，， ，，

(1.農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,上海 200092； 2.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

號(hào)笛是船舶航行作業(yè)中極為關(guān)鍵的聲響安全設(shè)備，其聲壓性能(基本頻率范圍、聲壓級(jí)大小、聲輻射指向性)的優(yōu)劣直接關(guān)系到船舶避碰和求救能力[1-2]。目前缺少號(hào)笛聲壓性能自動(dòng)綜合測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試主要通過(guò)積分聲級(jí)計(jì)、1/3倍頻程濾波器、旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置等輔助設(shè)備，按GB/T 12303—2009的測(cè)試方法手動(dòng)完成。該方法外接的1/3倍頻程濾波器需手動(dòng)選擇測(cè)試中心頻率，過(guò)程繁瑣；測(cè)量號(hào)笛的聲輻射指向性時(shí)，手工移動(dòng)聲級(jí)計(jì)的位置，測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)有限，無(wú)法保證尋找到真正的最低聲壓級(jí)；讀數(shù)時(shí)，測(cè)試人員置于高分貝聲場(chǎng)，危害人體聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)[3-4]。另外，市場(chǎng)上常見(jiàn)的聲級(jí)計(jì)的測(cè)量上限為135 dB，只有少數(shù)聲級(jí)計(jì)測(cè)量程能大于138 dB，如HS5660B(高)型精密脈沖聲級(jí)計(jì)、AWA-5661C型聲級(jí)計(jì)。市售聲級(jí)計(jì)大多采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)1/3 倍頻程濾波器、頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)及時(shí)間計(jì)權(quán)，其運(yùn)算速度慢、精度低、動(dòng)態(tài)范圍小、功耗大[5-6]；并且其聲壓的頻譜分析、圖形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和打印等功能只能通過(guò)外接配套設(shè)備的串口才能實(shí)現(xiàn)[7-8]，當(dāng)用于號(hào)笛聲壓自動(dòng)測(cè)試時(shí)，其靈活性明顯不足。近年來(lái)，隨著微電子以及集成電路的快速發(fā)展，一些學(xué)者開(kāi)始研究數(shù)字式聲級(jí)計(jì)[9-11]。本文將聲壓傳感、機(jī)電控制、數(shù)據(jù)采集技術(shù)結(jié)合，并以Labview為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用NI公司提供的聲音與振動(dòng)分析工具包，設(shè)計(jì)一套號(hào)笛聲壓性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，為號(hào)笛聲壓性能自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的研制提供技術(shù)支撐。

1 號(hào)笛聲壓測(cè)量規(guī)定與聲壓測(cè)量原理

1.1 號(hào)笛聲壓測(cè)量規(guī)定

GB/T 12303—2009 海船聲號(hào)器具的聲壓級(jí)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了不同號(hào)笛的基本頻率范圍、1/3倍頻程聲壓級(jí)和可聽(tīng)距離。如大型號(hào)笛基本頻率范圍130～350 Hz，最大聲壓級(jí)應(yīng)≥138 dB，可聽(tīng)距離≥1.5 n mile[12-13]。此標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)號(hào)笛聲壓性能測(cè)試用的聲級(jí)計(jì)、濾波器、傳聲器性能做了要求；同時(shí)規(guī)定測(cè)試時(shí)應(yīng)使用聲級(jí)計(jì)的“快檔”時(shí)間計(jì)權(quán)，每次測(cè)量時(shí)間不少于4 s；測(cè)量號(hào)笛的聲輻射指向性時(shí)，在軸線上±45°內(nèi)的任何水平方向，聲壓級(jí)應(yīng)不低于要求值的4 dB，在任何其他方向的聲壓級(jí)，不低于要求值的10 dB。

1.2 聲壓級(jí)測(cè)量原理

聲壓性能采用聲級(jí)計(jì)來(lái)測(cè)量，聲級(jí)計(jì)是一種以dB為單位指示被測(cè)聲壓級(jí)和計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的儀器。聲壓級(jí)Lp(t)的定義為

Lp(t)=20 lg[p(t)/p0]

(1)

式中:p0——參考聲壓，取p0=2×10-5Pa；

p(t)——實(shí)時(shí)聲壓有效值,Pa。

傳聲器是一種將聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的傳感器，其輸出信號(hào)U(t)為

U(t)=S·p(t)

(2)

式中:S——傳聲器的聲壓靈敏度，其靈敏度一般為50 mV/Pa。

將式(2)代入式(1)，整理后得

Lp(t)=20lgU(t)-C

(3)

式中:C——對(duì)確定的傳聲器而言為常數(shù)，

C=20lgp0+20lgS。

1.3 頻率和時(shí)間計(jì)權(quán)

為了使聲級(jí)計(jì)測(cè)量結(jié)果與人對(duì)聲音的主觀感覺(jué)相符合，提出了聲級(jí)，即計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的概念。聲級(jí)是用一定的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻率、時(shí)間進(jìn)行計(jì)權(quán)后得到的聲壓級(jí)。為模擬人耳的響度感覺(jué)特性，一般設(shè)有A、B、C 3種頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于連續(xù)的穩(wěn)態(tài)噪聲，A聲級(jí)能較好地反映人耳的主觀感覺(jué)。時(shí)間計(jì)權(quán)的定義是規(guī)定時(shí)間常數(shù)的時(shí)間指數(shù)函數(shù)，該函數(shù)是對(duì)瞬時(shí)聲壓的平方進(jìn)行計(jì)權(quán)。時(shí)間計(jì)權(quán)聲級(jí)指方均根聲壓與基準(zhǔn)聲壓之比的以10為底的對(duì)數(shù)乘以20，其中方均根聲壓由標(biāo)準(zhǔn)頻率計(jì)權(quán)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)權(quán)得到。對(duì)于任何瞬時(shí)時(shí)間上的頻率計(jì)權(quán)和時(shí)間計(jì)權(quán)聲級(jí)L(t)可表示為

(4)

式中:τ——時(shí)間計(jì)權(quán)的時(shí)間常數(shù)，目前主要有F(125 ms)計(jì)權(quán)和S(1 s)計(jì)權(quán)；

ξ——從過(guò)去的某時(shí)刻，例如，積分下限-∞到觀測(cè)時(shí)刻t的時(shí)間積分變量；

p(ξ)——在時(shí)間變量為ξ時(shí)頻率計(jì)權(quán)瞬時(shí)聲壓。

1.4 1/3倍頻程聲壓級(jí)

1/3倍頻程頻譜分析是指把人耳能聽(tīng)到的20 Hz～20 kHz整個(gè)聲頻范圍分成30個(gè)恒定帶寬比的頻帶，即頻帶的上下截止頻率之比為21/3的常數(shù)，并對(duì)落在這些頻帶中的聲頻信號(hào)計(jì)算聲壓級(jí)。以這些頻帶的中心頻率為橫坐標(biāo)，以聲壓級(jí)為縱坐標(biāo)，作出噪聲頻譜按照倍頻帶或1/3倍頻帶劃分標(biāo)準(zhǔn)的聲壓分布圖，就可以直觀明了地了解號(hào)笛聲壓的頻譜特點(diǎn)，得到號(hào)笛的基本頻率范圍和最大的1/3倍頻程聲壓級(jí)。

2 硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件組成見(jiàn)圖1。號(hào)笛聲壓被傳聲器感知并經(jīng)其前置放大器調(diào)理后輸出的電壓信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)采集卡(A/D模塊)，由數(shù)據(jù)采集卡將模擬電壓數(shù)字化后送給上位機(jī)進(jìn)行分析、處理及顯示測(cè)量結(jié)果。另外，上位機(jī)也可控制據(jù)采集卡的數(shù)字信號(hào)、脈沖輸出功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制，輔助完成號(hào)笛指向性性能測(cè)試。選用的硬件型號(hào)及其基本性能如下所述。

圖1 號(hào)笛聲壓性能自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)示意

2.1 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)選用二相混合式步進(jìn)電機(jī)型號(hào)86HS1146A4。其步距角1.8°，靜力矩8.2 N·m，具有良好的內(nèi)部阻尼特性，運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)明顯低頻振蕩區(qū)；造型美觀，結(jié)構(gòu)牢固，噪聲低，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用細(xì)分型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MD680A。它采用直流24～80 V供電，適合驅(qū)動(dòng)電壓24～80 V，電流小于8.0 A外徑57～86 mm的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。此驅(qū)動(dòng)器采用交流伺服驅(qū)動(dòng)器的電流環(huán)進(jìn)行細(xì)分控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，低速運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)和噪音低。高速時(shí)可輸出相對(duì)較高的力矩，定位精度高。選用的步進(jìn)電機(jī)及其控制器相互配合，經(jīng)細(xì)分處理，至少能實(shí)現(xiàn)步距角為0.90°、0.45°，滿足聲輻射指向性測(cè)試要求。

2.2 傳聲器及其前置放大器

GB/T 12303—2009標(biāo)準(zhǔn)中給出的號(hào)笛的基本頻率范圍在70～2 100 Hz內(nèi)，考慮到壓力場(chǎng)和擴(kuò)散場(chǎng)型傳聲器在測(cè)量頻率小于5 000 Hz時(shí)，這兩類(lèi)傳聲器測(cè)量結(jié)果的誤差將小于0.3 dB。本方案決定選用北京聲望聲電技術(shù)有限公司的MP451型傳聲器，MP451型傳聲器是6.35 mm(1/4 in)壓力場(chǎng)預(yù)極化駐極體測(cè)量傳聲器，動(dòng)態(tài)范圍35～164 dB，頻率響應(yīng)為10 Hz～50 kHz，靈敏度為4 mV/Pa，符合IEC61672標(biāo)準(zhǔn)I型的要求。選用北京聲望聲電技術(shù)有限公司的MA401型前置放大器，MA401采用恒流源供電方式，是具有低噪聲和高輸入阻抗的高品質(zhì)前置放大器，其優(yōu)勢(shì)在于成本較低，可與MP451型傳聲器配套使用。MA401出色的頻率響應(yīng)可保證其與傳聲器相配時(shí)達(dá)到IEC61672標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的I型的要求。MA4451與MA401的配合能滿足號(hào)笛聲壓信號(hào)的敏感與響應(yīng)要求。

2.3 采集模塊

采集模塊采用NI USB-6210，它是一款USB 總線供電 M系列多功能DAQ模塊，在高采樣率下也能保持高精度。該模塊提供了16路模擬輸入，輸入模擬信號(hào)可以差分、共地單端輸入(RSE)和不共地單端輸入(NRSE)3種方式連接到數(shù)據(jù)采集卡；250 kS/s單通道采樣率；4路數(shù)字輸入線；4路數(shù)字輸出線；每通道有4個(gè)可編程輸入范圍(±0.2～±10 V) ；數(shù)字觸發(fā)；2個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。該模塊可以滿足設(shè)計(jì)的系統(tǒng)A/D采樣與控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的要求。

2.4 各模塊接口連接

步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、采集模塊、傳聲器及其前置放大器輸出信號(hào)及電源供電模塊的連線見(jiàn)圖2。

圖2 各模塊接口連接示意

傳聲器及其前置放大器輸出信號(hào)采用參考單端模式接入采集模塊的AI0，信號(hào)地線與采集模塊的模擬地(AIGND)端口連接，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用共陽(yáng)極接線方法，采集模塊的PFI4輸出脈沖可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，P1.1口控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，P1.2輸出的使能信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)器的工作狀態(tài)；電源模塊為其他部分提供穩(wěn)定、可靠的工作電壓，使各個(gè)硬件模塊能正常工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)用軟件

系統(tǒng)應(yīng)用軟件使用Labview 8.6編程軟件開(kāi)發(fā)，利用了NI聲音與振動(dòng)工具包和報(bào)表生成工具包。根據(jù)號(hào)笛聲壓性能測(cè)試的規(guī)定，確定系統(tǒng)的工作過(guò)程程序流程見(jiàn)圖3。軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中遵循Labview模塊化程序設(shè)計(jì)思想，在總體方案確定后，根據(jù)所需的不同功能分別組建各功能模塊。該系統(tǒng)主要由聲壓信號(hào)采集與數(shù)據(jù)分析模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、報(bào)表生成模塊3部分組成。其中，電機(jī)控制模塊程序可借助DAQ助手設(shè)定設(shè)定采樣模塊各個(gè)輸出口的狀態(tài)。Labview中報(bào)表生成有4種方法：利用Report Genetation類(lèi)函數(shù)生成報(bào)表；用Report Genetation Toolkit For Microsoft Office生成報(bào)表；通過(guò)DDE生成報(bào)表，通過(guò)Activc X生成報(bào)表。本文采用第2種方法完成，限于篇幅，這兩部分模塊具體的圖形化程序不詳細(xì)介紹。

圖3 工作過(guò)程程序流程

3.2 信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理編程

NI-DAQmx可通過(guò)多種方式來(lái)幫助用戶(hù)節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間并提高數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的性能，一種是使用DAQ助手，另一種方式是使用NI-DAQmx提供的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序接口(API)函數(shù)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用后一種方式。數(shù)據(jù)處理借用NI聲音與振動(dòng)工具包，該工具包中包含了電壓轉(zhuǎn)物理信號(hào)、n倍頻程濾波器、計(jì)權(quán)濾波器等噪聲處理子VI(虛擬模塊)，可以直接調(diào)用。其中n倍頻程濾波器子VI符合IEC 61260:1995和ANSI S1.11—2004國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理程序框圖見(jiàn)圖4。程序首先利用DAQmx創(chuàng)建通道函數(shù)建立數(shù)據(jù)采集任務(wù)，設(shè)定采樣率、參數(shù)標(biāo)度轉(zhuǎn)換等參數(shù)后啟動(dòng)采樣，在循環(huán)中讀取采樣值，并將采樣值依次送給頻率加權(quán)濾波器子VI、1/3倍頻程分析子VI和聲壓級(jí)子VI進(jìn)行分析，得到需要的號(hào)笛聲壓性能參數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖4 信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理程序框圖

此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為號(hào)笛聲壓性能測(cè)試自動(dòng)化、提高測(cè)試效率提供了技術(shù)支持。下一步是要對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)量并標(biāo)定，使其盡快用于實(shí)際檢測(cè)工作中。

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