，， ，，

(1.農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點開放實驗室,上海 200092； 2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

號笛是船舶航行作業(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]。目前缺少號笛聲壓性能自動綜合測試平臺，測試主要通過積分聲級計、1/3倍頻程濾波器、旋轉(zhuǎn)機械裝置等輔助設(shè)備，按GB/T 12303—2009的測試方法手動完成。該方法外接的1/3倍頻程濾波器需手動選擇測試中心頻率，過程繁瑣；測量號笛的聲輻射指向性時，手工移動聲級計的位置，測量數(shù)據(jù)點有限，無法保證尋找到真正的最低聲壓級；讀數(shù)時，測試人員置于高分貝聲場，危害人體聽覺系統(tǒng)[3-4]。另外，市場上常見的聲級計的測量上限為135 dB，只有少數(shù)聲級計測量程能大于138 dB，如HS5660B(高)型精密脈沖聲級計、AWA-5661C型聲級計。市售聲級計大多采用模擬電路來實現(xiàn)信號1/3 倍頻程濾波器、頻率計權(quán)網(wǎng)絡(luò)及時間計權(quán)，其運算速度慢、精度低、動態(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)存儲和打印等功能只能通過外接配套設(shè)備的串口才能實現(xiàn)[7-8]，當用于號笛聲壓自動測試時，其靈活性明顯不足。近年來，隨著微電子以及集成電路的快速發(fā)展，一些學(xué)者開始研究數(shù)字式聲級計[9-11]。本文將聲壓傳感、機電控制、數(shù)據(jù)采集技術(shù)結(jié)合，并以Labview為軟件開發(fā)平臺，利用NI公司提供的聲音與振動分析工具包，設(shè)計一套號笛聲壓性能自動測試系統(tǒng)，為號笛聲壓性能自動測試平臺的研制提供技術(shù)支撐。

1 號笛聲壓測量規(guī)定與聲壓測量原理

1.1 號笛聲壓測量規(guī)定

GB/T 12303—2009 海船聲號器具的聲壓級測量標準中規(guī)定了不同號笛的基本頻率范圍、1/3倍頻程聲壓級和可聽距離。如大型號笛基本頻率范圍130～350 Hz，最大聲壓級應(yīng)≥138 dB，可聽距離≥1.5 n mile[12-13]。此標準也對號笛聲壓性能測試用的聲級計、濾波器、傳聲器性能做了要求；同時規(guī)定測試時應(yīng)使用聲級計的“快檔”時間計權(quán)，每次測量時間不少于4 s；測量號笛的聲輻射指向性時，在軸線上±45°內(nèi)的任何水平方向，聲壓級應(yīng)不低于要求值的4 dB，在任何其他方向的聲壓級，不低于要求值的10 dB。

1.2 聲壓級測量原理

聲壓性能采用聲級計來測量，聲級計是一種以dB為單位指示被測聲壓級和計權(quán)聲壓級的儀器。聲壓級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)——實時聲壓有效值,Pa。

傳聲器是一種將聲壓信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的傳感器，其輸出信號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——對確定的傳聲器而言為常數(shù)，

C=20lgp0+20lgS。

1.3 頻率和時間計權(quán)

為了使聲級計測量結(jié)果與人對聲音的主觀感覺相符合，提出了聲級，即計權(quán)聲壓級的概念。聲級是用一定的計權(quán)網(wǎng)絡(luò)對頻率、時間進行計權(quán)后得到的聲壓級。為模擬人耳的響度感覺特性，一般設(shè)有A、B、C 3種頻率計權(quán)網(wǎng)絡(luò)。對于連續(xù)的穩(wěn)態(tài)噪聲，A聲級能較好地反映人耳的主觀感覺。時間計權(quán)的定義是規(guī)定時間常數(shù)的時間指數(shù)函數(shù)，該函數(shù)是對瞬時聲壓的平方進行計權(quán)。時間計權(quán)聲級指方均根聲壓與基準聲壓之比的以10為底的對數(shù)乘以20，其中方均根聲壓由標準頻率計權(quán)和標準時間計權(quán)得到。對于任何瞬時時間上的頻率計權(quán)和時間計權(quán)聲級L(t)可表示為

(4)

式中:τ——時間計權(quán)的時間常數(shù)，目前主要有F(125 ms)計權(quán)和S(1 s)計權(quán)；

ξ——從過去的某時刻，例如，積分下限-∞到觀測時刻t的時間積分變量；

p(ξ)——在時間變量為ξ時頻率計權(quán)瞬時聲壓。

1.4 1/3倍頻程聲壓級

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

2 硬件設(shè)計

自動測試系統(tǒng)硬件組成見圖1。號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)字化后送給上位機進行分析、處理及顯示測量結(jié)果。另外，上位機也可控制據(jù)采集卡的數(shù)字信號、脈沖輸出功能，從而實現(xiàn)對步進電機的旋轉(zhuǎn)控制，輔助完成號笛指向性性能測試。選用的硬件型號及其基本性能如下所述。

圖1 號笛聲壓性能自動測試平臺示意

2.1 步進電機及其驅(qū)動器

步進電機選用二相混合式步進電機型號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，運行平穩(wěn)，無明顯低頻振蕩區(qū)；造型美觀，結(jié)構(gòu)牢固，噪聲低，可靠性高，使用壽命長。

步進電機驅(qū)動器選用細分型兩相混合式步進電機驅(qū)動器MD680A。它采用直流24～80 V供電，適合驅(qū)動電壓24～80 V，電流小于8.0 A外徑57～86 mm的兩相混合式步進電機。此驅(qū)動器采用交流伺服驅(qū)動器的電流環(huán)進行細分控制，電機的轉(zhuǎn)矩波動小，低速運行平穩(wěn)，振動和噪音低。高速時可輸出相對較高的力矩，定位精度高。選用的步進電機及其控制器相互配合，經(jīng)細分處理，至少能實現(xiàn)步距角為0.90°、0.45°，滿足聲輻射指向性測試要求。

2.2 傳聲器及其前置放大器

GB/T 12303—2009標準中給出的號笛的基本頻率范圍在70～2 100 Hz內(nèi)，考慮到壓力場和擴散場型傳聲器在測量頻率小于5 000 Hz時，這兩類傳聲器測量結(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)壓力場預(yù)極化駐極體測量傳聲器，動態(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標準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達到IEC61672標準規(guī)定的I型的要求。MA4451與MA401的配合能滿足號笛聲壓信號的敏感與響應(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個可編程輸入范圍(±0.2～±10 V) ；數(shù)字觸發(fā)；2個計數(shù)器/定時器。該模塊可以滿足設(shè)計的系統(tǒng)A/D采樣與控制步進電機驅(qū)動器的要求。

2.4 各模塊接口連接

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

3 軟件設(shè)計

3.1 應(yīng)用軟件

系統(tǒng)應(yīng)用軟件使用Labview 8.6編程軟件開發(fā)，利用了NI聲音與振動工具包和報表生成工具包。根據(jù)號笛聲壓性能測試的規(guī)定，確定系統(tǒng)的工作過程程序流程見圖3。軟件開發(fā)過程中遵循Labview模塊化程序設(shè)計思想，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)主要由聲壓信號采集與數(shù)據(jù)分析模塊、步進電機控制模塊、報表生成模塊3部分組成。其中，電機控制模塊程序可借助DAQ助手設(shè)定設(shè)定采樣模塊各個輸出口的狀態(tài)。Labview中報表生成有4種方法：利用Report Genetation類函數(shù)生成報表；用Report Genetation Toolkit For Microsoft Office生成報表；通過DDE生成報表，通過Activc X生成報表。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介紹。

圖3 工作過程程序流程

3.2 信號采集與數(shù)據(jù)處理編程

NI-DAQmx可通過多種方式來幫助用戶節(jié)省開發(fā)時間并提高數(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)計中使用后一種方式。數(shù)據(jù)處理借用NI聲音與振動工具包，該工具包中包含了電壓轉(zhuǎn)物理信號、n倍頻程濾波器、計權(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國際標準。信號采集與數(shù)據(jù)處理程序框圖見圖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)標度轉(zhuǎn)換等參數(shù)后啟動采樣，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和聲壓級子VI進行分析，得到需要的號笛聲壓性能參數(shù)。

4 結(jié)束語

圖4 信號采集與數(shù)據(jù)處理程序框圖

此系統(tǒng)的設(shè)計為號笛聲壓性能測試自動化、提高測試效率提供了技術(shù)支持。下一步是要對此系統(tǒng)進行計量并標定，使其盡快用于實際檢測工作中。

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