数字声级计中Ⅰ计权算法设计与本底噪声估计技术研究

摘要

噪声是当代环境的主要污染源之一，影响人们的正常工作、休息和身心健康。为此，针对不同噪声源，许多国家制定了相应的噪声排放标准，以最大限度控制噪声的负面影响。声级计作为噪声排放标准执行时的指定量具之一，它测量的准确性将直接影响标准的执行。与发达国家相比，国内关于噪声测量方面的研究水平还相对较低，数字声级计设计方法还不够完善，如时间计权模型在Ⅰ计权下还无法满足IEC61672中的要求。另外，在进行数字声级计中传声器的信号调理电路设计时，如果本底噪声没有控制好，那么当声级计在安静环境下使用时，微弱的环境噪声将被本底噪声淹没。因此，研究信号调理电路的本底噪声特性，建立本底噪声的分析模型，对于提高传声器输出信号的信噪比，扩展数字声级计的量程下限有重要意义。
　　针对现有数字声级计中Ⅰ计权不满足IEC标准的问题，本文提出带衰减功能峰值检波器的Ⅰ计权数字化实现新方法，设计了一种带衰减功能的峰值检波器，将该峰值检波器级联到IEC61672指定的时间计权模型中，构建高精度Ⅰ计权的模型，给出了详细的时间计权Ⅰ数字化实现过程。
　　为了分析数字声级计的本底噪声，本文介绍了一款基于STM32F407的多功能数字声级计，然后分别以该声级计中阻抗匹配电路的核心器件JFET和信号调理电路中的核心器件运算放大器为对象，研究电路中的主要噪声源，并利用En-In噪声模型构建方法将电路内部噪声源等效到输入端，建立了各个模块的噪声模型，得到噪声谱密度表达式。然后通过将电路中各个模块的噪声叠加，得到数字声级计本底噪声估计值。
　　采用猝发音信号对Ⅰ计权模型进行的现场测试实验表明，基于带衰减功能峰值检波器的Ⅰ计权模型的检波特性和衰减速率均达到IEC61672规定的1级声级计的要求，具有精度高、稳定性好、无需调试等优点，可以为数字声级计的设计者提供参考。本底噪声的实验结果表明，噪声频谱的特征符合文中对噪声的预估，实测数字声级计整机本底噪声声级与理论估计值相差5dB，表明本文使用的噪声估计方法基本正确，可以为数字声级计的电路设计人员降低本底噪声提供理论指导。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 项目研究的意义

1．2 声级计的国内外发展状况

1．2．1 国外发展现状

1．2．2 国内发展现状

1．3 其他新型手持式噪声测量设备

1．4 本论文的研究内容及章节安排

第2章 Ⅰ计权的数字实现方法

2．1 IEC61672中时间计权模型

2．2 Ⅰ计权模型中的数字低通滤波器设计

2．3 Ⅰ计权稳态时间和衰减速率分析

2．3．1 响应时间分析

2．3．2 衰减速度分析

2．4 Ⅰ计权的数字化设计

2．4．1 峰值检波器原理

2．4．2 带衰减的峰值检波器

2．4．3 Ⅰ计权实现步骤及仿真实验

2．4．4 仿真结果分析

第3章 数字声级计工作原理与构成

3．1 数字声级计工作原理

3．2 数字声级计硬件实现方案

3．3 传声器

3．4 信号采集电路

3．4．1 ADC分辨率分析

3．4．2 信号调理电路

3．5 信息处理单元

3．6 电源单元

3．6．1 正负9V电源

3．6．2 5V电源

3．6．3 3．3V电源

第4章 数字声级计的电路噪声分析

4．1 本底噪声的基本理论

4．1．1 噪声的特性

4．1．2 噪声叠加

4．2 传声器噪声分析

4．2．1 驻极体电容传声器噪声分析

4．2．2 阻抗匹配电路噪声分析

4．3 信号采集电路噪声分析

4．3．1 ADC的转换噪声

4．3．2 信号调理电路噪声分析

4．4 整机本底噪声估计

第5章 应用结果与分析

5．1 Ⅰ计权算法应用与结果分析

5．1．1 Ⅰ计权算法软件开发环境

5．1．2 Ⅰ计权测试平台

5．1．3 Ⅰ计权衰减速率测试

5．1．4 单个猝发音测试与结果分析

5．1．5 连续猝发音测试与结果分析

5．2 本底噪声测试与结果分析

5．2．1 驻极体电容传声器噪声测试

5．2．2 PCM1804本底噪声测试

5．2．3 信号调理电路噪声测试与分析

5．2．4 整机本底噪声测试与分析

结论

参考文献

致谢

附录