CN110307893A - 远程检查噪声监测系统中的传声器状况 - Google Patents

远程检查噪声监测系统中的传声器状况 Download PDF

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Abstract

一种用于检查噪声监测系统中的传声器状况的方法，其中噪声监测系统包括：至少两个传声器(111,112)，至少两个传声器(111,112)物理上相对彼此进行布置为使得当传声器(111,112)被放置在被监测的声场时，对于监测频率范围，每个传声器处的声场的RMS(均方根)信号电平基本相同；以及传声器灵敏度寄存器(131)，其包括参考数据，参考数据表示参考声场中由传声器测量的输出RMS信号电平之间的初始灵敏度差值(Δ0)；其中，该方法包括：比较针对当前监测的声场由传声器(111，112)同时输出的RMS信号电平之间的当前差值(Δ1,Δ2)，并且如果当前差值(Δ1,Δ2)与初始灵敏度差值(Δ0)相差超出可接受限度，则生成故障信号。

Description

远程检查噪声监测系统中的传声器状况
技术领域
本发明涉及远程检查噪声监测系统中的传声器状况。
背景技术
室外噪声监测系统用于例如道路上、飞机场等的噪声的长期测量。持续检查这些系统的运行准确性是必要的，从而确保正确地生成测量结果。优选的是，在传声器系统，能够远程执行检查，而不需要操作者执行手动过程。检查过程中的一个过程是检查系统是否根据初始的校准来操作。
目前为止，典型的室外噪声监测站使用电容式传声器。电容式传声器能够利用静电致动器来进行校准，该静电致动器包括允许向传声器的金属或金属化的膜片施加静电力从而执行校准的电极。可替换地，能够测量传声器的等效电容。
还可以通过执行由被测传声器与参考传声器接收到的声音水平的比较来执行声学校准。然而，由于电容式传声器相对较大并且需要高性能的前置放大器，参考传声器将会占据测量系统壳体中过多的空间，该测量系统壳体必须满足严格的声学要求。另外，这样的系统需要生成参考声学信号，这使其在实践中难以应用。
美国专利申请US20140369511公开了一种由两个全向声学传感器形成的自校准偶极传声器。传声器包括声源，该声源在声学上耦合到声学传感器和处理器。利用测试信号来激励该声源，将声学传感器暴露到同相位的声学校准信号。声学传感器对于校准信号的响应由处理器进行比较，并且确定修正传递函数。该系统尤其针对偶极传声器来设计。
最近已经开发出MEMS传声器并且发现越来越多的使用用途。目前为止，很少对MEMS传声器用于室外监测系统的使用可能性进行研究。MEMS传声器尺寸非常小，这允许设计一种多传声器系统，该系统具有声场中所使用的标准尺寸的外壳(例如，直径为1/2"或1”)。然而，MEMS传声器不具有如在电容式传声器的情况下的能够测量的等效电容，并且无法由静电致动器进行激励。
欧洲专利申请EP3223541公开了具有集成的远程声学校准系统的多传声器系统。该校准系统包括用于测量环境声音的参考传声器和多个测量传声器。在参考传声器和测量传声器测量的水平相差大于特定阈值时，输出负的系统检查结果。
用于检查传声器的现有技术解决方案需要中断系统的常规操作来执行系统检查，并且需要使用专用的参考传声器来执行系统检查。
需要提供一种替换的解决方案，这种方案将允许系统在不需要中断传声器系统的常规声音测量操作的情况下进行系统检查。
发明内容
这里公开了一种用于检查噪声监测系统中的传声器状况的方法，其中噪声监测系统包括：至少两个传声器，该至少两个传声器物理上相对彼此进行布置使得，当传声器位于被监测的声场时，对于监测频率范围，每个传声器处的声场的RMS(均方根)信号电平基本相同；以及传声器灵敏度寄存器，该传声器灵敏度寄存器包括参考数据，该参考数据表示参考声场中由传声器测量的输出RMS信号电平之间的初始灵敏度差(Δ0)；其中，该方法包括：比较针对当前监测的声场由传声器同时输出的RMS信号电平之间的当前差值(Δ1,Δ2)，并且如果当前差值(Δ1,Δ2)与初始灵敏度差值(Δ0)相差超出可接受限度，则生成故障信号。
如果RMS信号电平之间的差值小于触发故障信号的可接受限度，则能够认为两个RMS信号电平基本相同。
能够针对宽带信号来分析RMS信号电平之间的差值(Δ0,Δ1,Δ2)。
能够针对多个窄带信号来分别地分析RMS信号电平之间的差值(Δ0,Δ1,Δ2)。
可接受限度能够定义为当前差值(Δ1,Δ2)与初始灵敏度差值(Δ0)之间的比值。
可接受限度能够定义为当前差值(Δ1,Δ2)与初始灵敏度差值(Δ0)之间的差值。
本发明特别适用于具有多个MEMS传声器的传声器系统，因为能够将这些传声器放置得在物理上相互非常近，使得所有的传声器以期望的精确度暴露到相同的声场(在音频频带内)。
附图说明
在此利用示例实施例在附图上呈现解决方案，其中：
图1示出传声器系统的功能示意图。
图2示出用于动态系统检查的方法的流程图。
图3A示出在校准过程之后不久执行的正确运行的系统的测量结果的示例。
图3B示出正确运行的系统的测量结果的示例。
图3C示出非正常运行的系统的测量结果的示例。
具体实施方式
图1中示出能够如在此所述执行动态系统检查的传声器系统的功能示意图。
该系统包括相互靠近布置的至少两个传声器111、112。靠近布置是指在特定的监测频率范围内，传声器111、112中的每个传声器具有相同的RMS(均方根)值。换言之，当传声器111、112被放置在待监测的声场中时，每个传声器处的声场的RMS信号电平基本相同。传声器111、112在壳体内的特定布置以及传声器111、112相对于彼此的距离取决于系统的特定设计，并且能够在实验上进行验证和调整。
监测频率范围是假设系统将要针对操作的正确性进行检查所在的范围(或者特定频率)。例如，用于环境噪声监测的室外传声器系统可以具有1kHz的监测频率或者从20Hz到10kHz的监测频率范围。
优选地，传声器111、112是MEMS传声器。
传声器111、112在物理上相对于彼此靠近地布置，从而接收具有基本上相同的RMS值的信号，也就是使得一个传声器测量的信号的RMS值与其他传声器测量的信号的RMS值相差不超过可允许的阈值。
该阈值不应该超出(触发警报的)可接受限度，诸如1dB，或者不应该超出可接受限度的1/2，或者不应该超出可接受限度的1/10。
例如，在使用MEMS传声器的情况下，由于它们的尺寸小(是几毫米大小的集成电路)，多个传声器能够位于共同的PCB(印刷电路板)，在相互之间最优选6mm(或更短)的距离内。优选地，传声器布置在1英寸直径或3/4英寸直径或1/2英寸直径的圆的区域内。传声器优选地布置在共同的印刷电路板上(在此情况下，它们是共平面的)，但是它们还可以布置在单独的印刷电路板上，这些印刷电路板不需要共平面。
传声器111、112的输出连接到多信道模/数转换器(简称为多信道A/D转换器)121，每个传声器输出连接到多信道A/D转换器121的单独的信道输入。针对每个信道，A/D转换器输出与连接到该信道的特定传声器所测量到的信号对应的数字信号。
多信道A/D转换器121连接到信号处理电路130，诸如DSP 130(数字信号处理器)。以下模块能够作为DSP的功能模块来实现。
测量信号处理模块133用于接收多信道A/D转换器121的输出，并且提供与测量传声器所测量的信号总和对应的测量输出信号，这是噪声测量系统的典型功能。
来自所有测量信道(传声器)的信号的加和与单个传声器测量相比额外地改善信噪比(由于特定传声器的非相关自噪声和相关信号的测量)。例如，对于两个传声器信噪比能够是3dB，对于三个传声器是5dB，对于四个传声器是6dB等等。
测量结果能够由输出接口140来输出，例如用于经由有线或无线网络向系统操作者发送信号的远程通信控制器。输出接口140可以包括用于视觉上指示当前测量结果的专用的测量输出指示器141，诸如显示器。
设置传声器灵敏度寄存器131用于存储针对每个传声器的校准信号而获得的参考数据。
系统检查信号处理模块132用于将来自多信道A/D转换器121的当前传声器信号输出(RMS值)与存储在寄存器131中的参考数据进行比较，并且确定传声器灵敏度和/或频率响应的差值是否保持在可接受限度内。如果识别差值大于限度，则生成系统故障(警报)信号。
故障信号能够由输出接口140输出，输出接口140还可以包括用于视觉上发射故障信号的专用故障信号指示器142，诸如发光二极管。
该系统能够根据图2中所示的方法进行操作。首先，通过在步骤201生成共同的校准信号用于所有的传声器111、112进行接收来初始化系统校准。例如，能够使用音调校准器来生成该系统的测量范围内的特定频率的信号或者多个频率的一系列信号。可替换地，或者另外地，能够使用宽带信号发生器来生成该系统的测量范围内的宽带信号。因此，能够针对特定信号执行一个或多个校准过程。
在步骤202，针对传声器111、112中的每个传声器确定传声器灵敏度特性，并且传声器灵敏度数据被存储在传声器灵敏度寄存器中。应当针对每个传声器确定灵敏度特性。能够针对特定频率(诸如，1000Hz)确定灵敏度特性，或者能够针对多个频率确定个体特性。此外，如果使用宽带校准信号，则能够针对“A”加权、“C”加权或者1/1倍频和/或1/3倍频程带确定灵敏度特性。
当在步骤202校准传声器时，也许每个传声器具有略微不同的特性。该步骤的目的在于，针对每个传声器，将传声器的初始特性存储在传声器灵敏度寄存器131中，从而能够在系统的进一步操作期间，检查一个传声器的特性是否从另一传声器的特性偏离到将要指示传声器不再正确操作的程度。
例如，传声器灵敏度寄存器131能够具有表的形式，这些表存储与特定电平和频率的输入信号对应的传声器测量输出值。
另外，可以在寄存器131中生成差值表，这些差值表指示针对特定的校准信号电平和频率，一个传声器的输出相对于另一传声器的输出之间的差值Δ0为多少。
当参考数据针对校准信号被确定并存储在传声器灵敏度寄存器131中时，系统能够切换至常规测量模式。
在步骤203的常规测量期间，能够在步骤204初始化检查，从而由系统检查信号处理模块132将来自多信道A/D转换器121的当前传声器信号与存储在寄存器131中的参考数据进行比较。
在系统检查203期间，将所有传声器的信号的RMS值之间的当前差值与存储在寄存器131中的校准数据进行比较。如果这些差值在准确度阈值内，则系统继续正常的操作。如果不是，则在步骤205中经由系统故障接口142生成并且输出系统故障信号。典型的准确度阈值可以是1至2dB。
图3A示出在校准过程之后不久执行的正确运行的系统的测量结果的示例。图表对应于Mic#1和Mic#2的宽带响应。Δ0描述存储在寄存器131中的Mic#1和Mic#2之间的初始灵敏度差值。
由于系统在现场进行操作，传声器的特性可以逐渐退化。
图3B示出正确运行的系统的测量结果的示例，其中传声器特性已经退化，即灵敏度差值Δ1高于初始灵敏度差值，但是仍然在可接受限度内。Δ1描述测量期间检测到的Mic#1和Mic#2之间的当前灵敏度差值，其小于可接受限度，可接受限度例如被限定为值Δ1和Δ0的一部分(fraction)k1。
图3C示出非正常运行的系统的测量结果的示例，其中传声器特性已经退化超出可接受限度。Δ2描述在测量期间检测到的Mic#1和Mic#2之间的当前灵敏度差值，其大于可接受限度。在此情况下，生成警报信号。例如，如果当前差值超出初始灵敏度差值预定阈值，诸如1dB，则生成警报信号。
检测过程能够持续执行或者以期望的时间间隔定期地执行。信号处理器130的操作并不干扰由测量输出模块141进行的步骤206中的常规测量结果，因此它并不干扰系统的常规测量操作。
系统仅倾向于如下情况，其中所有的传声器以相同的方式发生故障，使得它们将会提供相同的错误结果——但是这种情况的可能性非常小。
此外，该系统不仅允许比较整个测量频带中的信号的RMS值，而且允许比较所选择的频带中的信号的RMS值，即从而检查频率特性的变化。这能够由用于针对所有测量信道来执行倍频程分析的DSP处理器来完成。

Claims (6)

1.一种用于检查噪声监测系统中的传声器状况的方法，其中所述噪声监测系统包括：
-至少两个传声器(111,112)，所述至少两个传声器(111,112)在物理上相对于彼此布置为使得当传声器(111,112)被放置在待监测的声场内时，对于监测的频率范围，在传声器(111,112)中的每个传声器处的声场的RMS(均方根)信号电平相同；以及
-传声器灵敏度寄存器(131)，所述传声器灵敏度寄存器(131)包括参考数据，该参考数据表示在参考声场中由传声器(111,112)测量的输出RMS信号电平之间的初始灵敏度差值(Δ0)；
其中所述方法包括：
-比较针对当前监测的声场由多个传声器(111,112)同时输出的RMS信号电平之间的当前差值(Δ1,Δ2)，并且如果当前差值(Δ1,Δ2)与所述初始灵敏度差值(Δ0)相差大于可接受限度，则生成故障信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，如果RMS信号电平之间的差值低于触发所述故障信号的可接受限度，则两个RMS信号电平基本相同。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中针对宽带信号来分析RMS信号电平之间的差值(Δ0,Δ1,Δ2)。
4.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其中针对多个窄带信号来分别地分析RMS信号电平之间的差值(Δ0,Δ1,Δ2)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述可接受限度被定义为当前差值(Δ1,Δ2)与初始灵敏度差值(Δ0)之间的比值。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述可接受限度被定义为当前差值(Δ1,Δ2)与初始灵敏度差值(Δ0)之间的差值。
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