CN104181232A - 海船号笛的声响特性的自动测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海船号笛的声响特性的自动测试装置，包括：机架、安装台、水平旋转机构、方位调节机构、待测海船号笛、声压传感器、测控通信单元以及上位机，上位机以预设的步距角通过测控通信单元使水平旋转机构旋转一周，其中，每转动一个步距角的位置时，所述上位机控制所述待测海船号笛鸣响4～5s，号笛鸣响期间所述上位机还控制声压传感器采集待测海船号笛发出的音频信号并将该音频信号传送至所述上位机，由上位机对该音频信号处理并获得1/3倍频程声压级分布图，从此图中可以获得声响的基本频率范围和基本范围内的计权声压级。本发明结构简单、可折叠、便于携带，提高了号笛声压性能测试的效率，使测量结果更准确。

Description

海船号笛的声响特性的自动测试装置

技术领域

本发明涉及音频声响特性测试邻域，更具体地说是涉及一种海船号笛的声响特性的自动测试装置。

背景技术

海船用号笛是船舶航行作业中极为关键的声响安全设备，它们声响特性(基本频率范围、声压级大小、声辐射指向性)的优劣直接关系到船舶避碰和求救能力。而目前缺少对此类声响特性的自动测试装置系统，实际测试主要通过积分声级计、1/3倍频程滤波器、旋转机械装置等辅助设备，依据GB/T12303-2009标准的测试方法，手动完成。因此，存在以下不足：外接的1/3倍频程滤波器需手动选择测试中心频率，寻找基本频率范围的过程繁琐；测量号笛的声辐射指向性时，手工移动声级计的位置，测量数据点有限，无法保证寻找到有效的最低声压级；读数时，测试人员置于高分贝声场，危害测试人员听觉系统。

目前，市场上常见的声级计的测量上限为135dB，只有少数声级计测量程能大于138dB，如HS5660B(高)型精密脉冲声级计、AWA-5661C型声级计。它们无法测量大型、超型号笛声压级(>138dB)。其次是市售声级计大多采用模拟电路来实现信号1/3倍频程滤波器、频率计权网络及时间计权，其运算速度慢、精度低、动态范围小、功耗大；并且其声压的频谱分析、图形显示、数据存储和打印等功能只能通过外接配套设备的串口才能实现，将它们用于船用号笛声响特性自动测试系统时，其灵活性明显不足。近年来，一些学者开始研究数字式声级计。如：姜志鹏采用数字信号处理器DSP设计了数字声级计的硬件系统，阐述了数字声级计设计原理及系统设计方案；沈秋霞提出了基于DSP的1/3倍频程滤波器的合理设计方案，实现数字声级计对噪声的实时频谱分析。

基于上述分析，集成声压传感技术、机电控制技术、无线单片机等技术，设计一种海船用号笛声响特性自动测试装置具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种海船号笛的声响特性的自动测试装置，能够实现船用号笛声响特性测试过程的自动化，提高效率及测试数据准确性，并避免测试人员处于高声压场中而导致的听觉损害。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种海船号笛的声响特性的自动测试装置，包括：

机架，其水平设于工作面上；

安装台，其水平设于所述机架上并与所述机架连接固定；

水平旋转机构，其与所述安装台转动连接；

方位调节机构，其与所述水平旋转机构连接固定；

待测海船号笛，其水平置于安装台上，所述待测海船号笛的喇叭口位于水平旋转机构的旋转轴线的正上方；

声压传感器，其固设于所述方位调节机构的上方，所述声压传感器的轴线与所述待测海船号笛的轴线在同一个水平面上；所述声压传感器的声音采集端至待测海船号笛的喇叭开口的外缘所形成的垂直平面的水平距离为1m；

测控通信单元，其用来控制所述水平旋转机构转动和所述海船号笛的鸣响，并用于采集所述声压传感器的输出电压信号及信号无线传输；

上位机，其与所述的测控通信单元可以进行双向通讯通信，并进行信号处理，得到测试参数等功能。

所述上位机以预设的步距角通过测控通信单元使水平旋转机构旋转一周，其中，每转动一个步距角的位置时，所述上位机控制所述待测海船号笛鸣响4～5s，号笛鸣响期间所述上位机还控制声压传感器采集待测海船号笛发出的音频信号并将该音频信号传送至所述上位机，由上位机对该音频信号处理并获得1/3倍频程声压级分布图，从此图中可以获得声响的基本频率范围和基本范围内的计权声压级。

所述安装台包括：

支撑主轴，其与所述机架相垂直，其下端还所述机架固定连接；

水平板，其内端与所述支撑主轴的上端固定连接；

滑竿，其内端为U形开口，所述水平板的外端伸入所述U形开口内并通过水平设置的插销活动连接；

压板，当滑竿绕插销旋转至水平位置时，所述压板设于滑竿的内端的上方，所述压板与所述支撑主轴的上端夹持所述滑竿的内端，使滑竿保持水平；

安置台面，其底部开设有滑动孔，滑竿穿过滑动孔并与安置台面滑动连接；所述待测海船号笛水平固定于安置台面的上方，所述支撑主轴的轴线在所述待测海船号笛的喇叭开口的外缘形成的平面内。

所述水平旋转机构包括：

内轴套，其垂直紧套在安装台的支撑主轴上；

外轴套，其套设于内轴套外；

步进电机，其输入端通过测控通信单元与所述上位机相连，接收上位机发出的步进信号；

主动齿轮，其与所述步进电机的驱动轴连接固定；

从动齿轮，其与所述外轴套固定连接，所述从动齿轮与所述主动齿轮在同一水平面上啮合。

所述方位调节机构包括：

伸缩悬臂，其包括水平放置的悬臂以及水平放置的伸缩杆，所述悬臂为空心直管结构，所述悬臂的内端与所述水平旋转机构固定连接；所述伸缩杆的内端从所述悬臂的外端伸入悬臂内并与悬臂滑动连接，所述伸缩杆的外端设有末端孔；

夹持头，其垂直穿过所述末端孔并与所述末端孔滑动连接；所述声压传感器固设于夹持头的上端。

所述声压传感器包括：

传声器，其声音采集端与所述待测海船号笛的喇叭开口位置相对，所述传声器为大量程无规入射型传声器；

前置放大器，其输入端与所述传声器的输出端相连；其输出端与所述上位机相连。

前置放大器，其输入端与所述传声器的输出端相连；其输出端与下述无线信号传输控制模块中的无线收发模块A相连。

所述的测控通信单元包括：无线收发模块A、无线收发模块B、步进电机驱动器、继电器模块和电源模块。所述无线收发模块A带有模数转换功能，其与所述步进电机驱动器、声压传感器、继电器和电源模块通过导线连接，置于所述的机架上。所述无线收发模块A和无线收发模块B之间通过无线传输技术进行双向通信。所述继电器模块是所述无线收发模块A用来控制所述待测海船号笛工作电源开断的。所述电源模块为所述的无线收发模块A、步进电机驱动器、继电器模块和声传感器提供稳定的工作电源。

与现有技术相比，本发明提出的一种海船号笛的声响特性的自动测试装置，本发明装置结构简单，可折叠，便于携带外出测试。采用了声压传感技术、无线单片机技术、机电控制技术、虚拟仪器等技术，提供一种号笛声响特性自动测试系统，提高了号笛声压性能测试的效率，使测量结果更准确，并可使测试人员远离测试的高声压区域，避免测试人员听觉受损。

附图说明

图1是本发明的实施例的结构示意图；

图2是图1中的A-A剖视图；

图3是本发明的实施例的测控通信单元的原理示意图；

图4是本发明的实施例的测控通信单元中的主要模块接口连接示意图；

图中，1.步进电机；2.安装台；3.夹持头；4.机架；5.主动齿轮；6.从动齿轮；7.内轴套；8.外轴套；9圆螺母A；10.圆螺母B；11.安置台面；12.滑竿；13.支撑主轴；14.水平板；15.压板；16.托板；17.号笛；18.插销；19.紧固螺栓A；20.悬臂；21伸缩杆；22.紧固螺栓B；23.末端孔；24.紧固螺栓C；25.传声器；26.前置放大器；27.声压传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明所述的海船用号笛声响特性测试装置包括机架、安装台、声压传感器、水平旋转机构、方位调节机构、测控通信单元和上位机软件部分。

如图1所示是海船用号笛声响特性测试装置示意图，机架4放置在水平工作面上，通过水平旋转机构、方位调节机构使安装在夹持头3上的声压传感器27围绕号笛17喇叭口垂直中心轴旋转。结合图2所示，水平旋转机构主要由步进电机1、主动齿轮5、从动齿轮6、内轴套7、外轴套8等组成，其中主动齿轮5通过键槽与步进电机1的驱动轴连接；内轴套7紧套在支撑主轴13上，外轴套8套在内轴套7外；外轴套8上焊接伸缩悬臂20；从动齿轮6通过键槽与外轴套7连接，并通过上圆螺母A9、下圆螺母B10固定。本实施例中可选用二相混合式步进电机86HS1146A4。它的步距角为1.8°，静力矩8.2N·M，其有良好的内部阻尼特性，运行平稳，无明显低频振荡区；且造型美观，结构牢固，噪音低，可靠性高，使用寿命长。

安装台2主要由安置台面11、滑竿12、支撑主轴13、水平板14、压板15等组成。安置台面11底部开有滑动孔，滑竿12穿过滑动孔，则可以平移安置在安置台面11上的号笛17，使号笛17喇叭口正中心位于支撑主轴13的正上方；水平板14与支撑主轴13互相垂直，焊接在支撑主轴的托板16上；滑竿12和水平板14通过插销18连接，使滑竿12可以绕插销18旋转；压板15中部有一通孔，压板15通过压住滑竿12末端，使用一紧固螺钉A19穿过压板15的通孔拧入水平板14的螺纹孔来锁紧压板15使滑竿12保持水平。

伸缩悬臂主要由悬臂20以及伸缩杆21组成；悬臂20为空心直管，悬臂20末端上有一紧固螺钉B22，悬臂20内装有伸缩杆21；伸缩杆21的末端接有末端孔23。

夹持头3可在末端孔23内上下移动，用于调整固定在夹持头3上的声压传感器27垂直高度，使声压传感器27轴线中心与号笛喇叭口平面中心保持水平。所述声压传感器27高度确定后，通过紧固螺钉C24固定夹持头3高度。

进一步，声压传感器27包括传声器25和前置放大器26，其中传声器25采用大量程无规入射型(即散射场型)传声器。本实施例中传声器可选用MP451型传声器，MP451型传声器是1/4英寸散射场预极化驻极体测量传声器，动态范围35dB～164dB，频率响应为10Hz～50kHz，灵敏度为4mV/Pa，符合IEC61672标准I型的要求。本实施例中前置放大器26可选用MA401型，MA401采用恒流源供电方式，是具有低噪声和高输入阻抗的高品质前置放大器，其优势在于成本较低，可与MP451型传声器配套使用。MA401出色的频率响应可保证其与传声器相配时达到IEC61672标准规定的I型的要求。

如图3所示是海船用号笛声响特性测控通信单元的原理示意图，所述的测控通信单元包括无线收发模块A、无线收发模块B、步进电机驱动器、继电器模块和电源模块。所述无线收发模块A带有模数转换功能，其与步进电机驱动器、声压传感器、电源模块通过导线连接，置于机架4上。所述无线收发模块B被安放在上位机旁，可通过USB口与上位机软件通信。所述无线收发模块A和无线收发模块B之间通过无线技术进行信息双向通信。所述继电器模块是无线收发模块A用来控制号笛工作电源的开断。所述电源模块为无线收发模块B、步进电机驱动器、继电器模块和声传感器提供稳定的工作电源。本实施例中无线收发模块A、无线收发模块B可采用NRF9E5无线收发模块，此模块内嵌8051微控制器，可工作于433MHz全球开放ISM频段免许可证使用，包括4个10位80ksps的AD转换器和8个可编程I/O引脚，最高数据传输速率100kbps。本实施例中步进电机驱动器可选用细分型两相混合式步进电机驱动器，如MD680A。它采用直流24V～80V供电，适合驱动电压24V～80V，电流小于8.0A，外径57mm～86mm的两相混合式步进电机。此驱动器采用交流伺服驱动器的电流环进行细分控制，电机的转矩波动小，低速运行平稳，振动和噪音低。选用的步进电机及其控制器相互配合，经细分处理，至少能实现步距角为0.9°。

图4是本实施例测控通信单元系统主要模块接口连接示意图。其中，声压传感器输出信号采用参考单端模式接入型号为NRF9E5的无线收发模块A的AIN0，信号地线与NRF9E5的模拟地(AIGND)端口连接；步进电机驱动器采用共阳极接线方法，NRF9E5的P00输出脉冲可以控制步进电机的转速，P01口控制电机旋转方向，P02输出的使能信号控制驱动器的工作状态；电源模块为其它部分提供稳定、可靠的工作电压，使各个硬件模块能正常工作。

进一步，所述的上位机软件是在Labview软件开发平台上，其基本功能包括数据处理、电机控制、测试报告生成等；其中利用了NI公司提供的声音与振动工具包进行数据分析，利用报表生成工具包开发生成测试报告。本实施例中，应用软件使用Labview 8.6开发，数据处理借用NI声音与振动工具包，该工具包中包含了电压转物理信号、n倍频程滤波器、计权滤波器等噪声处理子VI，可以直接调用。其中n倍频程滤波器子VI符合IEC61260:1995和ANSI S1.11-2004国际标准。

本发明的自动测试装置的工作过程如下：

1)抬起滑杆，用压板压住滑杆，拧紧紧固螺钉A，使滑动杆保持水平；并抽出伸缩杆，拧紧紧固螺钉B，固定伸缩杆。

2)将号笛安装在安置台面上，滑动安置台面使号笛喇叭口平面中心位于支撑主轴正上方，并上下移动夹持头，使传声器中心正对号笛喇叭口平面中心，此时声压传感器前端面距正前方的号笛喇叭口平面中心刚好为1米。

3)号笛工作电源线与继电器模块连接，并开启电源模块。

4)启动上位机软件，执行号笛声响的基本频率范围和计权声压级测量。此时，上位机软件控制继电器模块接通使号笛上电，号笛鸣响4s～5s之后，测试程序控制继电器模块断开。号笛鸣响期间的音频信号会被声压传感器感知，输出电压信号，此信号被无线收发模块A采集转换为数字量并转发给无线收发模块B，无线收发模块B进一步把数据上传给上位机，经过上位机软件对数据的处理可得到1/3倍频程声压级分布图，从此图中可以获得声响的基本频率范围和基本范围内的计权声压级，完成号笛声响的基本频率范围和计权声压级测试。

5)执行声辐射指向性测试，上位机软件控制步进电机旋转一定角度停止，重复过程(4)的，直到步进电机旋转一周。此过程中，上位机软件会记录下每个旋转角度下的计权声压级。

6)填写测试人员、时间等信息，执行测试报告生成功能，完成测试。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (6)

1.一种海船号笛的声响特性的自动测试装置，其特征在于，包括：

机架，其水平设于工作面上；

安装台，其水平设于所述机架上并与所述机架连接固定；

水平旋转机构，其与所述安装台转动连接；

方位调节机构，其与所述水平旋转机构连接固定；

待测海船号笛，其水平设于安装台上，所述待测海船号笛的喇叭口位于水平旋转机构的旋转轴线的正上方；

声压传感器，其固设于所述方位调节机构的上方，所述声压传感器的轴线与所述待测海船号笛的轴线在同一个水平面上；所述声压传感器的声音采集端至待测海船号笛的喇叭开口的外缘形成的垂直平面的水平距离为1m；

上位机，其通过测控通信单元分别与所述水平旋转机构、待测海船号笛以及声压传感器相连；

所述上位机以预设的步距角通过测控通信单元使水平旋转机构旋转一周，其中，每转动一个步距角的位置时，所述上位机控制所述待测海船号笛鸣响4～5s，号笛鸣响期间所述上位机还控制声压传感器采集待测海船号笛发出的音频信号并将该音频信号传送至所述上位机，由上位机对该音频信号处理并获得1/3倍频程声压级分布图，从此图中可以获得声响的基本频率范围和基本范围内的计权声压级。

2.根据权利要求1所述的自动测试装置，其特征在于：所述安装台包括：

支撑主轴，其与所述机架相垂直，其下端还所述机架固定连接；

水平板，其内端与所述支撑主轴的上端固定连接；

滑竿，其内端为U形开口，所述水平板的外端伸入所述U形开口内并通过水平设置的插销活动连接；

压板，当滑竿绕插销旋转至水平位置时，所述压板设于滑竿的内端的上方，所述压板与所述支撑主轴的上端夹持所述滑竿的内端，使滑竿保持水平；

安置台面，其底部开设有滑动孔，滑竿穿过滑动孔并与安置台面滑动连接；所述待测海船号笛水平固设于安置台面的上方，所述支撑主轴的轴线在所述待测海船号笛的喇叭开口的外缘形成的平面内。

3.根据权利要求1所述的自动测试装置，其特征在于：所述水平旋转机构包括：

内轴套，其垂直紧套在安装台上；

外轴套，其套设于内轴套外；

步进电机，其输入端通过测控通信单元与所述上位机相连，接收上位机发出的步进信号；

主动齿轮，其与所述步进电机的驱动轴连接固定；

从动齿轮，其与所述外轴套固定连接，所述从动齿轮与所述主动齿轮在同一水平面上啮合。

4.根据权利要求1所述的自动测试装置，其特征在于：所述方位调节机构包括：

伸缩悬臂，其包括水平放置的悬臂以及水平放置的伸缩杆，所述悬臂为空心直管结构，所述悬臂的内端与所述水平旋转机构固定连接；所述伸缩杆的内端从所述悬臂的外端伸入悬臂内并与悬臂滑动连接，所述伸缩杆的外端设有末端孔；

夹持头，其垂直穿过所述末端孔并与所述末端孔滑动连接；所述声压传感器固设于夹持头的上端。

5.根据权利要求1所述的自动测试装置，其特征在于，所述声压传感器包括：

传声器，其声音采集端与所述待测海船号笛的喇叭开口位置相对，所述传声器为大量程无规入射型传声器；

前置放大器，其输入端与所述传声器的输出端相连。

6.根据权利要求1所述的自动测试装置，其特征在于，所述测控通信单元包括：

步进电机驱动器，其与所述水平旋转机构相连；

继电器，其与所述待测海船号笛相连；

无线收发模块A，其分别与所述步进电机驱动器、继电器、声压传感器相连；

无线收发模块B，其与所述上位机相连，所述无线收发模块B与无线收发模块A之间通过无线传输实现双向通讯。