度20mm-40mm，在对人体危害最大的高频段噪声（1KHz-4KHz）的检测中优选空腔厚度为0，孔径大小3mm-7mm，孔隙率80%-95%，孔隙率的增大、孔径的减小，可进一步提升吸声效果；

（4）通过控制器对高隔离选择开关进行控制，同步选通高速A/D采样器实时采集直接与外界环境相通的传感器和附近经过高频滤波包封处理的传感器，采样深度可根据噪声检测精度要求调整，对采样后的各个驻极体单元传来的数据进行处理，将经过多孔金属复合结构滤波后的多路音频A/D信号求取平均值，并将结果与直接采样的音频A/D信号进行频谱转换后相减得到所需的高频噪声强度信号，在处理器中对得到的高频噪声信号进行标记记录并按一定周期累加求和，为当前环境下的噪声污染情况提供实时准确的数据支持，并根据循环检测时各个方向的高频噪声信号的强度及相位进行融合计算得出噪声方位。

本发明的有益效果是：通过对两组同步采集的同型号声音信号传声器中的一组进行包封与外界高频隔离，作为低频信号背景，另一组直接与外界环境相通，进行阵列式等间距交错排列，在控制器中对采集信号进行融合滤波，利用频谱变换减除低频背景噪音，解决了在低频噪声环境下对高频噪声污染情况难以准确测量的技术缺陷。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

附图1是本发明一种多孔金属复合结构阵列驻极体噪声检测器的结构图；

附图2是本发明一种多孔金属复合结构阵列驻极体噪声检测器的多孔金属包封结构图；

附图3是本发明一种多孔金属复合结构阵列驻极体噪声检测器的阵列排列图；

附图4是本发明一种多孔金属复合结构阵列驻极体噪声检测器的具体实施例中侧视图，其中a_ij表示位于第i行第j列的传声器；

附图5是本发明一种多孔金属复合结构阵列驻极体噪声检测器的具体实施例结构框图。

具体实施方式

参照附图1、附图2、附图3、附图4和附图5。具体步骤如下：

（1）将16个同型号烽火BM-W-2传声器（灵敏度-42dB，信噪比85dB，失真≥0.3%，最大声压120dB，动态范围85dB，测量响应频率100Hz～18KHz）分为两组，一组传声器的驻极体对应的进音孔采用多孔金属复合结构（具体结构如附图2所示）进行高频滤波，另一个组传声器的驻极体对应的进音孔与外界环境直接相通，将两组传声器按照罐状结构全方位等间距穿插排列，相邻驻极体阵列单元不能属于同一组（传声器的立体排列图参照附图3所示，具体16个传声器排列的侧视图见附图4所示，a_ij表示位于第i行第j列的传声器）；

（2）两组中所有传声器都通过2个反射式4选1复用选择开关ADG904（响应频率1GHz，关断隔离37dB，插入损耗1.1dB）和8个反射式2选1复用选择开关ADG919（响应频率1GHz，关断隔离43dB，插入损耗1dB）来控制选通，将直接与外界环境相通的传感器a₂₁、a₂₃、a₃₂、a₃₄与周围4个相邻的经过高频滤波处理的传感器a₁₁、a₂₂、a₁₃、a₄₂，a₁₃、a₂₂、a₂₄、a₃₃，a₂₂、a₃₁、a₃₃、a₄₂与a₂₄、a₃₃、a₃₁、a₄₄进行同步A/D采样，若直接与外界环境相通的传感器在阵列边缘（如传声器a12、a14、a41、a43）则只与周围3个相邻的经过高频滤波处理的传感器（a11、a13、a22，a13、a11、a24，a31、a42、a44，a33、a42、a44）进行同步A/D采样，由一块FPGA（EP2C35T484I6N）作为控制器，通过在FPGA中编写状态机程序，对两个四路选择开关的控制按照一定的循环时序分别打开8个与外界直接相通的噪声传感器，同时通过控制阵列中对应的行列的选择开关达到其他有高频滤波包封处理的传感器信号的A/D采样同步；

（3）根据对人体危害程度最大的高频段噪声（1KHz-4KHz）进行频率范围的划分，并以此作为基础对与外界环境进行高频隔离传声器包封吸音材料的面密度、孔径、孔隙率、厚度和复合结构进行选择，选取泡沫铝作为包封吸收的主要材料，面密度压缩率40%，刚性背衬厚度0.7mm，多孔金属层厚度40mm，空腔厚度为0，孔径大小3mm，孔隙率90%；

（4）通过在FPGA中的状态机控制高隔离选择开关，并同步采集高速A/D采样器传来的实时数字信号，选取AD7980作为A/D转换器（16位分辨率、吞吐速率1MSPS，最大误差1.25LSB）实时采集直接与外界环境相通的传感器和附近经过高频滤波处理的传感器，具体结构框图可参考附图5所示，在FPGA中对采样后的各个驻极体单元传来的数据进行快速傅里叶变换（FFT），将经过多孔金属复合结构滤波后的音频信号的平均值与直接采样的音频信号进行相减得到高频噪声信号，对每一时刻采样得到的高频噪声信号按照一定周期进行累加计算，通过与国家环境污染中噪声污染标准进行比对分析，给出合理的评价，并根据循环采样中各个点噪声强度的累加值进行比较，从而得出高频噪声的方向并利用计算出的相位结果进行修正。

Claims (1)

1.一种多孔金属复合结构阵列驻极体噪声检测器，其特点是包括以下步骤：

（1）将多个同型号传声器分为两组，一组传声器的驻极体对应的进音孔采用多孔金属复合结构进行高频滤波，另一个组传声器的驻极体对应的进音孔与外界环境直接相通，两组传声器按照罐状结构全方位等间距穿插排列，相邻驻极体阵列单元不能属于同一组；

（2）将两组中所有传声器都通过高隔离选择开关来控制选通，直接与外界环境相通的传感器通过多位复用选择开关来控制选通，选择开关可根据需要利用多组简单的选择开关进行逻辑组合成多路，经过高频滤波包封处理的噪声传感器按照阵列的行列数进行选通采集控制，选择开关的通道数不能低于噪声传感器阵列的行列数的一半，通过控制每一列与每一行的多路复用选择开关使直接与外界环境相通的传感器采集的噪声信号与其周围4个相邻的经过高频滤波包封处理的传感器同步A/D采样，若直接与外界环境相通的传感器在阵列边缘则只与周围3个相邻的经过高频滤波包封处理的传感器进行同步A/D采样，A/D采样器个数不能少于5个，采样频率不低于40KHz，通过控制器对阵列式噪声传感器中各个方位的噪声信号进行循环采样；

（3）根据检测噪声的频率范围确定与外界环境进行高频隔离传声器包封吸音材料的面密度、孔径、孔隙率、厚度和复合结构，优选泡沫铝作为包封吸收的主要材料，面密度压缩率30%-40%，刚性背衬厚度0.5mm-1mm，多孔金属层厚度20mm-40mm，在对人体危害最大的高频段噪声（1KHz-4KHz）的检测中优选空腔厚度为0，孔径大小3mm-7mm，孔隙率80%-95%，孔隙率的增大、孔径的减小，可进一步提升吸声效果；

（4）通过控制器对高隔离选择开关进行控制，同步选通高速A/D采样器实时采集直接与外界环境相通的传感器和附近经过高频滤波包封处理的传感器，采样深度可根据噪声检测精度要求调整，对采样后的各个驻极体单元传来的数据进行处理，将经过多孔金属复合结构滤波后的多路音频A/D信号求取平均值，并将结果与直接采样的音频A/D信号进行频谱转换后相减得到所需的高频噪声强度信号，在处理器中对得到的高频噪声信号进行标记记录并按一定周期累加求和，为当前环境下的噪声污染情况提供实时准确的数据支持，并根据循环检测时各个方向的高频噪声信号的强度及相位进行融合计算得出噪声方位。

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