声音分析系统

2024-05-01

声音分析系统（精选八篇）

声音分析系统篇1

噪声是设备运行中的重要参数之一,其中包涵了有关运行状态的丰富信息。目前,对于设备运行状态特征的测量主要是采用加速度等接触式传感器,来面向相应的物理学参数进行测量,例如切削力大小,位移等。这些测量方法对于传感器的安装和实验设备要求具有一定的局限性。本文搭建的设备运行状态声音采集分析系统,采用无接触式传感器进行噪声测量,通过时、频域分析方法,可以精确获得设备的运行状态,用以保证设备的正常运行。

1 测试系统的硬件组成

系统的硬件组成由高灵敏度传声器、信号放大器、信号调理仪、A/D采集卡以及计算机组成,如图1所示。系统采用CHZ223型驻极体传声器,其理论灵敏度为-29.0d B re 1 V/Pa。前置放大器采用4m A恒流源供电,BNC接口输出,适合于远距离信号传送。信号调理仪采用5倍固定增益以调节电压信号。考虑到测试系统的灵活性,选取USB-2523型采集卡,最大采样频率可达1MHz,采样分辨率为16 bits,能够满足绝大多数的设备噪声采集要求。通过搭建声音采集分析系统的硬件平台,实现对设备运行状态的实时监测和高精度测量。

2 系统的软件开发

2.1 软件功能模块

声音采集分析系统的软件部分是基于声音对设备运行状态监测技术的核心。本文所介绍的采集分析系统支持多通道声音信号采集、不同型号传感器标定。系统包涵丰富的数字信号分析处理算法,如时域加窗、FFT算法、数字滤波函数等,以满足采用多种算法结合的分析方法的要求。通过系统软件模块对噪声信号进行分析处理,完成对设备运行时所产生噪声中的特征变量的辨识,达到对设备运行状态的监测。另外,系统软件应具有一定柔性,以满足不同的测试条件和设备要求。测试系统的软件功能模块框图如图2所示。

本文所介绍的系统是基于visual studio2008开发平台开发的。噪声采集界面如图3所示,分析界面如图4所示。

2.2 传声器的标定

传声器采集到信号是在声场中某一点距离声源的振动时域信号。图4中振动图(通道1)所示的是经A/D转换成电压值后的噪声振动信号。系统采集过程中,传感器的灵敏度起到了关键的作用,灵敏度的计算如式1所示。

式中:S—传声器的声压灵敏度,m V/Pa。

U—传声器输出端电压,V。

p’—校准器中的声压,Pa。

校准器的声音信号输出一般用声压级表示,利用公式2将声压级换算回声压:

式中:p 0——基准声压值,取20μPa。

Lp——校准器中的声压级,d B。

实际测试中,由于p的大小趋近与1 Pa,将电压信号转变为声压信号的方法一般是将电压有效值除以系统灵敏度,系统灵敏度包括了传声器的灵敏度、放大倍数、以及各种滤波衰减。不同实验条件下的系统灵敏度各自不同,实际测量中系统灵敏度可以通过校准器来校准。本文中采用的校准器发出的1000Hz,94db的标准正弦信号,通过测试系统采集校准器发出的信号,得到的电压有效值即为系统的灵敏度,单位为m V/Pa。通过测量计算得到本文所介绍的噪声测试的实际系统灵敏度为165.4m V/Pa。

转化为的声压信号为瞬时声压,瞬时声压由于变化太快,不方便使用,一般采用有效声压进行计算。在一定时间间隔内,瞬时声压对时间取均方根值则为有效声压,如式3所示:

式中:p——瞬时声压值,也就是振动幅值,Pa。

T——平均的时间间隔,可以是一个周期或者比周期大得多的时间间隔,s。

得到有效声压之后,计算出有效声压的声压级,如式4所示:

式中:Lp’为噪声信号的声压级

换算声压级后的信号图如图6所示。

3 测试实验

本文通过实验来验证测试系统采集分析模块的性能。测试实验基于HK5032型铣床,对简单的金属铣削过程进行噪声测试,实验现场运行图如图5所示。实验采用单通道信号采集,为了使测量数据最大程度的接近实际情况,将传声器架设在距离铣削加工面0.2m的位置,并对传感器系统进行调试和改善,以尽量减少背景噪音的干扰。

为了保证采集信号的高保真性,采用44100Hz的采样频率对典型工况进行信号采集。实验选取从主轴静止时刻为零点,到加工结束停止为终点,对噪声信号进行时、频域上的初步地分析。实验产生的噪声信号的振动、声压级、和频谱图分别如图6、图7、图8所示。

设备运行过程中产生的噪声声压级的变化与振动信号的幅值和频率有关。瞬时声压越大,有效声压级越大;频率越高,有效声压级也越大。频域上主要能量集中在3800Hz左右。本测试系统通过铣削噪声测试实验,很好地完成了铣削噪声的数据采集,在线监测和时频分析。在满足现场测试需求的条件下,能够精确地测量到铣削过程中噪声信号的时频域上的特征。系统运行稳定,测试效率理想。

4 结论

通过搭建噪声测试系统,能够对设备运行状态进行实时监测。实现了对设备噪声在时、频域上的基本分析功能,具有可观的扩展功能以及柔性。经分析得到噪声信号的不同特征,可用以对不同工况的识别和监测。通过实验验证,基于噪声信号对设备运行状态进行监测是一项可行的方法,该方法可替代人耳对设备加工状态听测的传统方法。

参考文献

[1]马瑞,王增才,王保平.基于声波信号小波包变换的煤矸界面识别研究[J].煤矿机械2010(5):44-46.

[2]Congpeng Zhang.Development of flexible three-dimensional machining force measurement and analysis system.2011Second International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering(MACE),Page(s):7299-7302.

[3]李峥,刘强.基于切削噪声测试的数控加工颤振识别系统[J].机床实验研究技术.2009(2):16-18.

[4]薛宝.C#2008编程参考手册[M].清华大学出版社,2009.

D题声音定位系统篇2

摘要 : 为了满足声音定位系统的设计要求，进行了各单元模块电路方案的比较论证及确定，本设计系统采用低功耗16位单片机、MSP430F169、两块TI高速作为主控芯片，其中核心部分的三个主要功能模块是控制模块、声响模块和声音接收模块，四个500HZ声音的采集由一块单片机进行控制，速度快，计算结果精准；声响模块的发声由另一块单片机产生一个500HZ的声音信号，通过功放电路，驱动低音扬声器发声，功耗低，调节灵活；声音接收模块由LM358搭建的前级放大电路和LM567搭建500HZ鉴频电路组成。本设计数据处理主要用取差值查表的方法来定位，这种测算方法相对于其它算法具有速度快，编程简单的优点，而且经过测试实验精确度完全满足题目3cm的要求。最后的实验表明，系统完全达到了设计要求，完成题目的大部分的要求。

关键词： 500HZ声音采集、鉴频、功率放大、查表算法

Abstract: In order to satisfy the design requirements of the sound localization system, The program of each unit module circuit demonstration and determine,This design system uses low-power 16-bit MCU,MSP430F169 and TI high-speed as the main chip,The three main functional modules of core part is control module, sound modules and sound receiver module,The 500HZ sound collected by a MCU, fast, precise, accurate calculation;The sound of sound module to produce 500HZ sound signal by MCU.Through the power amplifier circuit driven bass speaker sound, low power consumption and flexible adjustment;the sound receiver module structures preamplifier circuit by LM358 and LM567 structures 500HZ frequency discriminator circuit.The sound receiver module preamplifier circuit built by LM358 and LM567 built 500HZ frequency discriminator circuit.Data processing of the design is mainly used to take the difference between the look-up table method to locate,This calculation method has a fast and simple programming advantages compared to other algorithms, Tested the accuracy of fully satisfy the subject requirements 3cm.The final experiments show that the system fully meets the design requirements to complete the subject requirements.Keywords: 500HZ sound acquisition, frequency, power zoom, look-up table algorithm

目录方案的论证与讨论...................................................................................................3 1.1 设计任务与要求.................................................................................................3 1.1.1 设计任务.......................................................................................................................3 1.1.2 基本要求.......................................................................................................................3 1.1.3 发挥部分.......................................................................................................................4 1.2 设计分析.............................................................................................................4 1.3 各模块方案论证与选择.....................................................................................5 1.3.1 声音信号发生模块........................................................................................................5 1.3.2 声音信号发射模块........................................................................................................5 1.3.3 声音信号接收模块........................................................................................................5 1.3.4 声音信号放大模块........................................................................................................5 1.3.5 声音信号鉴频模块........................................................................................................6 2 理论分析与计算.......................................................................................................6 2.1 声响模块.............................................................................................................6 2.2 声音接收发大器.................................................................................................6 2.3 数据处理原理.....................................................................................................7 3 电路与系统设计.......................................................................................................7 3.1 声响模块电路.....................................................................................................7 3.2 声音接收放大器电路.........................................................................................8 3.2.1 声音接收电路................................................................................................................8 3.2.2 声音前级放大电路........................................................................................................8 3.2.3 声音后级鉴频电路........................................................................................................9 3.4 程序设计及流程图...........................................................................................10 4 测试方案与测试结果.............................................................................................11 4.1 测试检测所用仪器和设备...............................................................................11 4.2 指标测试及其结果...........................................................................................11 4.3 测试结果分析...................................................................................................11 5 结论.........................................................................................................................11 参考文献.....................................................................................................................11 附录.............................................................................................................................11

方案的论证与讨论

1.1 设计任务与要求

1.1.1 设计任务

设计一套声音定位系统。在一块不大于1m2的平板上贴一张500mm×350mm的坐标纸，在其四角外侧分别固定安装一个声音接收模块，声音接收模块通过导线将声音信号传输到信息处理模块，声音定位系统根据声响模块通过空气传播到各声音接收模块的声音信号，判定声响模块所在的位置坐标。系统结构示意图如图1.1.1所示。

图1.1.1 声音定位系统结构示意图

1.1.2 基本要求

(1)设计制作一个声响模块，含信号产生电路、放大电路和微型扬声器等，每按键一次发声一次，声音信号的基波频率为500Hz左右，声音持续时间约为1s。要求声响模块采用3V以下电池供电，功耗不大于200mW。

(2)设计制作四路声音接收模块，由麦克风、放大电路等组成，并分别与信息处理模块相连接，以便将频率为500Hz左右的信号传送至信息处理模块。

(3)设计制作一个信息处理模块，要求该模块能根据从声音接收模块传来的信号判断声响模块所在位置的x、y坐标，并以数字形式显示x、y坐标值，位置坐标值误差的绝对值不大于30mm。1.1.3 发挥部分

(1)改善接收信号的放大电路性能，改进算法，进一步提高定位精度。(2)控制声响模块以不间断的连续周期波的形式发出声音信号，其基波频率为500Hz左右。当声响模块在坐标纸上移动时，声音定位系统能连续跟踪显示声响模块的x、y坐标值，随机停止声响模块的移动，能立即稳定地显示声响模块的x、y坐标值，误差的绝对值不大于10mm。

(3)具有显示声响模块移动轨迹的功能。当声响模块在坐标纸上按指定路径移动时，液晶显示屏能动态显示声响模块移动的轨迹，显示的轨迹与声响模块移动的路径一致。

(4)其它。

1.2 设计分析

成功实现本设计的要求，系统必具备以下功能：500Hz声源发声、接收声音、信号放大滤波、声源定位等功能。其主要的系统可划分为：电源、控制、发声、声音接收和滤波鉴频等基本模块。

在整体的方案上，发声模块的主控芯片上本设计使用一款超高速、低功耗TI单片机MSP430，在发声模块使用单片机可以通过编程的方式灵活的改变控制发声的频率和波形，并且不用另外设计555震荡电路来获得500HZ基准发声频率，由于MSP430芯片具有很低的功耗，可以适应发生模块的功率低于200MW的要求。在总体电路设计思路上上，由于声响模块产生的信号在由声响接收模块接收到的是十分微弱的信号，要捕获这个微弱的500HZ的声音信号，就必须要对接收模块的信号进行放大，采用了两级比例放大电路，经过实际测量，大约可以将信号放大100倍左右。由于环境中还有着各种不同频率的噪声，在经过放大电路的放大后同样被放大了，所以必须要把相应的频率过滤出来，即要有一个中心频率为500Hz的抗干扰滤波电路，本设计选用了LM567作为滤波鉴频芯片。此系统结构框图如下所示：

图1.2.1 系统框图

1.3 各模块方案论证与选择

根据题目的要求，系统主要可分为控制器模块、声音信号发生模块、声音信号发射模块、声音信号接收模块、电源模块、显示模块。

1.3.1 声音信号发生模块

方案一：采用单片机产生频率为500HZ的方波声音信号，通过功放电路，驱动低音扬声器发声，功耗低，调节灵活。该程序比较容易实现，且不会占用单片机太多资源。

方案二：采用555定时器来实现，声音信号采用NE555产生频率为500Hz的方波。它的作用是用内部的定时器来构成时基电路。外部通过简单的电路可获得所得的信号。从而实现固定频率的声音输出，但是不是很精准。

综上所述，方案二不是很成熟而且不稳定，经过讨论采取方案一。

1.3.2 声音信号发射模块

方案一：用喇叭进行声源发射，即采用低音扬声器作为声源，将电信号转变为声信号。将单片机产生的频率为500Hz的信号接在扬声器的接收端，扬声器能发出强度比较大的声音信号。

方案二：采用无源蜂鸣器进行声源发射。无源蜂鸣器通过外接输入任意频率方波从而发声，声音清晰，消耗功率较少。

综上所述，决定用低声扬声器，其性价比较高，经过讨论采取方案一。

1.3.3 声音信号接收模块

方案一：用压电式声敏传感器。压电声敏传感器是利用压电晶体的压电效应制成一种能实现声-电转换器件。但压电声敏传感器不是常用器件，价格较贵。

方案二：采用电容式驻极体话筒（咪头）。该元件能将一般的声音信号转化为电信号。价格便宜，便于设计，之后再自行设计滤波与放大电路，一起构成声音信号接收模块。

综上所诉，压电式声敏传感器不是很适合本设计，经过讨论采取方案二。

1.3.4 声音信号放大模块

方案一：采用单管放大电路，使用NPN型三极管9018组成单管放大电路，通过电阻值的配合设置合适的静态工作点，并且后级设计一个电压比较器，将放大后的信号和滑动变阻器分得的电压比较，设置合适的电压比较器的值，就可以把一定响度的环境信号过滤掉，同时将环境声音信号转换成占空比不同的方波信号，便于单片机的后期处理。电路结构简单，成本很低，而且电路的灵敏度是可调的。但是单个三极管的放大倍数不高，所接收的声音响度受三极管静态工作点的影响很大，而且静态工作点的确定需要反复调节，过程非常繁杂。

方案二：采用运算放大器组成多级放大电路。利用运算放大器组成放大电路的方案比较成熟，而且放大电路组成的比例放大电路其放大的倍数是可调的，通过改变电阻的比值就可以自由的调节放大倍数，因而就可以自由改变电路的灵敏度。此方案的优点是比例放大电路方案比较成熟，而且放大倍数可调。缺点是电路的干扰比较大。

综上所诉，比较优缺点还是多级运算放大器更加成熟稳定，经过讨论采取方案二。

1.3.5 声音信号鉴频模块

方案一：使用鉴频芯片LM567作为音频处理芯片，再进行频率的比较，若频率中存在500HZ频率的声音，从而进行滤波鉴频。理论分析与计算

2.1 声响模块

声响模块是由低声扬声器（喇叭）产生生源信号。该单独的声源模块供电电压为5V，经过测量后电路中的电流在35mA左右。功率计算公式：

P=U*I；

经计算声源模块的功耗约为175mW左右，该系统要求的声响模块功率低于200mW，所以经过该计算本设计符合设计标准。

2.2 声音接收发大器

声音接收放大器中的数据计算主要有两个部分，即滤波计算部分和放大计算部分。

滤波部分的主要功能是滤去500Hz以外的噪声干扰，采用带通滤波的原理，通过RC电路产生500Hz的波形和声源进行比较，达成滤波鉴频的效果。

放大部分的主要功能是将小信号放大，由于由咪头直接接收到的声音信号比较微弱难以处理，所以要将其放大，才有二级放大电路，一共放大大约100倍左右。

2.3 数据处理原理

数据的处理主要在于通过声响模块的500Hz频率声波的传播到达声音接收模块经过滤波放大，精确的计算出去除噪声后的真实时间，如图2.3.1所示，设坐标纸为图中的矩形ABCD。声源在点O，拾音器分别位于矩形四角A、B、C、D。声源到A点的距离为La，到B点的距离为Db，到C点的距离为Lc，到D点的距离为Ld。分别经过时间Ta，Tb，Tc，Td后，声音接收器A、B、C、D接收到信号，然后可以计算出三个时间差值t1，t2，t3，声音传播速度为v。通过下列算法后可计算出声源O的坐标值（x,y）：

图2.3.1 定位计算示意图

计算声响模块的计算公式如下：电路与系统设计

3.1 声响模块电路

发声模块是由单片机控制的，通过单片机的控制，按下开关按钮后，单片机产生持续1s的500Hz频率的波形，再输入到本模块之中，通过LM386实现电压增益，从而使得波形的幅值增大，产生高强度低失真的声音信号，便于触发接收模块。

下图3.1.1为发声模块电路图

图3.1.1为发声模块电路图

3.2 声音接收放大器电路

声音接收放大器电路主要由三部分构成，为接收、滤波、放大这三部分，接收由发声模块所发出的500Hz信号，由于周围环境肯定会有其他声音的干扰，所以要准确的确定是声响模块发出的声音必须要进行滤波，并且由于直接接收的信号比较微弱，所以要进行信号的放大。

3.2.1 声音接收电路

本部分直接用咪头进行接收，不多做介绍。

3.2.2 声音前级放大电路

采用运算放大器组成多级放大电路。通过改变电阻的比值就可以自由的调节运算放大电路的放大倍数从而自由的调节电路的灵敏度。本设计采用两级比例放大器级联的形式，总放大倍数可以达到约100倍，后级放大的比例电阻设计成滑动变阻器的形式，这样，本设计就可以通过调节滑动变阻器来调节放大倍数，以适应当时检测环境，进行微调。在运放的选择上，本设计采用LM358。LM358由两个独立、高增益内部频率、宽电压范围运算放大器。此款芯片有100dB的大直流电压增益和0～1.5V的电压变率。这款芯片的工作电压比较宽，在3～32V范围内都可以正常的工作。本小组用一块LM385组成两个级联的反向运算放大电路，信号经过两级反向放大之后，在整个电路来看就是正向实时放大的。同时在放大器级间耦合的时候使用了一个0.1uf的电容起到隔直通交的作用，其电路原理图如图所示：

图3.2.2 前级放大电路原理图

3.2.3 声音后级鉴频电路

使用鉴频芯片LM567作为音频处理芯片，将从麦克风接收的频率，经过放大器之后的所有经过放大的频率送入LM567的输入管脚，和RC振荡电路产生的500HZ 频率进行比较，若频率中存在500HZ频率的声音，则LM567 的OUT口就会输出一个低电平从而送入单片机进行识别，通过接收模块的所接收低电平的时间差来计算不同接收模块距离声源的距离差，由此通过后面的计算公式来给声源定位，其原理图如下所示：

图3.2.3 滤波鉴频电路原理图 3.4 程序设计及流程图

测试方案与测试结果

4.1 测试检测所用仪器和设备 4.2 指标测试及其结果 4.3 测试结果分析结论参考文献

声音导引实验系统篇3

1.1 发声装置的选择

方案一:将蜂鸣器作为发声装置产生声音信号。蜂鸣器具有体积小, 工作电压小等特点。发声频率在1.5～2.5KHz的范围内, 音量较小。

方案二:将扬声器作为发声装置产生声音信号。扬声器具有发声频率和音量大范围可调, 低频发声效果较好等特点。但工作电压和体积相对较大。

经过反复实验比较, 若周围声音环境良好, 扬声器在发声频率750Hz左右时, 声音接收系统在各个距离都具有最好的接收效果, 且单片机在该情况下对数据采集的精度最高。因此选择扬声器作为声音发生装置。

1.2 声音信号处理电路的选择

方案一:利用LM324将声音信号进行多级放大后直接输出。该方式可在距离较远时获得较大的接收信号, 但获取的信号波形杂乱且不够稳定。

方案二:利用LM324将声音信号进行两级放大并进行过压比较后输出。该方式可将接收信号整形为较为标准的方波。

由于扬声器在输出的声音正弦波在传输, 接收和放大过程中产生大量的噪声信号, 其中很多噪声超过MCU可识别信号的高电平值, 影响M C U对有用声音信号的识别。方案二能对这些噪声信号起到有效的抑制作用。因此在这里选用方案二。

1.3 主控芯片的选择

方案一:选用A R M 7芯片——L P C 2 1 3 6作为主控芯片。L P C 2 1 3 6是Phlips公司生产的32位ARM7 TDMI2S微处理器, 自带6路PWM输出。但是由于系统中的指定的A S S P芯片M M C-1已经具备的该功能, 且LPC2136价格较高, 因此在这里选用LPC2136比较浪费。

方案二:选用S T C 8 9 C 5 1单片机作为主控芯片。STC89C51是51单片机系列的8位MCU。嵌入4KB高速Flash存储器, 有3 2位I/O口, 既可以方便控制M M C-1芯片工作, 又可以快速处理收发信号。因此在此处选用方案二是比较合适的。

1.4 误差信号的产生与测量方法的比较与选择

方案一:通过分别测距以产生误差信号。当音源处于起始位置时, 三个接受系统轮流启动, 每次只启动一个。音源分别给每个接收器发送声音信号, 从而分别确定三个接收器与音源间的距离, 通过计算音源与O x轴的相对位置产生误差信号。

方案二:通过测出各接收器的距离差以产生误差信号。当音源处于起始位置时, 三个接收器同时启动并接收音源发出的声音信号。接收到的信号被单片机采集后, 计算出音源与三个接收器之间的距离差, 并返回误差信号。

经过实际实验比较, 方案二相对节省时间, 准确性高, 容易实现, 是一个较为理想的方案

2 系统设计

2.1 总体设计

声音信号从声源发出后, 分别被三个声音接收装置同时接收。经单片机进行处理, 比较出距离差后, 通过NRF2401无线收发模块将比较结果发回给音源处的M C U。音源处的单片机在接收到信号后, 根据距离情况对电机发出一组或几组P W M信号, 使负载音源的瑞萨模型车直接移到计算位置。到达后系统会再次发出声音信号并重复上述过程, 对位置进行微调。由于瑞萨模型车是由舵机控制转向, 方向一旦调整确定就不会存在偏移, 因此调整过程基本可以保证在整个过程中, LCD显示器12864会对相应步骤进行显示 (图1) 。

2.2 各单元电路设计

(1) 声音信号接收放大电路 (图2)

声音信号被接收后, 通过LM324的两级放大, 形成有大量杂波的峰峰值约为2V左右的正弦波。该信号再通过2V的过压比较器, 杂波被滤掉, 形成5V的方波信号。该信号相对较为稳定, 有清晰平整的上升沿和下降沿, 可作为单片机的输入信号。此时若将不同位置处接收的两处该信号波形在示波器上进行双踪显示, 可以清晰的观察到, 二者的相位差随着它们之间距离的变化出现明显的改变。即表明该信号可用于计算距离。

(2) 无线收发电路 (图3)

无线收发电路采用NRF2401模块进行收发信号。为了保证电路收发信号的能量供给, 特别在电源转换芯片AM1117处的输入, 输出电压与地之间各加接了一个较大的电容以蓄积能量。在传输数据时, 采用半双工传输方式, 每次传送2 0个字节。

(3) 电机, 舵机控制电路 (图4)

该部分控制电路采用N E C的M M C-1提供P W M驱动瑞萨模型车的两个直流电机和一个舵机。PWM的发送频率由距O x轴的远近决定。 (图5)

(4) L C D显示电路

该部分控制电路将L C D显示器12864在5 V的工作电压下采用串行总线方式驱动, 与声音接受端单片机相连。在系统工作时, 显示器会即时显示工作进度。

3 软件设计

3.1 软件设计层次

本设计采用C语言编程, 其软件部分的实现可分为高、中、低三层。其中高层实现对采集的声音信号进行处理分析;中层控制无线收发信号及M M C-1产生P W M;低层实现对L C D显示的控制。

3.2 软件整体框架图 (图6)

4 系统测试与结果分析

4.1 测试方法与仪器

测试仪器:秒表;米尺;

测试方法:根据要求将可移动音源放置在O x轴右侧任意位置, 测量移动前后音源与Ox轴的距离, 并记录时间, 算出速度。 (表1)

4.2 结果分析

经验证, 基于瑞萨模型车的声源移动基本上可以达到设计要求的速度与精度, 同时用示波器观察接收部分输出波形时也可观察到稳定的方波。使用单片机串口调试助手观察时, 输出数值也可以较准确的反映出声源的位置。达到设计要求。

4.3 误差分析

实验时房间中存在一些阻挡物导致音频传播的信号有所反射, 因此会造成部分误差, 从而导致音源移动的延迟和不准。再加上房间中会存在少量影响音频信号的噪音, 而且测量仪器本身也存在误差, 种种因素导致实验最终误差的产生。

5 结语

系统在实验条件下较为理想的达到了产品要求的指标, 可在Ox轴右侧任意位置, 在响应时间内到达Ox轴, 平均速度大于10cm/s。所处位置的定位误差小于3cm。到达后有明显的声光指示, 符合设计基本要求。

参考文献

[1]康华光, 陈大钦.《电子技术基础——模拟部分》第四版.北京:高等教育出版社.1998.

[2]王君, 凌振宝.《传感器原理及检测技术》.吉林:吉林大学出版社.2003.

声音引导系统及其信号滤波的设计篇4

关键词：声音信号滤波,声源定位,SPCE061A,信号采集

信号与信息处理学科是信息科学的重要组成部分, 该学科水平的高低反映一个国家的整体科技水平[1]。数字信号处理已在通信、声音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天等领域广泛应用。数字信号处理的主要研究对象是声音信号和图像信号。现代技术发展中, 实现智能化、数字化是控制系统的重要发展方向。而声音信号的处理是重要应用之一。滤波是声音信号处理的重要部分, 其主要目的是在信号中提取有用信号, 屏蔽无用的噪声。将提取的有用信号进行处理, 从而控制硬件实现智能化。声音控制小车是智能化发展的方向之一。下面通过具体的例子进行声音引导系统及其信号滤波的设计的分析和说明。

1硬件设计

1.1 硬件总体概况[2,3]

系统包括:音频处理终端模块, 声源控制终端模块, 无线发送、接收模块, 音频发送、接收模块, MMC-1芯片, 驱动电机模块。系统基本结构如图1所示。

整个系统可分为2大部分:声源定位和车体移动。系统各部分工作是由高性能芯片SPCE061A控制和协调, 它是整个系统的核心。SPCE061A[4]是一款16位结构的微控制器, 主要包括输入/输出模块、定时器/计数器, 数/模转换, 模/数转换, 串行设备的输入输出, 通用异步串行接口, 低电压监测和复位等部分, 并且内置在线仿真电路ICE接口, 较高的处理速度使其能够快速的处理复杂的数字信号, 应用十分广泛, 例如应用在家用电器控制器、工业控制、通信产品、医疗设备以及电子书籍等诸多方面。

系统利用蜂鸣器发出的固定报警声音作为输入系统, 使用2个音频接收模块对声音进行采集、放大、滤波等处理, 根据2个接收模块接收到音频的时间差判断小车的位置, 通过nRF2401芯片对小车发出无线信号控制小车移动。

1.2 单元电路模块的设计

1.2.1 无线发送接收模块

这里采用nRF2401作为该系统的通信模块。

单片机向nRF2401发送数据时, 由一帧数据组成, 前一段为地址段, 后一段为数据段, 当nRF2401接收到数据后将数据打包后再发送。

当nRF2401接收端成功接收到数据后, 将会置位对应的数据请求管脚DR1/DR2, 单片机通过查询该管脚状态, 或者通过中断方式接收数据, 从而实现实时控制。通过无线传输模块nRF2401就能很轻松地对无线接收端进行有效实时控制, 具有很好的实时性。

1.2.2 音频信号发送模块与接收模块

在此采用频率为5 Hz占空比为1∶9的脉宽调制信号驱动蜂鸣器作为信号源。音频的接收模块是通过运放以及滤波处理输出稳定的脉冲信号。电路如图2所示。

声音接收和处理是本系统的关键部分, 本模块使用5级信号处理系统, 第1级使用三极管对MIC接收到脉冲信号进行放大, 然后使用C1隔直流;第2级采用LM324对信号进行放大, 再隔直流;第3级使用带通滤波器[5]滤除周围的噪声, 如图3, 4所示, 通过频域分析法[6]计算出R, C值, 其中f0=2 000 Hz;第4级再通过比较器生成数字信号;第5级使用555触发器[7]搭成单稳态电路, 如图5所示。经过5级处理后把音频信号变为数字脉冲信号。滤波处理前与处理后的波形如图6所示。2个通道分别为A, B两点采集的脉冲数据, 用来计算波形差定位的。通过计算声源发出的声音被各个音频接收模块接收到的时间差来确定声源与音频接收模块的相对位置。

1.2.3 电机驱动模块

在此外接一个全桥驱动芯片 (这里使用L298芯片) 就可以控制直流电机[8,9]工作, 直流电机驱动原理如图7所示。

通过SPCE061A处理器的I/O口发送控制信号, 就能很简单地驱动L298来控制电机。

引脚IN1和IN2控制M1正转和反转, 通过EN1输入PWM信号控制直流电机M1的转速, 同理, 通过IN3和IN4控制M2正转和反转, 通过EN2输入PWM信号控制直流电机M2的转速。

1.2.4 声光报警模块

声光报警系统利用软件实现, 当接收端接收到音频信号的时间差在一定阈值中时, 小车停止, I/O口发出高电平, 选通三极管的基极, 使蜂鸣器发出声音, 同时给发光二极管电压, 使二极管发光。

2系统软件设计

2.1 系统软件设计

系统软件程序流程图如图8所示。

2.2 声源定位算法[10]设计

系统软件设计部分主要是实现移动声源定位, 以下是2种算法的思路:

(1) 声源定位算法1。首先将对声源的定位问题放在同一平面里, 定位的结果为声源点坐标。

如图9所示, 在一个平面上分布2个传感器的位置A和B, 当平面上某处S (x, y) 发出声波时, 2个传感器将先后接收到信号。实验时并不能真正测到事件到达的绝对时间, 而只能测出它们的时间差, 设声波沿媒质表面的传播速度为v, 可以得到:

$\sqrt{(x + a)^{2} + y^{2}} - \sqrt{(x - a)^{2} + y^{2}} = Δ t v (1)$

式 (1) 两端同乘以 $\sqrt{(x + a)^{2} + y^{2}} + \sqrt{(x - a)^{2} + y^{2}}$ 得:

$\sqrt{(x + a)^{2}} + y^{2} + \sqrt{(x - a)^{2} + y^{2}} = 4 a x / (Δ t v) (2)$

联立式 (1) 和 (2) 可得:

$\frac{x^{2}}{\frac{Δ t^{4} v^{4} - 4 Δ t^{2} v^{2} a^{2}}{4 Δ t^{2} v^{2} - 16 a^{2}}} - \frac{y^{2}}{\frac{4 a^{2} - Δ t^{2} v^{2}}{4}} = 1$

令:

$\begin{array}{l} a_{1} = \frac{Δ t^{4} v^{4} - 4 Δ t^{2} v^{2} a^{2}}{4 Δ t^{2} v^{2} - 16 a^{}} ‚ \\ b_{1} = \frac{4 a^{2} - Δ t^{2} v^{2}}{4} \end{array}$

可简写为:

$\frac{x^{2}}{a_{1}} - \frac{y^{2}}{b_{1}} = 1 (3)$

根据A, B两点接收信号时间差和声音在空气中的传播速度, 计算出声源S (x, y) 的坐标, 确定声源的位置。

(2) 声源定位算法2。如图10所示, 小车上蜂鸣器发出声音, 接收点1先接收到下降沿, 触发外部中断1, 开Timer_A, 开始计数;当接收点2接收到下降沿时, 开外部中断2, 算出差值Delta_time, 通过Delta_time来判断声源距离接收点1和接收点2的差值的大小, 如果为正则声源向接收点1靠近;如果为负则声源向接收点2靠近;如果在零左右的一定阈值里, 则说明声源在ox的一定范围之内, 声源停止。

3系统调试

测试仪器如表1所示。

(1) 音频信号测试。

测量结果:用SPCE061的1 kHz时基中断让蜂鸣器响20 ms, 停止180 ms, 产生周期为200 ms的音频脉冲信号。

(2) 声源移动距离测试。

可移动声源发出声音后开始运动, 到达ox中线停止, 这段运动时间为响应时间。测量响应时间, 采用下面公式计算出响应的平均速度, 要求平均速度大于5 cm/s, 平均速度实际测量结果如表2所示。

$平均速度 = \frac{可移动声源的起始位置到 o x 线的垂直距离}{响应时间}$

(3) 声源移动距离定位误差测试。

可移动声源停止后的位置与ox中线之间的距离为定位误差。移动声源运动中任意时刻超过ox中线左侧距离为过线距离。定位误差实际测量结果如表3所示。

(4) 声源声光报警测试。

测量结果:可移动声源到达ox中线后, 有发光二极管发光, 蜂鸣器发出声音。

4结语

系统采用了滤波系统对声音信号进行滤波, 使得原本杂乱无章的信号变成系统可清晰辨别的脉冲信号, 由于信号采集系统对外界的信号特别灵敏, 只要有声音便能让其通过采样, 滤波变成一个脉冲信号, 所以系统对外界的环境要求特别高, 在信号测试阶段, 必须屏蔽掉其他噪音, 使系统采集声源的声音, 这里通过低通滤波器对外界的噪声进行屏蔽, 达到了很好的效果, 可以对声源 (小车) 进行很好的控制。

声音滤波电路在实际生活中有很多应用, 可以通过声音的采集滤波实现对某种声音的响应, 比如智能声控机器人, 通过人的声音对智能机器人实现起名, 控制向左、向右行走等。

参考文献

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[2]凌阳科技.凌阳61板使用说明书[EB/OL].[2003-06-23].http://www.unsp.com.cn.

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[5]康华光, 陈大钦, 张林.电子技术基础 (模拟部分) [M].5版.北京:高等教育出版社, 2006.

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[7]康华光, 陈大钦, 张林.电子技术基础 (数字部分) [M].5版.北京:高等教育出版社, 2006.

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[9]唐介.电机与拖动[M].2版.北京:高等教育出版社, 2007.

演艺场馆中电声系统对声音的影响篇5

一、电声在音乐类演出中的地位

单纯使用自然声限制较多。在很多特定的情况下, 比如, 管弦交响乐队在一个音乐厅中演出或者歌剧在一个歌剧厅中演出时, 自然声确实是最好的选择。但实际上会遇到很多特殊的情况, 比如管弦交响乐队不在音乐厅演出, 或者一部歌剧不在歌剧厅中演出, 又比如在商业演出中, 主办方为了获得更多的票房, 有可能把演出放在一个几万人的大型体育场中进行等等, 在这些情况下使用自然声都不能够满足现场听众的需要, 只能通过一些其他技术手段来解决这个矛盾。最常用也是最有效的方法就是采用电声系统来进行弥补。

近年来还有一种新的观念, 就是利用电声来营造某种特殊声学环境的声场效果。“如果早期声非常丰富而圆润, 混响声又似乎是从许多方向到大厅中的, 那么听众感觉音乐听起来优美。”1比如在音乐厅中, 是通过乐队上方的音罩来加强早期反射声的传播。在电声高度发达的今天, 可以采用“电子音罩”的做法, 用扬声器回放来营造一种反射效果, 同时可以用观众席中的环绕声扬声器回放营造反射声和混响声效果, 为乐队乐手和听众“制造”一种在音乐厅中的感觉。这种情况下, 电声在音乐类演出中占据的地位就不言而喻了。

二、使用电声的演艺场馆的声音特点

1. 声音的传播方式发生改变

在自然声的情况下, 舞台上的演员或者乐器发出声音以后, 声音一部分会直接传到听众的耳朵里, 称之为直达声;在很短的时间以后, 舞台上的反射声和厅堂里的反射声传到观众席中, 也就是通常说的早期反射声;早期反射声会继续在厅堂内传播、反射、衰减, 直至得到的一个交融在一起、密不可分的声音就是混响声。

而在电声的情况下, 情况就会有所不同。舞台上的每个演员或者乐器发出声音以后, 在声音开始扩散之前, 首先被近距离放置的传声器拾取, 拾取到的信号会被统一送到现场的调音台中, 由调音台进行所有信号的处理、混合并进行输出分配。而通过调音的信号输出分配以后, 根据现场回放系统的不同设计和设置, 就可以将舞台区域和观众区域划分为两个独立的听音环境。

综合而言, 自然声的情况下, 演员、舞台区域和听众区域是融为一体、不可分割的, 厅堂的声学条件会直接关系到厅堂内的声音效果。而在电声的情况下, 演员、舞台区域和听众区域都是相对独立的, 声音的传播方式也由原来的点声源传播变为舞台返听系统、主扩声系统、辅助扩声系统等多声源传播。在这种情况下, 厅堂的声学条件更多是作为一种辅助条件, 而不是必要条件了。当然这只是相对于自然声来说的。但在实际应用中, 声音从音响系统回放出来以后, 还是不可避免的要受到厅堂建筑的影响, 比如厅堂的结构形状、装修材料等等。在自然声的情况下, 比较强的反射声、比较长的混响声可能会营造出一个良好的听音环境, 在电声的情况下, 在某个特定的场馆内, 比较强的反射声、比较长的混响声却可能会严重的干扰到现场听众的听音。通常通过音响系统的频率响应范围、扬声器的覆盖范围、扬声器的摆放角度等特性进行纠正或补偿。

2. 声音的传播路径发生改变

当舞台上的演员或者乐器发出声音以后, 在传播过程中主要经过的路径和受到的影响主要有以下几点:

1.轴向损耗:当声音发出后, 首先会受到演员或者乐器的声音传播角度的影响, 导致频率响应上的变化, 从而产生了音色上的改变 (通常情况下是中高频的衰减) , 称之为“轴向损耗”, 也称为“轴向失真”。

2.距离损耗:接下来声音会有一部分直接传播到听众区域, 在传播过程中遵循传播距离每增加一倍, 音量衰减6dB的客观规律。

3. 空气损耗:在传播过程中, 因为空气的摩擦阻力, 对声音有一定的吸收作用, 会让声音再进行一定的衰减。

4. 声音的传播有一定的速度, 根据声源和听众之间距离的远近, 声音会产生相应的延时。

5. 声音信号最终被听众所接收。

电声情况下, 问题变得相对复杂。因为比自然声的情况下多了一个电声的系统, 因此传播过程也多了一些路径:

1.轴向损耗:

这个环节和自然声情况下类似, 也是由于受到演员或者乐器的声音传播角度的影响, 导致频率响应上的变化, 产生音色上的变化。

2.距离损耗:

声音同样遵循距离加倍, 声压级衰减6dB的客观规律。与自然声不同的是, 这里的距离是指声源到传声器的距离, 而通常情况下, 传声器离声源的距离会比听众离传声器的距离近很多, 所以这里距离损耗的量会比自然声情况下小很多。

3.空气损耗:

与自然声情况下类似, 只是因为声源到传声器的距离很近, 所以损耗得也比较少。

4.传播延时:

与自然声情况下类似, 只是因为声源到传声器的距离很近, 所以延时也比较小。

5.轴向损耗 (传声器) :

接下来, 声音与自然声情况下直接传播到听众席中不同, 取而代之的是被传声器接收。与环节1里面的轴向损耗不同的是, 这里主要是指受到传声器的指向特性的影响而产生的轴向损耗。

6. 增益/衰减 (调音台) :

传声器通过声——电转换, 将声信号转换成电信号, 送到下一级电声设备, 通常会是调音台 (常见的还有专用的话放、压缩器等等设备) 。送至调音台以后, 根据信号电平的大小, 同时也会考虑到电声系统回放的需要, 会对这一电信号进行一定的增益 (也可能是衰减) 处理, 然后继续送到下一级设备。

7. 信号处理:

经由调音台进行调整后, 声音转变过来的电信号变为一个电平高低合理、便于进一步处理的电信号, 送入下一级信号处理设备, 比较常见的有效果器、均衡器、压缩器、限制器等等, 对信号进行音色的修正、动态范围的调整、空间感的营造、信号电平放大等等。

8. 传播延时 (电声设备延时) :

声音信号从传声器接收, 转变为电信号, 到经过多级信号处理器, 直至信号电平放大后送至扬声器, 这期间, 也会有短暂的延时。在目前的情况下, 周边设备里有大量的数字设备, 存在着一个模/数转换、信号处理计算、数/模处理过程, 更是加大了这一延时量, 有时甚至会超过100毫秒。

9. 轴向损耗 (扬声器) :

放大了的声音信号, 送至场馆内的扬声器进行声音回放, 完成了电——声转换。在回放的过程中, 不同的扬声器的具体性能不同, 比如频率响应、覆盖角度、摆放角度等等, 均会对听众席内的听众产生不同的回放效果, 也会再次产生轴向损耗。

10.距离损耗:

这是由场馆内的回放扬声器和听众之间的距离导致的损耗, 同样遵循距离加倍, 声压级衰减6dB的客观规律。

11.空气损耗:

声音经由扬声器回放, 则扬声器变成了新的声源, 扬声器到听众之间的空气也会对声音有一定的损耗作用。

12.传播延时:

扬声器和听众之间的距离也会导致一定的传播延时。在使用多只扬声器的时候, 这种延时有可能会导致严重的相位干扰, 严重影响到听众的听音。

13.声音信号最终被听众所接收。

以上所述, 是电声系统中直达声的部分。除此之外, 电声系统比自然声系统复杂之处还在于多了若干个新的“声源”。在自然声系统中, 声源只有一个, 就是舞台上的演员, 而在电声系统中, 舞台上的演员是声源, 通过传声器拾取的信号从扬声器中回放出来, 每个扬声器也都变成了声源。由一个点声源变成了多声源, 每个声源又都会重复一次完整的传播途径, 包括在墙壁上的反射等等, 因此声场构成会变得更为复杂。

结论

演艺场馆内形成的声场, 主要受以下几个大的因素的影响:

1.声源和场馆:主要是指舞台上的声源和舞台及厅堂的建筑声学之间的相互作用形成的声音。

2.声源和扬声器:主要是指舞台上的声源和它们放大以后的声音之间相互作用形成的声音。

3.传声器和传声器:当舞台上使用的传声器数量超过一支的时候, 不同传声器之间就会存在串音, 每支传声器都可以拾取到自己相邻的乐器的声音, 这个声音会和相邻乐器自己的传声器拾取到的声音混合在一起, 并相互叠加, 进而产生相位干扰问题。

4.扬声器和扬声器:当场馆内使用的扬声器数量超过一支的时候, 不同的扬声器发出的声音 (哪怕是完全相同的声音) 就会交叠在一起并相互干扰。

5.扬声器和场馆:扬声器在场馆内发生声音以后, 声音会在墙壁、天花板、地板、观众座椅等等障碍物上进行反射, 根据扬声器的性能参数不同和场馆的建筑声学情况, 两者的相互作用会直接影响到听众的听觉效果。

在自然声的情况下, 听众在厅堂内听到的声音, 只是声源和场馆之间相互作用以后的效果, 相对来说其构成还是比较简单的。

而在电声的情况下, 上面提到的五种因素都会在厅堂中混合, 相互作用, 而听众最终听到的是这么多种声音完全混合在一起, 产生了多次相互作用, 产生了很多声染色的声音。对于音频工作者来说, 必须要很清楚的明白这些声音的具体构成, 只有这样, 才能够有针对性地运用自己的专业技巧, 准确的预测可能会遇到的情况, 有效的解决现场遇到的问题, 对整个音响系统进行设计与调整。

参考文献

[1].白瑞纳克[美]著, 王季卿等合译:《音乐厅和歌剧院》, 上海, 同济大学出版社, 2002年5月第1版.

[2].王峥、陈金京:《建筑声学与音响工程—现代建筑中的声学设计》, 北京, 机械工业出版社, 2007年10月第1版

[3].林达悃:《录音声学》, 北京, 中国电影出版社, 1995年5月第1版

[4].Bob McCarthy:Sound Systems:Design and Optimization, Focal Press, First Edition2007

声音分析系统篇6

定位系统是当今很热门的一个研究课题, 国内外测距定位技术常用到的有激光测距定位, 超声波测距定位, GPS定位等, 而利用音频信号实现定位的技术也因其低成本, 易实现, 精确度也较高等优势而在飞速发展, 在智能控制领域有着较广泛的应用。

1 系统整体设计

系统主要由移动声源, 声音接收处理, 软件处理三大部分组成。移动声源主要以小车为载体由蜂鸣器产生周期性的声音信号。声音接收处理由麦克风接收声音信号并对信号进行放大滤波等, 直至将信号送入单片机。软件处理部分由送入单片机的信号做出相应判断并控制无线模块发送数据和命令给移动声源, 移动声源再做相应调整。

1.1 声音接收处理部分

采用差分放大器AD620放大接收到的微弱的声音信号, 后级利用MAX264构成Q值较高的带通滤波器, 滤波之后的信号跟一级放大以提高相邻两脉冲幅度差, 放大之后信号再经比较器LM311整形得到脉冲信号作为中断信号送入MSP430处理, 处理之后得到时间差数据, 通过无线模块NRF24L01将数据送到声源做处理。同时键盘输入的目的坐标点数据也通过无线模块传输到声源。

1.2 移动声源部分

声源载体为步进电机驱动的两轮小车, 利用蜂鸣器发声。车上的MSP430控制蜂鸣器发声, 无线模块收到来自声音接收处理端发过来的数据后计算出声源坐标, 根据目的坐标点由MSP430输出相应PWM波控制步进电机转动使小车移动到目的坐标点。

1.3 软件处理部分

声源发出周期性的声音信号, 开始发声时刻通过无线模块给接收端一个标志, 接收端开启定时器开始计时, 出现有效中断信号后停止计时, 即可得到时间差数据。声源部分接收到时间差数据后计算出坐标控制电机运动。

2 系统硬件模块电路设计

2.1 系统可行性分析

声源端和接收端都采用MSP430F449单片机, 外部晶振8MHz, 则:时钟周期=0.125us.根据系统算法的设计, 系统核心是测出声音信号到两接收点的时间差。现系统的精度要求为1cm, 声波速度为344m/s, 则:时间精度Te=0.01/344=29us。单片机在一个时间精度能够执行的指令个数为:Te/Tsck=29/0.125=232。本系统中, 由接收端通过无线信号控制移动声源的停车和移动, 所以移动声源的位置误差产生主要是来自于接收端和声源之间的无线通信, 而无线通信主要的耗时来自单片机内无线指令的执行, 而1cm误差范围内的232条指令时间足够执行无线指令。声源部分的单片机主要负责和接收点之间的无线通信, 控制小车运动, 产生周期性声波等操作, 对精度要求不高。综上所述, 采用MSP430F449单片机作为声源端和接收端控制芯片完全满足系统的性能指标。

2.2 功能模块电路设计

2.2.1 差分放大电路设计

采用双麦克风接收声音信号, 能大大减小环境噪声干扰, 提高共模抑制比。采用仪表放大器AD620进行差分放大, AD620共模抑制比可达100d B以上, 能够有效的抑制共模噪声, 并且可达到60d B的放大倍数, 仅需一个外接电阻就可调节其放大倍数。采用双麦克风差分放大一个重要优势在于:放大输出信号的幅度不再是与声源和麦克风之间的距离成反比, 其幅度随声源在平面坐标的不同而随机发生很小范围的波动 (这是由于电路放大的是两个麦克风声音信号之差, 距离远声音信号之差不会变的很小, 距离近声音信号之差也不会很大) , 这有利于比较器门限的设定。但由于采用双麦克风差分放大, 即使AD620放大倍数很高, 放大后的信号峰峰值仍然不超过100mv, 须进一步放大。系统后级放大采用的是较高Q值的带通滤波器, 滤波的同时对中心频率信号也有着很高的放大倍数。

2.2.2 声音信号滤波模块设计

本系统以蜂鸣器作为声源, 蜂鸣器发出的声音信号频率为3.6k Hz。在声音信号经过前置放大电路以后, 会引入高频噪声和低频噪声, 因而必须在后级处理模块中接入Q值较高的带通滤波电路, 滤波采用MAX264开关电容滤波器, 能取得优良的带通滤波特性, 同时较高Q值进一步放大信号。MAX264是MAXIM公司的一款通用滤波器, 内置两个独立2阶滤波器, 可以通过引脚编程设置为低通, 高通, 带通或陷波滤波器, 而且滤波器的Q值可以引脚编程在0.504-90.5之间设定, 中心频率F0通过外接时钟和引脚编程设定。经多次测试本系统滤波模块设定的Q值为16.0, Q值的选择较重要, Q值太小或太大都会影响输出信号的质量, 必须使滤波输出信号噪声小才能保证后级比较器整形的准确稳定。滤波器时钟为705M, 引脚编程设定中心频率为3.6K, 以达到最佳滤波效果。由于开关电容滤波器难以避免有高频开关噪声, 因而滤波输出信号后接一个简单的RC低通结, 即可有效滤除时钟信号带来的高频噪声。

2.2.3 后级放大模块设计

滤波之后的信号噪声幅度在20mv以下, 为了便于比较器门限的设定, 再跟一级放大以提高比较信号两相邻脉冲幅度之差, 这有利于系统的稳定工作。选用高CMRR运放OPA602。

2.2.4 比较整形模块设计

为了能对滤波输出声音信号进行处理, 需要将模拟信号整形成能被单片机识别的TTL脉冲信号。采用比较器LM311实现对输出信号的整形, 得到的信号接到MSP430扩展的中断口上, 以) 实现对时间差的测量。LM311采用单门限比较, 门限电平的设定是很重要的一步, 若门限太低则容易将噪声信号比较出来造成时间差的偏差, 若门限太高则稳定性不好, 时间差测量会随着声源位置的变化而随机产生偏差, 这是由于信号幅值的波动引起的。经过多实验次测试本系统的门限设定在100mv, 系统能稳定准确地工作。

2.2.5无线发射模块设计

本系统采用无线收发模块RF24L01进行误差信号的传输。该芯片1.9-3.6V供电, 功耗小。其内置2.4GHz天线, 并采用高效的GFSK调制, 抗干扰能力强。这款芯片制成了PCB板, 内置了专门的稳压电路, 使其在各类的电源供电情况下, 都有很好的通信效果。该模块可以通过软件设置地址, 只有收到本机地址时才会输出数据, 可直接接各种单片机使用, 软件编程十分方便。

3系统软件设计

声源引导部分的软件设计包括对可移动声源发声命令的发送, 时间差信号的接收与处理, 载体小车上电机控制命令的发送以及无线发射模块的控制。可移动声源部分的单片机主要完成对无线接收模块上寄存器的查询, 得到声源引导部分发出的数据命令, 并对可移动声源部分的蜂鸣器和步进电机进行控制, 软件设计流程如图2所示。

参考文献

[1]谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].武昌:华中科技大学出版社, 2000.

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[5]马中梅, 籍顺心.单片机的C语言应用程序设计[M].3版.北京:北京航空航天大学出版社, 2003.

声音分析系统篇7

关键词：虚拟仪器,声音测试,振动测试

1 引言

随着科学技术的发展, 机器工作的精度和稳定性的要求很高, 对声音与振动分析也提出了很高的要求。声音与振动分析应用领域很广, 如声音、噪声、振动和舒适度、机器检测、结构动力学和声音质量方面都有着重要的作用, 涉及产品设计、生产测试、机器的性能以及过程控制等, 且具有一组不同的关注点( 传感器、频率范围、采用率、成本等)。传统的测试设备昂贵、功能单一、可配置性弱[1]、测试精度有限、数据处理和后续存储等方面已经不能满足科技的发展,Lab VIEW虚拟仪器技术以全新的语言方式以数据流方式的驱动, 在测控、测试等方面具有强大的功能与优势, 在机械故障诊断方面振动分析以及测量具有重要地位[2]。

Lab VIEW虚拟仪器声音和振动测试测量工具包, 在声音和振动信号采集和处理方面是一个重要的应用领域,是Lab VIEW虚拟技术的一个重要部分。然后结合NI公司提供了大量的软件工具来分析采集到的信号, 虚拟仪器具有人机交互、扩展性强并能实现无缝集成等优势[3,4]。本研究是基于Lab VIEW的声音和振动测试测量工具包的检测分析系统, 利用NI交互式软件声音与振动检测,实现快速采集、分析与记录声学、噪音和振动数据[5,6]。

2 测试系统总体设计

系统分为主控部分和数据采集部分。在声音和信号的获取部分通过放置的传感器采集现场的综合声音和振动, 经过信号调理模块传送至主控中心计算机的Windows系统, 利用Lab VIEW虚拟仪器技术进行判断处理, 实时动态显示数据以及监测结果, 进行综合分析。测试系统整体设计如图1 所示。

测试系统包括: 软件和硬件2 个部分。硬件主要包括计算机、振动和声音传感器、信号调理电路、数据采集卡等; 软件主要包括采集卡驱动程序、控制数据采集VI、创建数据库程序、数据存储VI、查询数据库VI、时域分析VI以及频域分析VI等。主控系统选用通用型测试方案, 基于模块化扩展的PXI Express平台进行开发, 通过PXI控制器机箱集成有动态信号采集模块、时钟模块和数据流盘。传感器采集到的声音或振动信号通过信号调理模块去除夹杂在有用信号中的噪声及干扰,动态信号采集模块将信号转化为数字信号进入PC, 通过声音和振动工具包进行信号的分析与处理, 最后将处理后的信号进行结果显示、存储、输出等。

另外,NI还提供了大量的平台选择, 从单口的USB接头( 最大4 通道) 到多插槽的PXI组件( 最大13000通道)。针对声音和振动信号测试, 系统提供了两种专用的数据测量分析模块, 分别是声音和振动测量模块、频谱分析模块, 这些模块的设计是基于NI公司成熟的测量工具包进行二次开发, 使之更贴近用户的实际需要。

3 测试系统模块化设计

一个典型的测控系统, 是通过传感器、信号处理、信息传输、执行器等环节的有机组合实现的。模块化的理论基础是系统工程的原理和方法, 其基本思想在于:任何系统都是由若干个功能模块通过彼此间的共享的界面连接而成。

基于Lab VIEW的综合声音和振动测试系统的模块由: 声音和振动测量模块( 动态信号采集模块、高速模拟输出模块)、频谱分析等模块组成。数据采集系统采用美国国家仪器公司的专用采集卡PCI-6251 型数据采集卡, 主要作用是: 将传感器的声音和信号综合信号经过A/D转换后利用Lab VIEW软件控制与分析。整个测试系统的模块化设计如图2 所示。

3.1 声音和振动测量模块

声音和振动测量模块, 主要是基于NI公司的测试测量系统软件开发平台Lab VIEW和声音以及振动分析工具包来进行信号的分析与处理。NI公司的声音和振动工具包将NI Lab VIEW图形化开发作出进一步拓展, 其函数和指示器包括: 音频测试、分数倍频程分析、正弦扫描分析、声级测量、频率分析、频率响应测量、瞬态分析、以及若干声音和振动显示。它还包括新型NI声音和振动助手独立交互式软件, 能够快速采集、分析并记录声学、噪声和振动数据。借助灵活且基于配置的测量库和开放式分析功能, 声音和振动助手能够基于软件进行独特的测量, 从而快速采集数据, 并创建自定义的应用程序。其主要特点有: 独立且基于配置的分析和数据记录配备NI声音和振动助手; 易于使用的功率谱、正弦扫描、倍频程分析步骤; 具有A-,B- 或C- 加权的声极以及可集成的振级; 通用文件格式(UFF58) 文件I/O支持。

3.2 频谱分析模块

频谱分析模块提供了一套用途灵活的频谱测量工具, 包括能谱、峰值功率和频率、带内功率、邻频功率、所占带宽、三维频谱图等。此外, 频谱分析模块包含有用于执行调试操作的VI和函数, 如通带IF与基带I-Q的互相转换、模拟调制信号的生成/ 分析等。上述优化的算法与高达GHz的计算机处理速度结合, 将达到前所未有的测量吞吐量。具体包括:I-Q数据用于数字解调; 高度优化的FFT处理; 常用的频谱测量功能; 模拟调试和解调等。数据处理模块程序的设计是基于数学分析, 它需要完成数字滤波、加窗处理、频谱分析、功率谱分析、相关分析等诸多功能。时域分析和频域分析有着各自的算法和分析信号数据的功能。

3.3 动态信号采集模块

NI数据采集卡是实现动态信号采集的重要模块,可以将外部的模拟信号转化为计算机能够处理的数字信号。本文采用PCI-6251 的高速多功能的DAQ板卡,此板卡具有16 位模拟输入通道, 用于设置采集模拟量时的采集路数,2 路模拟输出通道,24 路数字I/O, 分辨率16 位, 单通道采样率可以达到1.25MS/s, 多通道采样速率1.0MS/s。同时板卡内部包括:PCI总线及通信控制总线、内部数据总线、IRQ控制器、板载FIFO、32 位80Mhz计数器/ 定时器、多路转换器等重要部分。可以与Lab VIEW控制系统进行良好的数据衔接。

4 软件系统设计

系统软件框图如图3 所示, 本系统建立在Lab VI EW虚拟仪器开发平台上, 采用与之相匹配的数据采集系统, 结合传感器, 由多路开关、放大器、采样/ 保持和A/D转换组成, 处在PC机前向通道。

4.1 在线检测系统设计

整个设计是基于虚拟仪器和网络传输的工业中声音和振动的测试系统, 软件主要是基于Lab VIEW虚拟仪器技术而设计。声音和振动测量套件作为Lab VIEW的附件软件包, 该软件包提供了信号处理功能, 用于声音测量、分数倍频程分析、频率分析、瞬态分析和阶次跟踪。利用Lab VIEW提供的选项卡、波形图、按钮等控件搭建系统, 同时结合Lab VIEW中提供的Edit Menu菜单以及声音和振动测试工具包模块设计实现其检测功能, 搭建良好的交互式人机界面, 声音和振动测试系统前面板设计如图4 所示。

4.2 数据调用程序设计

Lab VIEW虽然功能很强大, 但是不同的编程语言在不同的领域都有着自己的优势, 综合运用这些语言,可以使Lab VIEW得编程更加完美。基于虚拟仪器的声音和振动测试系统主要外部程序接口设计采用三种方法实现: 一是直接调用Lab VIEW的端口操作图标In Port.vi,Out Port.vi进行编程。Lab VIEW中有两个直接访问底层设备节点的, 即:In Port.vi,Out Port.vi, 分别完成从设备的物理地址直接读取和输出数据。二是调用CIN图标进行编程代码的接口与C语言的直接调用,CIN通过输入、输出端口实现语言的远程调用数据传递, 当Lab VIEW的程序运行到CIN节点时, 数据由CIN的输入端口传输到C源代码图标, 执行完成后返回到Lab VIEW。三是利用Lab VIEW的CLF图标进行动态链接数据库.dll库函数, 用户可以使用某种DLL链接库的函数编程工具, 如VC,VB编写调用它。Lab VIEW也提供了一个动态链接库函数的图标Call Library Function, 放在Functions模板内的Advanced子模板中。在example/dll目录中有使用该图标的例子,可以参照它们完成库函数的调用。

4.3 模态分析系统设计

整套测试系统重在信号的分析与记录, 采用该声音和振动测量套件的好处在于可以很方便的测量进行各类非电量测试相关参数的设置, 如灵敏度、采样率等[7], 支持的测量信号类型包括: 电压、温度、应力、声压等常见信号类型, 无需自己编程, 可以很方便的调用Lab VIEW的测量工具包。

进入在线监测系统后, 进行声音和振动模态分析,基本原理是: 利用多项式拟合频率响应函数的方法识别系统的模态参数。具体模态分析系统软件实现:(1) 实时采集, 结合传感器, 在接收到由串口连接的LCD面板发送的采集信号, 系统确认声音和振动控制器的上的闪存空间数量[7,8], 如果空间不足系统会发送指令到串口端, 以便在采集之前把闪存的数据拷贝到PC机。如果空间足够, 采集即刻开始, 通过传感器信号以及嵌入式系统将测试信号传送到信号调理模块。(2) 声音和振动工具包对采集来的数据进行数学运算, 包括频率测试和响应动态分析。测试的时间间隔可以灵活的设置, 用户可根据需要决定在测试中间的某个时间段记录并进行信号分析。测试采集中实时传送到操作面板, 每隔一秒更新一次, 操作者借此可以监察部位受到的声音和振动的水平以确认是否在预期的范围内。(3) 软件可以实现离线分析, 允许用户在PC机操作界面对已经完成的测试进行离线分析, 基本步骤是: 选择需要的测试数据、查看离线数据, 最后生成报告。

5 测试系统试验验证

本文介绍的Lab VIEW声音与振动测试工具包, 具有强大的信号采集与信号分析等功能[9]。在这里对这套基于虚拟仪器的声音和振动测试系统做了一个整体的介绍, 为了验证整个测试系统程序运行的良好与否, 采用现场人工敲击对试件捶打产生振动和声音进行实时测试, 用装有力传感器的力锤对试验器件进行敲击, 用加速度传感器等进行采集信号, 同时与上位机控制软件同步通信, 软件实时采集、记录与分析。

采集时设置采样通道为2 个, 采样频率为1000Hz,平均次数为10 次, 每次采集点数设置为1024 点, 触发通道为0 通道, 触发电平为100mv, 触发沿为默认的上升沿, 预保留点为30 个。从测试结果上看, 激励信号的响应和响应信号反映的正是敲击测试时的激励以及响应信号应有的典型形状, 由此可见测试系统程序运行良好, 有一定的可靠性。

6 结束语

这套基于虚拟仪器的声音和振动测试系统方案与现有市场上的测试系统昂贵而庞大相比具有明显的优势,此测试系统集成多种软件, 测量、调制等, 功能全面,协议实用性强。底层代码开放, 可进行二次开发, 更方便升级, 增强测试能力, 是基于windows平台借助于Lab VIEW虚拟仪器的强大功能, 通用性好, 处理数据的能力大大加强,具有良好的实际应用价值以及市场需求。

参考文献

[1]李立铭.基于Lab VIEW的振动测试系统研究[J].仪表技术,2013,(2):5-8.

[2]于华彬.基于虚拟仪器技术的振动测试系统设计[D].北方工业大学,2009.

[3]侯志敏,夏薇,邓东花.基于Lab VIEW的设备振动测试系统[J].价值工程,2013,29(6):164-165.

[4]庞尔军,王晓龙,于虹.基于虚拟仪器技术的振动测试分析系统[J].机床与液压,2014,42(7):171-173,178.

[5]章佳荣,王璨,赵国宇等.精通虚拟仪器程序设计与案例实现[M].北京:人民邮电出版社,2014.

[6]梁少华,李智.基于Lab VIEW的现场动平衡测试系统的开发[J].现代电子技术,2014,37(6):110-113.

[7]谢志勇,周其斗,吕晓军.基于声音和振动工具包的振动测量分析[J].四川兵工学报,2013,33(5):75-77.

[8]沈智慧.基于Lab VIEW的电机振动监测系统设计[D].东北石油大学,2013.

声音分析系统篇8

该系统依托大型网络存储和高速网络。以高清画面作为工作参考画面，配合视频工作站和音频工作站网络化制作电影节目，极大的增强和扩展了单机站点的能力。并且第一次在国内建立了多工位的混录棚系统，使得国内的电影声音混录系统再一次接近国际先进水品，能够和国际上的大型电影制作公司进行协作。

该系统的工艺先进性体现在以下几方面：首次采用通网络型数据驱动方式在数字声音剪编系统工作时带动高清数字视频剪编系统回放参考画面，无延迟地播放高清参考画面;首次将所有电影声音剪编系统和画面剪编系统组建成局域网络，各项目组，各部门不同的访问权限，令大量数字高清资源可以在周全的安全保密措施下有秩序地得到快速共享;首次在传统电影制作中，在地域上相对分离的部门和各个环节合并起来，精细化分工，形成电影从原始素材入到成片出的完整工作流水线;首次将电影工艺流程中的各个环节用数字化方式在实际生产中实现，实现全文件化的数据处理和传输工作。

技术先进性体现在以下几方面：该系统建设完成了两个通过杜比高级(PREMIER)认证的专业商用录音棚;也是亚洲第一个通过该最高级别认证的录音棚;国内第一个远程ADR录音棚，已经在为好莱坞影片提供远程ADR服务;声音制作和画面剪辑主机采用集中化中央管理和本地化运行结合的方式，充分发挥了集中化和本地化的优势。

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