CN103852156B - 一种基于传声器阵列的环境噪声方位分布测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于传声器阵列的环境噪声方位分布测量装置，该装置采用传声器阵列形式和具有强处理能力的可编程控制器，结构紧凑，外形规则，通用性好，轻便节能，具有多种通信接口方式，易于便携和组网使用。测量装置能够放置在噪音发源地如建筑施工地或场所附近，采用自适应波束形成算法，能够监测当地噪声在不同方位来向的声级分布情况，方便快捷地为监管执法人员提供有效的数据证据。

Description

一种基于传声器阵列的环境噪声方位分布测量装置

技术领域

本发明涉及一种环境噪声测量装置，特别是一种基于传声器阵列的环境噪声方位分布测量装置。

背景技术

声学是现代社会的重要学科之一，广泛应用于自然科学研究与工程技术应用领域。声级计是一种最基本最常用的声学测量仪器，其基本功能是根据国际标准和国家标准规定的频率计权和时间计权测量声压级。它既是工业生产中作为检测机器工作状态的手段之一，也是环境监测中测量噪声的主要仪器。传统的声级计以模拟电路为主，运用集成运放、电阻、电容等器件组成频率计权网络、有效值检波以及对数运算电路等部分，但是由于模拟元件的精度和稳定性难以保证，传统的声级计难以满足越来越高的要求。随着数字信号处理技术及相关器件的快速发展，多种数字式声级计逐步替代了传统的声级计。

当前，随着城市现代化建设的发展，人民生活水平大幅提高，噪声污染备受关注。其中，噪声的时空分布就是困扰管理部门的主要问题之一。以城市交通噪声为例，近年来，随着汽车保有量的快速增加、轨道交通网的不断发展，城市交通噪声污染在日益加剧的基础上还呈现出复杂性、多样性的特征：声源组成异常复杂，交通干道两侧区域成为噪声污染集中区，立体化的道路布局形成了立体分布的声场。上述状况要求城市声环境管理部门在进行噪声监测、执法等工作时能够获得指定方向传播过来的噪声声级等信息。

现有的声级计均采用单个传声器形式，其声级测量结果没有方向分辨能力。如深圳大学的中国专利200920134112.0提出的“一种数字式声级计”虽然将信号滤波、计权网络等处理操作都采用了数字信号处理方式，但是声级计仅采用单个传声器，其测量并显示的计权声压级结果为测量点周围所有声源在测量点共同作用的结果，无法获得指定方向传播过来的噪声声级。如福建植桐电子科技有限公司的中国专利201020610832.2提出的“基于WIFI的超低功耗数字声级计”虽然能够通过WIFI网络上传噪声声级数据，但是该技术方案仍存在明显的缺点：一是方案中的A计权放大器、有效值检波和对数变换器均采用模拟电路形式，精度和稳定性等性能受到局限；二是仍采用单个传声器，其声级测量结果没有方向分辨能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种外形规整易于使用、运输、存放的基于传声器阵列的环境噪声方位分布测量装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于传声器阵列的环境噪声方位分布测量装置，包括扁平手持式外壳、传声器阵列、液晶显示屏、按键、内置电池、电源输入切换及充电控制模块和可编程处理板；

其中传声器阵列、内置电池、电源输入切换及充电控制模块和可编程处理板均位于扁平手持式外壳壳体内，扁平手持式外壳背面上部方形区域的四个角上各开有一个透声孔，透声孔与传声器阵列的位置相对应，扁平手持式外壳正面上部方形区域内嵌液晶显示屏，正面下部区域布置了按键，扁平手持式外壳的底端还开有外部电源输入接口及通讯接口，内置电池和外部电源输入接口通过电源输入切换及充电控制模块与可编程处理板相连。

所述传声器阵列包括四个传声器。

所述传声器为电容传声器、驻极体传声器或硅微传声器。

所述可编程处理板包括信号调理电路、多路同步模数转换电路、可编程控制处理器、程序及数据存储电路和通讯接口电路，所述信号调理电路、多路同步模数转换电路、可编程控制处理器、程序及数据存储电路依次相连，其中信号调理电路接收传声器阵列输出信号，经过隔直、放大、阻抗变换处理后传输给多路同步模数转换电路，多路同步模数转换电路将输入模拟信号转换为数字信号后传输给可编程控制处理器，可编程控制处理器首先采用宽带自适应波束形成算法将接收主波束对准扁平手持式外壳背面上部方形区域正对方向，同时抑制其他来向的噪声信号，然后针对接收主波束输出确定相应计权声压级；

所述通讯接口电路与可编程控制处理器相连，该通讯接口电路包括RS232接口和RS485接口，可编程控制处理器将处理结果在液晶显示屏上显示，同时通过上述通讯接口电路将处理结果输至其他设备。

所述可编程控制处理器为DSP、ARM、FPGA或单片机。

电源输入切换及充电控制模块包括锂电池充电管理芯片U2、第一P沟道MOSFET芯片Q1、第二P沟道MOSFET芯片Q2、第三P沟道MOSFET芯片Q3、第一二极管D1、第二二极管D2、第一插座J1、第二插座J2、第一电感L1、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10和第十一电阻R11;

上述锂电池充电管理芯片U2的型号为SY6952A，第一插座J1为连接外部电源+5V输入的插座，第二插座J2为连接装置内置电池的插座，第一P沟道MOSFET芯片Q1、第二P沟道MOSFET芯片Q2和第三P沟道MOSFET芯片Q3的型号为SI4447，第一二极管D1为发光二极管，第二二极管D2的型号为BAT54；

其中第二二极管D2的正端接外部电源+5V输入，负端与第一电阻R1相连，第一电阻R1的另一端与第一电容C1相连，第一电容C1另一端接地；第二电阻R2和第三电阻R3串联后与第一电容C1并联，共同完成外部电源输入到锂电池充电管理芯片U2的SIN管脚进行检测用时实现EN管脚的上拉功能；第四电阻R4一端与外部电源+5V输入相连，另一端与第一二极管D1的正端相连，第一二极管D1的负端连接锂电池充电管理芯片U2的STAT管脚，完成电池充电工作时的状态指示功能，第一P沟道MOSFET芯片Q1的漏极接接外部电源+5V输入，源极与第二P沟道MOSFET芯片Q2的源极相连，第一P沟道MOSFET芯片Q1和第二P沟道MOSFET芯片Q2的栅极均与第五电阻R5的一端相连，第五电阻R5的另一端连接锂电池充电管理芯片U2的INDRV管脚，完成外部电源+5V输入是否接入系统供电回路的切换开关功能；第一P沟道MOSFET芯片Q1和第二P沟道MOSFET芯片Q2的源极均与第六电阻R6的一端相连，第六电阻R6的另一端与锂电池充电管理芯片U2的CMDRV管脚相连，第二P沟道MOSFET芯片Q2的漏极与锂电池充电管理芯片U2的IN管脚以及NC管脚相连，另外还连接第七电阻R7的一端，第七电阻R7的另一端连接锂电池充电管理芯片U2的SYS管脚，该管脚电压即为接入可编程处理板上后续供电电路的电源输入；通过第二插座J2接入的电池正端与锂电池充电管理芯片U2的BAT管脚相连，用于锂电池充电管理芯片U2检测是否存在电池，同时还与第八电阻R8和第九电阻R9相连，第八电阻R8和第九电阻R9并联后与锂电池充电管理芯片U2的RS管脚相连，负责电池充电时的电流检测功能，同时还连接第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端连接锂电池充电管理芯片U2的LX管脚，共同组成电池充电电流回路，通过第二插座J2接入的锂电池正端另外还连接第三P沟道MOSFET芯片Q3的漏极，第三P沟道MOSFET芯片Q3的栅极连接锂电池充电管理芯片U2的GATE管脚，源极与锂电池充电管理芯片U2的SYS管脚相连，在锂电池充电管理芯片U2的控制下实现将电池接入后续供电回路的功能；第十电阻R10的一端连接锂电池充电管理芯片U2的SIN管脚，另一端与锂电池充电管理芯片U2的NTC管脚连接的同时，还与第十一电阻R11的一端相连，第十一电阻R11的另一端接地，完成电池充电时的温度补充功能；第二电容C2的一端连接锂电池充电管理芯片U2的TIM管脚，另一端接地，用于配置电池充电操作的充电时长参数；第一插座J1一端接外部电源+5V输入，另一端接地，锂电池充电管理芯片U2的VEST管脚接地。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）本发明以高性能可编程控制处理器为核心，采用内嵌传声器阵列形式，基于宽带阵列信号处理算法能够测量指定方向的噪声声级，为复杂声场环境下的噪声监测、执法等工作提供了有效工具；2）本发明采用形状规则的扁平手持式外壳设计，便于安装、使用和大批量运输、存放；3）可编程处理板硬件采用了通用可编程方式，软件系统采用了模块化设计思想，可以针对特定应用快速开发相应核心处理软件和对外接口方案，满足相关的应用需求。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1是环境噪声方位分布测量装置的外观前视图。

图2是环境噪声方位分布测量装置的外观后视图。

图3是环境噪声方位分布测量装置的外观底视图。

图4是环境噪声方位分布测量装置的硬件架构图。

图5是环境噪声方位分布测量装置中可编程处理板的硬件结构框图。

图6是环境噪声方位分布测量装置中电源输入切换及充电控制模块原理图。

图7是环境噪声方位分布测量装置的软件系统架构图。

图8是环境噪声方位分布测量装置的主控软件程序流程图。

具体实施方式

本发明的一种基于传声器阵列的环境噪声方位分布测量装置，包括扁平手持式外壳5、传声器阵列1、液晶显示屏2、按键3、内置电池6、电源输入切换及充电控制模块16和可编程处理板7，其中传声器阵列1、内置电池6、电源输入切换及充电控制模块16和可编程处理板7均位于扁平手持式外壳壳体内。

传声器阵列1包括四个传声器，该四个传声器均匀对称布置在扁平手持式外壳5背面上部方形区域的四个角内。装置的测量显示结果为扁平手持式外壳5背面上部方形区域正对方向的噪声声级，频率计权支持A计权、C计权以及D计权。

扁平手持式外壳5背面上部方形区域的四个角上各开有一个透声孔8，透声孔8与传声器的位置相对应。

所述传声器为电容传声器、驻极体传声器或硅微传声器。

扁平手持式外壳5正面上部方形区域内嵌液晶显示屏2，正面下部区域布置了按键3，扁平手持式外壳5的底端还开有外部电源输入接口15及通讯接口4。

所述可编程处理板7采用外部电源输入和内置电池6两种供电方式，当没有外部电源输入时采用内置电池6供电，当存在外部电源输入时，采用外部电源输入供电，同时对内置电池6进行充电。电源输入切换及充电控制模块16负责完成上述供电自动切换及电池充电功能。

所述可编程处理板7包括信号调理电路9、多路同步模数转换电路10、可编程控制处理器11、程序及数据存储电路14和通讯接口电路，所述信号调理电路9、多路同步模数转换电路10、可编程控制处理器11、程序及数据存储电路14依次相连，其中信号调理电路9接收传声器阵列1输出信号，经过隔直、放大、阻抗变换处理后传输给多路同步模数转换电路10，多路同步模数转换电路10将输入模拟信号转换为数字信号后传输给可编程控制处理器11，可编程控制处理器11首先采用宽带自适应波束形成算法将接收主波束对准扁平手持式外壳5背面上部方形区域正对方向，同时抑制其他来向的噪声信号。然后针对接收主波束输出计算相应计权声压级，计算过程中的频率计权、时间计权、有效值检波、对数变换等处理步骤均采用数字信号处理方法实现。

所述通讯接口电路与可编程控制处理器11相连，该通讯接口电路包括RS232接口12和RS485接口13，当上述处理工作完成后，可编程控制处理器11将处理结果在液晶显示屏2上显示，同时可以通过上述通讯接口电路将处理结果输至其他设备。

所述可编程控制处理器11包括DSP、ARM、FPGA和单片机这些控制处理平台。

电源输入切换及充电控制模块16包括锂电池充电管理芯片U2、第一P沟道MOSFET芯片Q1、第二P沟道MOSFET芯片Q2、第三P沟道MOSFET芯片Q3、第一二极管D1、第二二极管D2、第一插座J1、第二插座J2、第一电感L1、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10和第十一电阻R11;

上述锂电池充电管理芯片U2的型号为SY6952A，第一插座J1为连接外部电源+5V输入的插座，第二插座J2为连接装置内置电池的插座，第一P沟道MOSFET芯片Q1、第二P沟道MOSFET芯片Q2和第三P沟道MOSFET芯片Q3的型号为SI4447，第一二极管D1为发光二极管，第二二极管D2的型号为BAT54；

其中第二二极管D2的正端接外部电源+5V输入，负端与第一电阻R1相连，第一电阻R1的另一端与第一电容C1相连，第一电容C1另一端接地；第二电阻R2和第三电阻R3串联后与第一电容C1并联，共同完成外部电源输入到锂电池充电管理芯片U2的SIN管脚进行检测用时实现EN管脚的上拉功能；第四电阻R4一端与外部电源+5V输入相连，另一端与第一二极管D1的正端相连，第一二极管D1的负端连接锂电池充电管理芯片U2的STAT管脚，完成电池充电工作时的状态指示功能，第一P沟道MOSFET芯片Q1的漏极接接外部电源+5V输入，源极与第二P沟道MOSFET芯片Q2的源极相连，第一P沟道MOSFET芯片Q1和第二P沟道MOSFET芯片Q2的栅极均与第五电阻R5的一端相连，第五电阻R5的另一端连接锂电池充电管理芯片U2的INDRV管脚，完成外部电源+5V输入是否接入系统供电回路的切换开关功能；第一P沟道MOSFET芯片Q1和第二P沟道MOSFET芯片Q2的源极均与第六电阻R6的一端相连，第六电阻R6的另一端与锂电池充电管理芯片U2的CMDRV管脚相连，第二P沟道MOSFET芯片Q2的漏极与锂电池充电管理芯片U2的IN管脚以及NC管脚相连，另外还连接第七电阻R7的一端，第七电阻R7的另一端连接锂电池充电管理芯片U2的SYS管脚，该管脚电压即为接入可编程处理板上后续供电电路的电源输入；通过第二插座J2接入的电池正端与锂电池充电管理芯片U2的BAT管脚相连，用于锂电池充电管理芯片U2检测是否存在电池，同时还与第八电阻R8和第九电阻R9相连，第八电阻R8和第九电阻R9并联后与锂电池充电管理芯片U2的RS管脚相连，负责电池充电时的电流检测功能，同时还连接第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端连接锂电池充电管理芯片U2的LX管脚，共同组成电池充电电流回路，通过第二插座J2接入的锂电池正端另外还连接第三P沟道MOSFET芯片Q3的漏极，第三P沟道MOSFET芯片Q3的栅极连接锂电池充电管理芯片U2的GATE管脚，源极与锂电池充电管理芯片U2的SYS管脚相连，在锂电池充电管理芯片U2的控制下实现将电池接入后续供电回路的功能；第十电阻R10的一端连接锂电池充电管理芯片U2的SIN管脚，另一端与锂电池充电管理芯片U2的NTC管脚连接的同时，还与第十一电阻R11的一端相连，第十一电阻R11的另一端接地，完成电池充电时的温度补充功能；第二电容C2的一端连接锂电池充电管理芯片U2的TIM管脚，另一端接地，用于配置电池充电操作的充电时长参数；第一插座J1一端接外部电源+5V输入，另一端接地，锂电池充电管理芯片U2的VEST管脚接地。

下面进行具体描述：

本发明涉及一种基于传声器阵列的环境噪声方位分布测量装置，包括扁平手持式外壳、传声器阵列及其内嵌方式、键盘、液晶显示屏、内置电池、可编程处理板、外部电源输入接口和对外通讯接口。装置的测量显示结果为扁平手持式外壳背面上部方形区域正对方向的噪声声压级，频率计权支持A计权、C计权以及D计权。

声压级的数学表示为

$L_p=20\lg \frac{P}{P_0}---\left(1\right)$

式（1）中，L_p为声压级（dB），P₀为参考声压，其值为2×10^-5Pa，P为被测声压的有效值，单位为Pa。令被测瞬时声压为p(t)，则被测声压的有效值计算式为

$P=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^T{p}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

声级测量是利用传声器实现声电换能后采用电测方法实现的，即被测瞬时声压p(t)转换为相应的电压u(t)，其转换关系为

u(t)=s·p(t) （3）

式（3）中，s为传声器的声压灵敏度，单位为mV/Pa。对于给定的传声器，s为一确定值。将式（2）、（3）代入（1）中可得

L_p=20lgU+20lgP₀-20lgs （4）

式（4）中，U为电压u(t)的有效值，计算式为

$U=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

式（4）给出了基于传声器输出电压测量相应被测声压级的方法。按照相关标准规定，对电压u(t)进行模拟人耳特性的时间计权和频率计权处理，即可得到计权声压级。这是当前采用单个传声器形式声级计的工作原理，本发明所述环境噪声方位分布测量装置的详细工作原理将在下文结合图2进行说明。

结合图1，环境噪声方位分布测量装置采用形状规则的扁平手持式外壳设计，便于使用和大批量运输、存放。外壳正面上部方形区域内嵌液晶显示屏2，正面下部区域布置了按键3。内置电池6和可编程处理板7均固定放置在按键3下方的壳体内部。通过按键3可以完成计权方式（A、C、D）选择、时间计权方式（F、S、I）选择、测量时间设定、显示模式选择以及数据保存设置等相关功能。在进行上述功能设定时，液晶显示屏2配合显示相关的内容。

结合图2，在扁平手持式外壳5背面上部方形区域的四个角上各开有一个透声孔8，每个透声孔内各固定放置一个相同型号的传声器1，构成4元平面传声器阵列。所使用的传声器为1/2英寸高灵敏度的全指向背极式电容传声器。

令来自扁平手持式外壳背面上部方形区域正对方向（下文简称期望方向）的声源作用在平面阵中心产生的瞬时声压为p_s(t)，则传声器阵列输出经过同步模数转换后的数字信号模型为

$\begin{array}{c}x\left(n\right)=s\left(n\right)+i\left(n\right)+w\left(n\right)\\ ={\left[\begin{array}{cccc}s\·p_s\left(n\right)& s\·p_s\left(n\right)& s\·p_s(n& s\·{\text{p}}_s\left(n\right)\end{array}\right]}^T+{\left[\begin{array}{cccc}s\·i_1(n& s\·i_2(n& s\·i_{3}n)& s\·i_4\left(n\right)\end{array}\right]}^T+{\left[\begin{array}{cccc}{w}_1\left(n\right)& w_2\left(n\right)& w_3\left(n\right)& w_4\left(n\right)\end{array}\right]}^T\\ =v_s\·s\·p_s\left(n\right)+i\left(n\right)+w\left(n\right)\end{array}$

式（6）中，i₁(n)，i₂(n)，i₃(n)和i₄(n)为干扰信号，分别表示其他来向声源作用在四个传声器产生的瞬时声压，w₁(n)，w₂(n)，w₃(n)和w₄(n)分别表示四路传声器各自互不相关的热噪声。v_s为阵列对应于期望方向的归一化响应矢量，表示为v_s=[1 1 1 1]^T。基于式（6）所示的阵列输出信号，采用自适应波束形成算法，实现在期望方向上阵列增益为1的同时，将其他来向的干扰抑制到热噪声功率水平，从而实现指定的期望方向声压级测量。令干扰加噪声信号为x_i+n(n)=i(n)+w(n)，对应功率P_i+n(t)=E{|c^Hx_i+n(n)|²}=c^HR_i+nc，则上述处理过程可以描述为求解以下有约束的优化问题：

min P_i+n subject to c^Hv_s=1 （7）

根据经典的MVDR波束形成方法可知，式（7）问题的最优解为

$c_0=\frac{R_{i+n}^{-1}{v}_s}{v_s^H{R}_{i+n}^{-1}{v}_s}---\left(8\right)$

此时，自适应波束形成器输出为

$y\left(n\right)=c_0^{H}x\left(n\right)---\left(9\right)$

针对式（9）对应输出，可编程控制处理器采用数字信号处理方法完成时间计权、频率计权、计算有效值以及对数运算等操作，根据式（4）所述关系得到最终的期望方向计权声压级测量结果。

结合图3，扁平手持式外壳5的底端还开有外部电源输入接口15及通讯接口4。外部电源输入接口15实现外部直流5V电压接入，当没有外部电源输入时采用内置电池6供电，当存在外部电源输入时，采用外部电源输入供电，同时对内置电池6进行充电。通讯接口4包括RS232和RS485两种类型，用于将测量结果输至其他设备。

结合图4，所述环境噪声方位分布测量装置的硬件架构由传声器阵列1、液晶显示屏2、按键3、内置电池6、可编程处理板7以及外部电源输入接口15和通讯接口4组成。可编程处理板7在获取用户通过按键3输入的相关设置信息后对传声器阵列1输出信号进行相关处理工作，最终的测量结果在液晶显示屏2显示，同时根据设置可以通过通讯接口4将测量结果远传。

结合图5，处理板中的可编程控制处理器通过控制多路同步模数转换电路实现传声器阵列输入信号的同步采集，然后依据编制的算法完成对阵列信号的相关信号处理工作。作为处理板核心的可编程控制处理器可在DSP、ARM、FPGA和单片机等各类控制处理器中选用其中1种或多种配合构成。处理板备有RS232接口和RS485接口，可以根据实际应用选用其中1种或2种接口方式方便地组成无线或有线传感网络系统，同时也易于与相关设备相连。可编程处理板的采样率可通过嵌入式软件在8kHz至96kHz之间灵活设置，能够满足环境噪声声级测量的要求。A/D转换后的数据字长可以有两种选择，分别为16-bit和32-bit，可以满足不同应用环境中的信噪比（SNR）要求。基于上述硬件架构和多种可灵活设置的参数，可编程处理板具有高度的通用性和灵活性，能够满足其他多种应用场合的硬件要求。

结合图6，U2为锂电池充电管理芯片，型号为SY6952A，J1为连接外部电源+5V输入的插座，J2为连接装置内置电池的插座，Q1、Q2和Q3均为P沟道MOSFET芯片，型号为SI4447，D2为二极管，型号为BAT54。D2的正端接外部电源+5V输入，负端与第一电阻R1相连，R1的另一端与第一电容C1相连，C1另一端接地。第二电阻R2和第三电阻R3串联后与C1并联，共同完成外部电源输入到U2的SIN管脚进行检测用时实现EN管脚的上拉功能。第四电阻R4一端与外部电源+5V输入相连，另一端与发光二极管D1的正端相连，D1负端连接U2的STAT管脚，完成电池充电工作时的状态指示功能。Q1的漏极接接外部电源+5V输入，源极与Q2的源极相连，Q1和Q2的栅极均与第五电阻R5的一端相连，R5另一端连接U2的INDRV管脚，完成外部电源+5V输入是否接入系统供电回路的切换开关功能。Q1和Q2的源极均与第六电阻R6的一端相连，R6的另一端与U2的CMDRV管脚相连。Q2的漏极与U2的IN管脚以及NC管脚相连，另外还连接第七电阻R7的一端，R7的另一端连接U2的SYS管脚，该管脚电压即为接入可编程处理板上后续供电电路的电源输入。通过J2接入的电池正端与U2的BAT管脚相连，用于U2检测是否存在电池，同时还与第八电阻R8和第九电阻R9相连，R8和R9并联后与U2的RS管脚相连，负责电池充电时的电流检测功能，同时还连接第一电感L1的一端，L1的另一端连接U2的LX管脚，共同组成电池充电电流回路。通过J2接入的锂电池正端另外还连接Q3的漏极，Q3的栅极连接U2的GATE管脚，源极与U2的SYS管脚相连，在U2的控制下实现将电池接入后续供电回路的功能。电阻R10的一端连接U2的SIN管脚，另一端与U2的NTC管脚连接的同时，还与电阻R11的一端相连，R11的另一端接地，完成电池充电时的温度补充功能。第二电容C2的一端连接U2的TIM管脚，另一端接地，用于配置电池充电操作的充电时长参数。

上述图6所描述的电路最终能够实现当没有外部电源输入时采用内置电池供电，当存在外部电源输入时，自动切换为外部电源输入供电，同时对内置电池进行充电。

结合图7，所述环境噪声方位分布测量装置的嵌入式软件系统设计采用模块化设计思想，功能相对独立的各接口驱动模块与主控软件有机组合，围绕核心处理算法协同工作，共同完成声级测量所要求的工作。同时基于上述软件架构，嵌入式软件具有很好的灵活性、适应性以及可扩展性。

结合图8，所述环境噪声方位分布测量装置的功能可以通过信号处理流程图说明。首先，传声器阵列接收到的声信号经过可编程处理板上的信号调理电路进行放大、阻抗变换等处理后送至多路同步模数转换电路。主控软件在完成上电后的自检工作后，首先采用缺省参数配置声级测量工作所用的各个相关参数，然后根据按键输入更新声压级计算所需的计算参数。当测量工作启动后，首先通过前文所述自适应波束形成算法实现在期望方向上阵列增益为1的同时，抑制其他来向的声源干扰，然后根据计算参数进行声压级分析计算，从而实现指定的期望方向声压级测量。

本发明的基于传声器阵列的环境噪声方位分布测量装置，采用4元平面传声器阵列形式，结构紧凑，外形规则，通用性好，轻便节能，具有多种通信接口方式，能够测量指定方向的噪声声级。装置的软、硬件架构采用模块化、可编程设计思想，具有良好的适应性和可扩展性，具有广阔的应用前景。

Claims (5)

1.一种基于传声器阵列的环境噪声方位分布测量装置，其特征在于，包括扁平手持式外壳(5)、传声器阵列(1)、液晶显示屏(2)、按键(3)、内置电池(6)、电源输入切换及充电控制模块(16)和可编程处理板(7)；

其中传声器阵列(1)、内置电池(6)、电源输入切换及充电控制模块(16)和可编程处理板(7)均位于扁平手持式外壳壳体内，扁平手持式外壳(5)背面上部方形区域的四个角上各开有一个透声孔(8)，透声孔(8)与传声器阵列(1)的位置相对应，扁平手持式外壳(5)正面上部方形区域内嵌液晶显示屏(2)，正面下部区域布置了按键(3)，扁平手持式外壳(5)的底端还开有外部电源输入接口(15)及通讯接口(4)，内置电池(6)和外部电源输入接口(15)通过电源输入切换及充电控制模块(16)与可编程处理板(7)相连；

所述可编程处理板(7)包括信号调理电路(9)、多路同步模数转换电路(10)、可编程控制处理器(11)、程序及数据存储电路(14)和通讯接口电路，所述信号调理电路(9)、多路同步模数转换电路(10)、可编程控制处理器(11)、程序及数据存储电路(14)依次相连，其中信号调理电路(9)接收传声器阵列(1)输出信号，经过隔直、放大、阻抗变换处理后传输给多路同步模数转换电路(10)，多路同步模数转换电路(10)将输入模拟信号转换为数字信号后传输给可编程控制处理器(11)，可编程控制处理器(11)首先采用宽带自适应波束形成算法使接收主波束对准扁平手持式外壳(5)背面上部方形区域正对方向，同时抑制其他来向的噪声信号，然后针对接收主波束输出确定相应计权声压级；

所述通讯接口电路与可编程控制处理器(11)相连，该通讯接口电路包括RS232接口(12)和RS485接口(13)，可编程控制处理器(11)将处理结果在液晶显示屏(2)上显示，同时通过上述通讯接口电路将处理结果输至其他设备。

2.根据权利要求1所述的基于传声器阵列的环境噪声方位分布测量装置，其特征在于，传声器阵列(1)包括四个传声器。

3.根据权利要求1或2所述的基于传声器阵列的环境噪声方位分布测量装置，其特征在于，所述传声器阵列为电容传声器、驻极体传声器或硅微传声器。

4.根据权利要求1所述的基于传声器阵列的环境噪声方位分布测量装置，其特征在于，所述可编程控制处理器(11)为DSP、ARM、FPGA或单片机。

5.根据权利要求1所述的基于传声器阵列的环境噪声方位分布测量装置，其特征在于，电源输入切换及充电控制模块(16)包括锂电池充电管理芯片(U2)、第一P沟道MOSFET芯片(Q1)、第二P沟道MOSFET芯片(Q2)、第三P沟道MOSFET芯片(Q3)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第一插座(J1)、第二插座(J2)、第一电感(L1)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)和第十一电阻(R11)；

上述锂电池充电管理芯片(U2)的型号为SY6952A，第一插座(J1)为连接外部电源+5V输入的插座，第二插座(J2)为连接装置内置电池的插座，第一P沟道MOSFET芯片(Q1)、第二P沟道MOSFET芯片(Q2)和第三P沟道MOSFET芯片(Q3)的型号为SI4447，第一二极管(D1)为发光二极管，第二二极管(D2)的型号为BAT54；

其中第二二极管(D2)的正端接外部电源+5V输入，负端与第一电阻(R1)相连，第一电阻(R1)的另一端与第一电容(C1)相连，第一电容(C1)另一端接地；第二电阻(R2)和第三电阻(R3)串联后与第一电容(C1)并联，共同完成外部电源输入到锂电池充电管理芯片(U2)的SIN管脚进行检测用时实现EN管脚的上拉功能；第四电阻(R4)一端与外部电源+5V输入相连，另一端与第一二极管(D1)的正端相连，第一二极管(D1)的负端连接锂电池充电管理芯片(U2)的STAT管脚，完成电池充电工作时的状态指示功能，第一P沟道MOSFET芯片(Q1)的漏极接外部电源+5V输入，源极与第二P沟道MOSFET芯片(Q2)的源极相连，第一P沟道MOSFET芯片(Q1)和第二P沟道MOSFET芯片(Q2)的栅极均与第五电阻(R5)的一端相连，第五电阻(R5)的另一端连接锂电池充电管理芯片(U2)的INDRV管脚，完成外部电源+5V输入是否接入系统供电回路的切换开关功能；第一P沟道MOSFET芯片(Q1)和第二P沟道MOSFET芯片(Q2)的源极均与第六电阻(R6)的一端相连，第六电阻(R6)的另一端与锂电池充电管理芯片(U2)的CMDRV管脚相连，第二P沟道MOSFET芯片(Q2)的漏极与锂电池充电管理芯片(U2)的IN管脚以及NC管脚相连，另外还连接第七电阻(R7)的一端，第七电阻(R7)的另一端连接锂电池充电管理芯片(U2)的SYS管脚，该管脚电压即为接入可编程处理板上后续供电电路的电源输入；通过第二插座(J2)接入的电池正端与锂电池充电管理芯片(U2)的BAT管脚相连，用于锂电池充电管理芯片(U2)检测是否存在电池，同时还与第八电阻(R8)和第九电阻(R9)相连，第八电阻(R8)和第九电阻(R9)并联后与锂电池充电管理芯片(U2)的RS管脚相连，负责电池充电时的电流检测功能，同时还连接第一电感(L1)的一端，第一电感(L1)的另一端连接锂电池充电管理芯片(U2)的LX管脚，共同组成电池充电电流回路，通过第二插座(J2)接入的锂电池正端另外还连接第三P沟道MOSFET芯片(Q3)的漏极，第三P沟道MOSFET芯片(Q3)的栅极连接锂电池充电管理芯片(U2)的GATE管脚，源极与锂电池充电管理芯片(U2)的SYS管脚相连，在锂电池充电管理芯片(U2)的控制下实现将电池接入后续供电回路的功能；第十电阻(R10)的一端连接锂电池充电管理芯片(U2)的SIN管脚，另一端与锂电池充电管理芯片(U2)的NTC管脚连接的同时，还与第十一电阻(R11)的一端相连，第十一电阻(R11)的另一端接地，完成电池充电时的温度补充功能；第二电容(C2)的一端连接锂电池充电管理芯片(U2)的TIM管脚，另一端接地，用于配置电池充电操作的充电时长参数；第一插座(J1)一端接外部电源+5V输入，另一端接地，锂电池充电管理芯片(U2)的VEST管脚接地。