CN204964008U - 一种用于多方向测试高铁噪声的mems传声器 - Google Patents

Abstract

一种用于多方向测试高铁噪声的MEMS传声器，属于噪音检测技术领域。包括多方向调整器、MCU、声音传感器、信号放大电路、采样电路、TF卡、光电显示与报警电路和电源模块；声音传感器的输出端连接信号放大电路的输入端，信号放大电路的输出端连接采样电路的输入端，采样电路的输出端连接到MCU，MCU同时还与TF卡、光电显示与报警电路和电源模块相连接；多方向调整器包括半球形基座体、环形套盖体和设置在半球形基座体上含义扁平球形壳体；环形套盖体套过该扁平球形壳体上端与半球形基座体固定连接，显露在环形套盖体外部的扁平球形壳体上端部作为手持端扭转扁平球形壳体；可多个方向获取噪声数据，操作简单成本低廉，可以获得噪声等级对应的声音信号。

Description

一种用于多方向测试高铁噪声的MEMS传声器

技术领域

本实用新型属于噪音检测技术领域，具体涉及一种用于多方向测试高铁噪声的MEMS传声器。

背景技术

高铁机车所产生的噪音会严重影响高铁乘客的舒适度。长时间处于噪音环境下容易导致听力损害。因此对噪声信号的监测和分析对于防范噪音提高乘客舒适度有着重要的意义。同时由于高铁噪音信号的周期性，传统的噪声测试仪一般采用人工定点测量来获得某一时段的噪声数据，该方法存在着较大的局限性，主要表现在：①常采用人工的方式控制传感器来采集信号，无法根据噪声的分贝来灵活控制传感器采集需要的噪声信号；②无法在采集噪声信号的同时，给予报警或者传感器工作状态等实时信息，以便于判断当前噪声的大小；③无法方便自由地调整噪音测量方向。

MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。利用MEMS传感器技术制造的硅传声器具有较好的声学性能，同时在耐高温，可靠性，均匀性，功耗，以及尺寸设计上有着很大的灵活度。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供一种用于多方向测试高铁噪声的MEMS传声器。

本实用新型的技术方案：

一种用于多方向测试高铁噪声的MEMS传声器，包括多方向调整器、MCU、声音传感器、信号放大电路、采样电路、TF卡、光电显示与报警电路和电源模块；其中声音传感器的输出端连接信号放大电路的输入端，信号放大电路的输出端连接采样电路的输入端，采样电路的输出端连接到MCU，MCU同时还与TF卡、光电显示与报警电路和电源模块相连接；

该MEMS传声器包括两种电路板形式，第一种形式：MCU、声音传感器、信号放大电路、采样电路、TF卡光电显示与报警电路和电源模块集成在一块电路板上；电源模块用于为电路板上的所有部件供电，该电路板固定封装在所述多方向调整器的扁平球形壳体内部；

第二种形式：MCU、声音传感器、信号放大电路和采样电路集成在第一块电路板上，且第一块电路板封装固定在上半球内的球顶处或下半球内的球顶处；TF卡、光电显示与报警电路、电源模块集成在第二块电路板上，且相应地第二块电路板封装固定在下半球内的球顶处或者上半球内的球顶处；第一块电路板和第二块电路板之间通过一条柔性排线连接；电源模块用于为第一块电路板和第二块电路板上的所有部件供电。

所述多方向调整器包括半球形基座体、环形套盖体和用于对电路板进行封装固定的扁平球形壳体；所述扁平球形壳体由固定连接的两部分构成，分别定义为上半球和下半球，上、下半球的顶部均为扁平状；扁平球形壳体设置在半球形基座体上，环形套盖体套过该扁平球形壳体上端与半球形基座体固定连接，且扁平球形壳体上端部显露在环形套盖体外部，该显露在环形套盖体外部的扁平球形壳体上端部作为手持端，用于手工扭转扁平球形壳体，扁平球形壳体在扭转力的作用下可以在半球形基座体内任意滑动调整，实现扁平球形壳体内的声音传感器的噪声信号测试方向与感兴趣噪声测点方向一致，从而可以实现从多个方向测试高铁噪声的目的；

所述显露在环形套盖体外部的扁平球形壳体上端部设置一能够使噪声进入扁平球形壳体内部的长方形孔以及设置三个分别用于安装固定光电显示电路中3个LED指示灯的3个孔；进一步地，在该长方形孔上安装有用于避免噪声测试中较大风速干扰的防风保护片；

进一步地在所述环形套盖体上设置有螺钉结构形式的卡具，该卡具从环形套盖体外侧穿入环形套盖体内并与扁平球形壳体直接刚性接触；

更进一步地，所述半球形基座体的底面安装有强力磁体，同时，基座体底部还设置了螺纹孔；当待测噪声位置附近的选定结构为铁质材料时，通过磁力吸附的方法将半球形基座体固定连接在选定结构的表面上；当待测机构为非铁质材料时，利用半球形基座体底部设置的螺纹孔通过螺柱将半球形基座体固定在选定结构表面上。

又进一步地，所述半球形基座体的底部还安装滑道，该滑道可与无损贴片配合，通过在无损贴片底面涂覆胶水的方式，将半球形基座体固定在选定结构表面上。

有益效果：本实用新型在新型MEMS传声器的基础上，提出的一种用于多方向测试高铁噪声的MEMS传声器，其不仅具有噪声测试和存储功能，还可以通过设计的多方向调整器，在无需配备数据采集仪的条件下，实现多个方向噪声数据的获取，能够实现噪声信号的准确测量，且操作简单成本低廉，能够适应复杂的工作环境。同时，还具有噪声触发和光电显示功能，可以灵活地获得所需噪声等级对应的声音信号，其在高铁噪声检测领域有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型第一种实施方式的电路板90的结构示意图；

图2为本实用新型一种实施方式的全方位调整器10的立体图；

图3为本实用新型第二种实施方式的扁平球形壳体与电路板的装配示意图；

图4为本实用新型显露在环形套盖体101外部的扁平球形壳体102上端部的俯视图；

图5为本实用新型实施方式的MSP430F435型单片机及其外围电路图；

图6为本实用新型一种实施方式的声音传感器与信号放大电路的连接关系图；

图7为本实用新型一种实施方式的采样电路图；

图8为本实用新型一种实施方式的473521001型TF卡插座电路图；

图9为本实用新型一种实施方式的光电显示电路图；

图10为本实用新型一种实施方式的报警电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的一种实施方式作详细说明。

本实用新型的用于多方向测试高铁噪声的MEMS传声器，包括：多方向调整器10、MCU20、声音传感器30、采样电路50、信号放大电路80、TF卡(Trans-flashCard)40、光电显示与报警电路60和电源模块70。其中声音传感器30的输出端连接信号放大电路80的输入端，信号放大电路80的输出端连接采样电路50的输入端，采样电路50的输出端连接到MCU20，MCU20同时还与TF卡40、光电显示与报警电路60和电源模块70相连接；

本实用新型的第一种实施方式是将MCU20、声音传感器30、TF卡(Trans-flashCard)40、采样电路50、信号放大电路80、光电显示与报警电路60和电源模块70集成在一块电路板90上，如图1所示，其中电源模块70用于为电路板90上的所有部件供电，电路板90固定封装在多方向调整器10的扁平球形壳体102内部，在第一种实施方式中电源模块采用可充电的纽扣电池，容量为120～180mA；对应的充电电路采用的是TI的锂电池供电芯片，充电过程经历调节、恒流、恒压三个环节。

为了尽可能为MEMS传声器提供较长的带电时间，可以采用大容量电池83，同时，为了便于更换电池83，充分利用传声器空间，减小传声器体积，本实用新型的第二种实施方式是将MCU20、声音传感器30、信号放大电路80和采样电路50集成在第一块电路板81上，并将第一块电路板81封装固定在上半球内的球顶处或下半球内的球顶处；将TF卡(Trans-flashCard)40、光电显示与报警电路60和电源模块70集成在第二块电路板82上，且相应地将第二块电路板82封装固定在下半球内的球顶处或者上半球内的球顶处；如图3所示，第一块电路板81封装固定在上半球内的球顶处，相应地第二快电路板82封装固定在下半球内的球顶处；在第二种实施方式中第一块电路板81和第二块电路板82之间通过一条柔性排线连接，使得MCU20同时与TF卡40、光电显示与报警电路60和电源模块70相连接；

所述多方向调整器10进一步包括半球形基座体100、环形套盖体101和用于对电路板进行封装固定的扁平球形壳体102，如图2和图3所示；所述扁平球形壳体102由固定连接的两部分构成，分别定义为上半球1021和下半球1022，上、下半球1021，1022的顶部均为扁平状；该传声器在安装时：(1)首先，本实用新型的第一种实施方式中将电路板80封装并固定在扁平球形壳体102的上半球1021顶部扁平位置处或者下半球1022顶部扁平位置处，以避免电路板80移动；本实用新型的第二种实施方式中将第一块电路板封装并固定在扁平球形壳体102的上半球1021顶部扁平位置处，将第二块电路板封装并固定在扁平球形壳体102的下半球1022顶部扁平位置处，以避免电路板80移动；(2)然后，将半球1021和下半球1022通过螺纹连接在一起构成扁平球形壳体102；(3)接下来，将该扁平球形壳体102置于半球形基座体100上；(4)再然后，将环形套盖体101套过该扁平球形壳体102上端与半球形基座体100以螺纹形式固定连接，显露在环形套盖体101外部的扁平球形壳体102的上端部10211作为手持端，用于手工扭转扁平球形壳体102，扁平球形壳体102在扭转力的作用下可以在半球形基座体100内任意滑动调整，实现扁平球形壳体102内的MEMS加速度传感器30的噪声信号测试方向与感兴趣噪声测点方向一致，从而可以实现多方向测试高铁噪声。

所述显露在环形套盖体101外部的扁平球形壳体102上端部设置一能够使噪声进入扁平球形壳体内部的孔1023，如图4所示，以及设置三个分别用于安装固定光电显示电路中3个LED指示灯的3个孔1024。本实施方式孔1023为矩形孔，如图4所示，并在该孔上安装有防风保护片1025，以避免噪声测试中较大的风速干扰，其可以由树脂、海绵等材料切割制成。

另外，在环形套盖体101上设置有螺钉结构形式的卡具103，如图2所示，该卡具103从环形套盖体101外侧穿入环形套盖体101内并与扁平球形壳体102直接刚性接触，以固定扁平球形壳体102，避免噪声信号测试过程中扁平球形壳体102与半球形基座体100之间发生滑动。

应用所述MEMS传声器时，需将半球形基座体100固定在需要测试噪声位置附近的选定结构(例如，墙壁、门板、窗户等)上，为实现这一目的，本实用新型的半球形基座体100的底面安装有强力磁体，同时，基座体100底部还设置了螺纹孔；当待测噪声位置附近的选定结构为铁质材料时，通过磁力吸附的方法将半球形基座体100固定连接在选定结构的表面上；当待测机构为非铁质材料时，利用半球形基座体100底部设置的螺纹孔通过螺柱104将半球形基座体100固定在选定结构表面上；另外，半球形基座体100的底部还安装了滑道105，如图2和图3所示，该滑道105可与无损贴片106配合，通过在无损贴片106底面涂覆胶水的方式，将半球形基座体100固定在选定结构表面上。

所述的MCU采用的是MSP430F435型单片机，如图5所示的MSP430F435型单片机及其外围电路图；本实施方式的声音传感器采用的是型号为HUC1002型的声音传感器；如图6所示，声音传感器的输出端与信号放大电路的输入端相连接。本实施方式的信号放大电路由两个型号为LM2904的运算放大器级联构成，如图6所示。本实施方式中采样电路采用的是型号为AD7888的采样芯片，如图7所示。声音传感器将采集到的模拟量信号，经过信号放大电路后，传给AD7888采样芯片，AD7888采样芯片将采集到的噪声模拟电信号转化为噪声数字电信号，通过SPI接口与MSP430F435型单片机进行数据交互。信号放大电路的输出端连接到AD7888采样芯片的AIN1引脚；AD7888采样芯片的引脚REF、SCLK、DOUT、DIN分别与MSP430F435型单片机的引脚P3.0、VREF+、P3.3、P3.2、P3.1相连接。

本实施方式的TF卡采用的是8G的闪迪TF卡，如图8所示，应用TF卡时是将TF卡插入473521001型TF卡插座中；本实施方式是利用MSP430F435型单片机的SPI接口对TF卡进行读写操作，对待存储的数据进行操作。MSP430F435型单片机的引脚P1.1至P1.4分别与473521001型TF卡插座的CS、DI、SCLK和DO连接起来。

所述的光电显示与报警电路由光电显示电路和报警电路两部分构成，分别如图9和图10所示，其中光电显示电路包括3个LED指示灯，用于指示传声器的工作状态。当传声器通电时黄灯亮；当测量信号在量程内传声器能够正常工作时绿灯亮；当测量信号超过量程，传声器无法正常工作时红灯亮，同时触发报警电路，给予声音报警提示。通过MSP430F435型单片机的IO口与光电显示电路的LED指示灯及报警电路的蜂鸣器连接在一起，LED指示灯利用的是低电平有效的IO信号，蜂鸣器是依靠MSP430F435型单片机通过三极管来驱动的，利用的是高电平有效的IO信号。

采用所述的用于多方向测试高铁噪声的MEMS传声器的方法，包括如下步骤：

步骤1：根据声信号测试的需要，在需要测试噪声信号的附近区域将一个或者多个传声器相应地布置在预先确定的一个或者多个测点上；

步骤2：首先确定测点的感兴趣噪声方向，然后将卡具103松解使扁平球形壳体102可以自由活动，再然后通过所述手持端手工转动扁平球形壳体102，使得声音传感器的测试方向与感兴趣噪声方向一致后，再锁紧卡具103，以使扁平球形壳体102固定，避免振动；

步骤3：高铁在运行中产生的噪声的声波会触发HUC1002型声音传感器的振膜弯曲，进而振膜和背板之间的电容发生改变，从而将声音信号转化为模拟电信号，然后通过信号放大电路将该模拟电信号放大，最后通过采样电路将电信号转化为数字电信号并将该数字电信号数据通过I²C总线传送给MSP430F435型单片机；

步骤3-1：在第一次给电路板上电时，首先MSP430F435型单片机进行对其外设的初始化和复位工作，然后通过Mailbox命令HUC1002型声音传感器从深睡眠状态唤醒。

步骤3-2：MSP430F435型单片机通过触发START信号给I²C总线表示开始数据的传输，此时I²C总线中的数据线(SDA线)由高电平跳变到低电平表示总线进入繁忙状态。紧接着START信号后，作为主机的MSP430F435型单片机会发送一个字节数据，前7位表示从机地址，第8位用于指示数据方向是读出(利用1表示数据从从机到主机)还是写入(利用0表示数据从主机到从机)。之后I²C总线上的所有从机将自己的地址与从总线上接收到的地址进行比较，地址匹配即为主机选中的设备。此时单片机即可通过一定的时序访问I²C总线来实现对数字信号的读取和写入。当SDA线由低电平向高电平切换的时候，表示停止条件，停止条件将终止本次数据的发送。

步骤4：MCU实时将接收到的噪声数字电信号数据与预设的阈值进行对比，并根据对比结果，将相应噪声等级的噪声信号过滤出来作为待存储噪声信号；

步骤4-1：本实施方式在MSP430F435型单片机中预先设定两个噪声阈值：听力不适噪音阀值80dB和听力损伤噪音阀值110dB；由于高铁的噪音信号具有很强的突发性和瞬时性，在特定时间段内又具有一定的周期性，关注超过某一个设定值的噪音信号才有意义，而无需记录低于设定值对应时刻的噪音信号。

步骤4-2：MSP430F435型单片机将接收到的噪声数字电信号数据与预设的听力不适噪音阀值80dB和听力损伤噪音阀值110dB进行对比，若当前的高铁机车噪声信号大于等于听力不适噪音阀值80dB且小于阈值听力损伤噪音阀值110dB时，则表明当前噪声超过了正常范围，长时间在这样的噪声环境下会令人感觉不适，但还并不是极其刺耳的噪声，该噪声等级还不会对人的听觉造成严重损。但非常有必要把当前的噪声信号存储下来，以便于进一步的分析和监测，为后续采用的降噪措施提供实验数据；若当前的高铁机车噪声信号小于听力不适噪音阀值80dB，则表明当前的噪声大小符合正常的标准，此时高铁在行进过程中产生的噪声并不会让人产生反感或不适，因此并不需要把当前的噪声信号存储下来；若当前的高铁机车噪声信号大于等于听力损伤噪音阀值110dB，则表明当前噪声极其刺耳，严重影响乘客的听觉和身心健康，必须对上述噪声信号进行采集和存储，以便后续采用降噪措施进行改进。通过这种首先判断噪声等级的方法来智能地选择需要采集的噪声信号，保证准确采集到所关心的噪声信号的同时，也降低了传感器的功耗。

步骤5：MCU将需要存储的数据进行滤波处理后，发送给TF卡进行存储。

步骤5-1：MCU首先将I²C总线上的数据存到缓存队列中，之后对缓存队列中的数据进行滤波处理；

步骤5-2：滤波后的数据会被写入TF卡数据暂存区，TF卡数据处理函数根据智能切分算法将数据分割后，按采集时间命名成多个大小合适的文件；

步骤5-3：TF卡根据加密算法将分割后的数据加密并对数据进行压缩后存储到上述各个文件中；

步骤5-4：TF卡读写函数会实时将分割后的文件，通过SPI总线写入系统初始化时建立好的文件系统中，以便于上位机对数据做进一步的分析和处理。

Claims (10)

1.一种用于多方向测试高铁噪声的MEMS传声器，其特征在于：包括多方向调整器(10)、MCU(20)、声音传感器(30)、信号放大电路(80)、采样电路(50)、TF卡(40)、光电显示与报警电路(60)和电源模块(70)；

所述MCU(20)、声音传感器(30)、信号放大电路(80)、采样电路(50)、TF卡(40)、光电显示与报警电路(60)和电源模块(70)集成在一块电路板(90)上；电源模块(70)用于为该电路板(90)上的所有部件供电，电路板(90)固定封装在扁平球形壳体(102)内部；

所述多方向调整器(10)包括半球形基座体(100)、环形套盖体(101)和用于对电路板进行封装固定的扁平球形壳体(102)；所述扁平球形壳体(102)由固定连接的两部分构成，分别定义为上半球(1021)和下半球(1022)；上、下半球(1021，1022)的顶部均为扁平状；扁平球形壳体(102)设置在半球形基座体(100)上，环形套盖体(101)套过该扁平球形壳体(102)上端与半球形基座体(100)固定连接，且扁平球形壳体上端部显露在环形套盖体(101)外部；显露在环形套盖体(101)外部的扁平球形壳体(102)的上端部(10211)作为手持端，用于手工扭转扁平球形壳体(102)；扁平球形壳体(102)在扭转力的作用下可以在半球形基座体(100)内任意滑动调整，实现扁平球形壳体(102)内的声音传感器(30)的噪声信号测试方向与感兴趣噪声测点方向一致，从而可以实现多方向测试高铁噪声；所述显露在环形套盖体(101)外部的扁平球形壳体(102)上端部设置一能够使噪声进入扁平球形壳体内部的孔(1023)。

2.一种用于多方向测试高铁噪声的MEMS传声器，其特征在于：包括多方向调整器(10)、MCU(20)、声音传感器(30)、信号放大电路(80)、采样电路(50)、TF卡(40)、光电显示与报警电路(60)和电源模块(70)；

所述MCU(20)、声音传感器(30)、信号放大电路(80)和采样电路(50)集成在第一块电路板(81)上，且第一块电路板(81)封装固定在上半球(1021)内球顶处或下半球(1022)内球顶处；TF卡(40)、光电显示与报警电路(60)和电源模块(70)集成在第二块电路板(82)上，且相应地第二块电路板(82)封装固定在下半球(1022)内球顶处或者上半球(1021)的球顶；第一块电路板(81)和第二块电路板(82)之间通过柔性排线连接，使得MCU同时与TF卡、光电显示与报警电路和电源模块连接起来；

所述多方向调整器(10)包括半球形基座体(100)、环形套盖体(101)和用于对电路板进行封装固定的扁平球形壳体(102)；所述扁平球形壳体(102)由固定连接的两部分构成，分别定义为上半球(1021)和下半球(1022)；上、下半球(1021，1022)的顶部均为扁平状；扁平球形壳体(102)设置在半球形基座体(100)上，环形套盖体(101)套过该扁平球形壳体(102)上端与半球形基座体(100)固定连接，且扁平球形壳体上端部显露在环形套盖体(101)外部；显露在环形套盖体(101)外部的扁平球形壳体(102)的上端部(10211)作为手持端，用于手工扭转扁平球形壳体(102)；扁平球形壳体(102)在扭转力的作用下可以在半球形基座体(100)内任意滑动调整，实现扁平球形壳体(102)内的声音传感器(30)的噪声信号测试方向与感兴趣噪声测点方向一致，从而可以实现多方向测试高铁噪声；所述显露在环形套盖体(101)外部的扁平球形壳体(102)上端部设置一能够使噪声进入扁平球形壳体内部的孔(1023)。

3.根据权利要求1或2所述的多方向测试高铁噪声的MEMS传声器，其特征在于：在所述孔(1023)上安装有用于避免噪声测试中较大风速干扰的防风保护片(1025)。

4.根据权利要求1或2所述的多方向测试高铁噪声的MEMS传声器，其特征在于：在所述环形套盖体(101)上设置有螺钉结构形式的卡具(103)，该卡具(103)从环形套盖体(101)外侧穿入环形套盖体(101)内并与扁平球形壳体(102)直接刚性接触。

5.根据权利要求3所述的多方向测试高铁噪声的MEMS传声器，其特征在于：在所述环形套盖体(101)上设置有螺钉结构形式的卡具(103)，该卡具(103)从环形套盖体(101)外侧穿入环形套盖体(101)内并与扁平球形壳体(102)直接刚性接触。

6.根据权利要求3所述的多方向测试高铁噪声的MEMS传声器，其特征在于：所述半球形基座体(100)的底面安装有强力磁体，同时，基座体(100)底部还设置了螺纹孔；当待测噪声位置附近的选定结构为铁质材料时，通过磁力吸附的方法将半球形基座体(100)固定连接在选定结构的表面上；当待测机构为非铁质材料时，利用半球形基座体(100)底部设置的螺纹孔通过螺柱(104)将半球形基座体(100)固定在选定结构表面上。

7.根据权利要求4所述的多方向测试高铁噪声的MEMS传声器，其特征在于：所述半球形基座体(100)的底面安装有强力磁体，同时，基座体(100)底部还设置了螺纹孔；当待测噪声位置附近的选定结构为铁质材料时，通过磁力吸附的方法将半球形基座体(100)固定连接在选定结构的表面上；当待测机构为非铁质材料时，利用半球形基座体(100)底部设置的螺纹孔通过螺柱(104)将半球形基座体(100)固定在选定结构表面上。

8.根据权利要求5所述的多方向测试高铁噪声的MEMS传声器，其特征在于：所述半球形基座体(100)的底面安装有强力磁体，同时，基座体(100)底部还设置了螺纹孔；当待测噪声位置附近的选定结构为铁质材料时，通过磁力吸附的方法将半球形基座体(100)固定连接在选定结构的表面上；当待测机构为非铁质材料时，利用半球形基座体(100)底部设置的螺纹孔通过螺柱(104)将半球形基座体(100)固定在选定结构表面上。

9.根据权利要求7所述的多方向测试高铁噪声的MEMS传声器，其特征在于：所述半球形基座体(100)的底部安装滑道(105)，该滑道(105)可与无损贴片(106)配合，通过在无损贴片(106)底面涂覆胶水的方式，将半球形基座体(100)固定在选定结构表面上。

10.根据权利要求8所述的多方向测试高铁噪声的MEMS传声器，其特征在于：所述半球形基座体(100)的底部安装滑道(105)，该滑道(105)可与无损贴片(106)配合，通过在无损贴片(106)底面涂覆胶水的方式，将半球形基座体(100)固定在选定结构表面上。