蔡旭東 崔滋剛 曲 豐 吳 磊

（91388部隊92分隊 湛江 524022）

1 引言

現(xiàn)代船舶不僅要求其具有安全、隱身、動作快速等特點，還應(yīng)具有良好的舒適性，能給艙室內(nèi)人員提供一個友好的工作空間。作為一個相對密閉的環(huán)境，船舶艙室經(jīng)常會遭受各種噪聲的污染。噪聲干擾不僅會影響到船舶的隱身性能，暴露我方目標，其振動也可能會影響艙內(nèi)各種儀器儀表、設(shè)備的正常工作。因此，艙內(nèi)噪聲問題日益引起了船舶設(shè)計工作者的關(guān)注［1］。

船舶作為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，許多條件和情況難以確定和量化，可將艙室內(nèi)所測得噪聲信號統(tǒng)稱為“艙內(nèi)噪聲”。為了能方便、準確地測量噪聲信號，考察艙室環(huán)境是否達到研制指標，本文介紹了一套測量系統(tǒng)，能夠在海上航行試驗中，滿足測量艙內(nèi)噪聲信號數(shù)據(jù)的基本要求，且具有小型、可靠、可操性強等特點。

2 系統(tǒng)組成原理

噪聲測量系統(tǒng)主要由傳感器、信號調(diào)理電路、微控制處理中心、存儲設(shè)備、顯示設(shè)備、電源等其它輔助設(shè)備組成。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示［2］。測量傳感器接收船舶艙內(nèi)噪聲信號，經(jīng)調(diào)理電路放大、整波后，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后由微控制處理中心通過DASP（Data Auto Sam-pleand Process System）數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)軟件對其進行處理，得到噪聲信號的波形圖和頻譜圖，方便地檢查信號的最大強度等指標。同時，UPS電源可為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓，存儲設(shè)備存儲所采集的數(shù)據(jù)，顯示設(shè)備可實時顯示數(shù)據(jù)波形圖等。信號在傳輸過程中，全部使用同軸電纜傳輸，盡可能地減少信號衰減、失真。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

3 系統(tǒng)各關(guān)鍵模塊介紹

3.1 噪聲測量傳感器

噪聲測量傳感器采用高性能駐極體電容式聲壓測試傳感器，該傳感器采用獨特的鍍膜工藝，具備較好的聲學(xué)性能及長期工作穩(wěn)定性。傳感器主要由駐極體、極頭和前置電路等元件組成，能夠測試20～146dB動態(tài)范圍、20Hz～20kHz的頻率范圍的信號，其主要性能指標如下：

開路靈敏度：－26±1.5dB（50mV／Pa）；極化電壓：0V；靜態(tài)壓力系數(shù)：－0.010dB／Kpa；溫度系數(shù)：－0.008dB／℃（－20～＋60℃）；工作環(huán)境：－35～80℃，0～98%RH；輸出阻抗：＜110Ω；噪聲：＜2.0μV。

3.2 信號調(diào)理電路［2］

傳感器輸出的信號量值較小，若直接進行AD轉(zhuǎn)換進行數(shù)據(jù)處理，容易產(chǎn)生較大誤差。傳感器接收模擬信號后，為了充分利用系統(tǒng)的測量量程，減小采集系統(tǒng)的量化誤差，需要進行信號的調(diào)理—放大、濾波、整流等處理。圖2為信號調(diào)理電路中放大部分的電路原理圖。系統(tǒng)采用具有三運算放大器的儀器儀表放大電路［3］，電路具有較高的共模和差模輸入阻抗、很低的輸出阻抗、較高的共模抑制比以及精確穩(wěn)定的增益。第一級的兩個放大器工作在同相結(jié)構(gòu)，它們的閉環(huán)輸入電阻較高，起到高輸入阻抗緩沖器的作用，第二級放大器構(gòu)成輸出級，具有很低的閉環(huán)輸出電阻。

整個電路放大倍數(shù)為：

通過外接增益電路Rg的調(diào)整可以改變增益A的值。通常A可以在1～1000范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，Rg的值一般為幾十到上百歐姆。

3.3 A／D轉(zhuǎn)換

圖2 放大電路

圖3 AD轉(zhuǎn)換器與控制器連接圖

3.4 DASP系統(tǒng)簡介

DASP（Data Auto Sam-pleand Process System）數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)軟件是為解決工程靜動態(tài)測試中的數(shù)據(jù)采集、信號分析處理、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲等實際問題而開發(fā)的一套運行在Windows操作系統(tǒng)上的多通道信號采集和實時分析軟件［5］。該系統(tǒng)軟件的設(shè)計較好地融入了虛擬測試儀器的思想，以便攜式計算機為儀器的硬件平臺，將測試儀器的功能和儀器面板、控制件均設(shè)計成相應(yīng)的軟件，同時在計算機的總線槽內(nèi)配以對應(yīng)的、可實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的模塊化硬件接口。系統(tǒng)儀器測試功能和接口輸入數(shù)據(jù)，在計算機軟件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與處理下便構(gòu)成了虛擬式儀器，虛擬儀器的測試功能、面板控制均實現(xiàn)了軟件化。在DASP系統(tǒng)中，軟件的設(shè)計充分利用了計算機的各種智能化功能，在信號分析和處理功能設(shè)計上基本實現(xiàn)了功能不低于常用硬儀器的虛擬儀器，且更靈活、方便。DASP系統(tǒng)注重實用、內(nèi)容豐富、功能先進，在爆破測試和地震信號測量等領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景［6］。

4 系統(tǒng)工作流程［7］

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

系統(tǒng)上電后，運行DASP系統(tǒng)軟件開始工作。設(shè)置相關(guān)參數(shù)，初始化系統(tǒng)內(nèi)核，若不需要開始采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)，軟件中點擊采集則進入信號采集部分。傳感器將采集的信號通過電纜傳輸至信號調(diào)理電路進行濾波、整流、放大處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將整理后的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后進行數(shù)據(jù)緩存，當(dāng)緩存到一定容量后將數(shù)據(jù)存儲到硬介質(zhì)中，便于數(shù)據(jù)分析。若需要實時數(shù)據(jù)分析，則打開實時處理軟件，進行信號波形的實時顯示以及頻譜的分析。采集事后，通過DASP系統(tǒng)可調(diào)用數(shù)據(jù)從時間域和頻域等方面進行周期、相關(guān)性、功率譜分析。

5 實測數(shù)據(jù)分析

本系統(tǒng)可采用220V電源供電、也可使用UPS或便攜式電池供電。經(jīng)功耗測試后，若使用便攜式電池工作，系統(tǒng)可連續(xù)運行1小時左右，完全滿足測量時間的要求。在某海域航行的船舶艙室內(nèi)，系統(tǒng)進行了噪聲測試。試驗測量時，船舶航速13節(jié)，天氣晴朗，無風(fēng)浪，環(huán)境噪聲干擾可以忽略。測量曲線如圖5所示［8］。信號的幅值明顯。

圖5 噪聲測試圖

6 結(jié)語

基于DASP的船舶艙內(nèi)噪聲信號測量系統(tǒng)解決了便攜性、實時讀取以及大容量等難題，并進行了海上試驗。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準確、可靠的工作，并能實時測試信號顯示信號圖譜。測試數(shù)據(jù)說明船舶艙內(nèi)噪聲信號具有較好的觀測性，不同點源所測信號具有一定的差異性，這為深入研究監(jiān)測艙內(nèi)噪聲，降低噪聲對環(huán)境的干擾打下了良好的基礎(chǔ)。

［1］姚熊亮，戴偉，唐永生.船舶上層建筑艙室噪聲灰色預(yù)測［J］.中國造船，2006，47（1）：36～42

［2］蔡旭東，等.基于MSP430單片機的軸頻電場測量系統(tǒng)研究［J］.船海工程，2010，39（2）：93～96

［3］劉樹棠，朱茂林，等.電路設(shè)計［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2004：62～71

［4］魏小龍.MSP430系列單片機接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計實例［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002，119～273

［5］DASP操作使用手冊［Z］.北京：東方振動和噪聲技術(shù)研究所，2008

［6］李力，湯雙清，高虹亮.工程數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.水利電力施工機械，2000，21（2）：32～35

［7］陳嶺麗，馮志華.檢測技術(shù)和系統(tǒng)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005，376～388

［8］胡廣書.數(shù)字信號處理理論、算法與實現(xiàn)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003：460～520