虚拟式噪声分析仪的数字计权与开发

    噪声测量仪器在环境、设备的噪声检测和噪声控制中起着十分重要的作用。噪声测量中计权声级和倍频程声压级测量是噪声检测分析中最基本的测量项目,声级计是最常用仪器。传统的声级计一般是利用硬件计权网络实现对噪声信号的计权,利用硬件的滤波网络实现噪声的倍频程分析。一般的声级计一次仅能测量一种声学参数。当需要了解两种不同的计权声级时,必须配接相应的硬件计权网络,分次进行测量。当需要进行倍频程分析时,需要配接相应的倍频程滤波网络,通过切换中心频率来实现,难以满足自动检测的需要。

    噪声倍频程分析相对于一般的频谱分析有其特殊性。噪声倍频程分析总带宽接近20 000 Hz,由于常规的频谱分析一般具有恒定带宽特性,利用常规的频谱分析仪很难一次完成一个标准的1P3倍频程的实时测量和计权分析。

    虚拟仪器技术是近年兴起的一项新技术,它充分利用了计算机的高可靠性、低成本和易用性的优势正不断冲击常规测试仪器。利用虚拟仪器技术和集成测试技术发展新型测量手段将成为一个研究热点[1]。为了利用虚拟仪器技术开发噪声倍频程分析仪,提出一种基于FFT的快速噪声倍频程分析方法,它不仅精度高、速度快,而且很容易实现仪器化。由于这一方法是一种基于软件的方法,特别适用于虚拟仪器。作者重点介绍一方法所涉及的数字计权方法并介绍系统的开发。

    1 噪声测量系统中的数字计权方法

    当声压强度相同时,人耳对于低频段噪声远不如高频段噪声敏感。为了客观反映人耳对噪声响度的频率响应,在噪声评价中,采用计权声级作为评价参数。其中,由于A计权声级能很好地反映人耳对噪声响度的频率响应,应用最为普遍。各种计权的修正量可参考相应的标准。

    传统的声级计,计权处理一般依赖于硬件的计权网络。硬件的计权网络不仅制造调试很困难,测量的精度也受到硬件的制约,仪器的长期精度难以得到保证。利用软件的方法进行数字计权处理不仅可以减少仪器的硬件,也可保证仪器的长期精度。

    为了说明噪声测量系统中的数字计权方法,首先考察噪声声压级的定义[2]:

    其中:pe0=2@10-5Pa为基准声压,pe为有效声压。在实际声场中,当有n个纯音噪声源同时发出噪声时,设声场中某处第k个纯音噪声源声压信号为pk(t),对应的声压信号幅值为pek,根据声能叠加原理并利用声强与声压的关系,可得

    由式(2)可知,多声源合成声压的能量与各纯音的能量成线性关系。

    为了方便起见,考查式(1),在仪器的放大增益调整时,采用标定的方法总可以使pe0= 1。这样,对应纯音源pk(t),相应的声级可改写为下式