一種低成本噪聲計設計

　噪聲污染和氣體污染、固體物質污染已稱為當今世界三大污染。過高的噪聲會損害人們的健康，如產生神經衰弱、神經質等。噪聲監測是提高人類生活水平的重要途徑。人耳的聽閾一般是20μPa，痛閾一般為200 Pa，其間相差107倍，這樣寬廣的聲壓范圍不易測量，而且人耳對聲壓相對變化的分辨具有非線性特征，通常采用40方等響曲線的反曲線對聲壓級進行計權校正，即用A計權網絡測A聲級，它的單位是dB。目前，國外公司一直占據國內高精度噪聲計市場，它的價格普遍偏高，嚴重制約了噪聲計的廣泛使用。然而，用于日常生活的環境噪聲測量設備并不需要復雜和十分精確的測量儀器，因此設計一種低成本、便攜式、可滿足日常生活使用的噪聲計十分重要。

　　1 電路設計

　　聲學中常用聲壓級Lp來反映聲壓的變化，將聲壓P的聲壓級表示為：

　　LP=20lg(P／P0)

　　式中：基準量P0單位為μPa，當P=P0時，Lp=0 dB；

　　當P=107P0時，LP=140 dB。

　　系統原理圖如圖1所示，在信號采集和放大電路中采用了駐極體傳聲器，并采用反相放大器將信號放大到適宜處理的范圍；通過A計權網絡很好地滿足人耳對不同頻率聲音的敏感性；AD536芯片很容易得到有效值及其相對應的分貝值，避免采用單片機進行大運算量的對數處理，提高了反應速度；調整電路可以確定所需的不同測量零點；最后用數碼管對結果進行實時顯示，具有快慢顯示功能。

　　1．1 噪聲信號的采集及放大電路實現

　　駐極體話筒采用源極接地，漏極輸出的方法連接，動態范圍寬，靈敏度高。在VCC=9 V的電壓驅動下，動態范圍可以達到一2～+2V。經過調試，當話筒電壓V1=VCC／2時，話筒靈敏度達到最大。在本電路中取漏極負載電阻R1=20 kΩ，電路圖如圖2所示。傳感器將噪聲信號變換為電信號后，繼續將其放大。放大電路采用帶寬大于2 MHz的運算放大器。

　　電路參數：R2=20 kΩ，R3=51 kΩ，C=0．22μF；

　　增益：A=R3／R2=2．55；

　　輸出電壓幅值大致范圍：0～5 V。

　　1．2 濾波電路方案實現

　　根據人耳列不同頻率的響度感覺，在噪聲測量中，常用A計權網絡測得A聲級。表1給出倍頻帶中心頻率與A聲級校正量之問的關系。

　　計權網絡由無源高通濾波和有源低通濾波兩部分構成，精心計算和調試相關外圍元件參數，使其幅頻特性與A計權曲線相近，電路圖如圖3所示。

　　高通濾波器相應參數計算如下：

　　取C1=10μF，利用等式求得后級電阻R2=100Ω，前級電阻取R1=100 kΩ，以便得到較高的輸入阻抗。

　　二階巴特沃斯有源濾波電路的相應參數計算如下：

　　(1)選擇電容C2的容量，計算電阻R3，R4的阻值通常電容C2，C3宜在微法數量級以下，電阻R3，R4的值一般約在幾百千歐以內。

　　設定C2=C3=C=1 000 pF，故有：

　　考慮到-3dB的截止角頻率ωH=ωn，則：

　　令：S=s/ωH，依據巴特沃斯多項式中n=2的情況

　　考慮到則得到：

　　(2)求R5，R6的阻值

　　考慮到運放兩輸入端的外接電阻必須滿足平衡條件，即R5||R5=R3+R4=16kΩ，故求出R5=25kΩ，R6=43kΩ。

　　由于濾波器性能對元件的誤差比較靈敏，在電路中應選用穩定而精密的電阻器和電容器。

　　1．3 有效值及對數電路方案實現

　　有效值電路采用真有效值／直流轉換器AD536A。AD536A的性能與混合或模數器件相當，甚至更優，但其價格卻低得多，而且它的連接非常簡單。只需一個外接電容來設置平均時間常數即可，在這里取輸入時間為O．25s，當CAV與信號的輸入電阻形成的低通濾波器時問常數大于信號的周期時，就能很好地求出有效值和對數值。

　　對數輸出由5端引出，該點的電壓與一logVin成正比。可用射極跟隨器緩沖并可以用外部調整電路平移該電壓，電壓調整電路由穩壓芯片AA580構成。緩沖器的輸出端級聯一個放大倍數可調的放大器，用以改變步長。

　　1．4 調整及顯示電路方案實現

　　1．4．1 調整電路

　　有效值及對數電路的輸出電壓與-log Vin成正比，通過緩沖器的步長調整，可以得到等式Lp=20lg(P/P0)=201g P-20lg P0右邊的第一項，在設計中要設定參考電壓，即0分貝值，只需改變等式右邊的第二項，所以在對數電路后加入了一級基于減法電路的補償電路，可以用來調零。同時，還可以通過調整補償電壓，設立相對參考零點，用來測量分貝變化的相對值，通過改變基準電壓的大小，從而實現了輸入顯示電路的表示分貝值的電壓信號的調節。

　　具體推導公式如下：

故解得，Vout=Vin-Va，而Vin是表示分貝值的電壓信號，通過改變電位器RX的大小來調節基準電壓Va的大小，從而實現了輸入顯示電路的表示分貝值的電壓信號Vout的調節。其中Va為R3的輸入電壓，Vb為運放的反向輸入電壓，Vout為運放的同向輸入電壓，Vin為輸入電壓，Vout為輸出電壓。

　　1．4．2 保持電路

　　為了持續顯示測量時間段內的當前最大分貝值，必須采用峰值檢波保持電路，如圖4所示。

　　這里采用二極管電容檢波電路，電容取470μF，它的充電時間常數小，放電時間常數大，當然在這里還可以利用運放的高輸入電阻和低輸出電阻進行的優化。當時間計權開關置于“慢”時，儀器可測量一段時間內的最大聲級值；置于“快”時，可以對環境噪聲進行實時的測量。

　　1．4．3 顯示電路

　　ICL7107芯片作為表頭驅動，簡單經濟，需要雙極性電源電壓驅動，它包含位數字A／D轉換器，可直接驅動LED數碼管，內部設有參考電壓Vref、獨立模擬開關、邏輯控制、顯示驅動、自動調零功能等。這里應用它的A／D轉換功能和對LED數碼管的驅動功能。它的顯示原理如下：
??
式中：Vref由36端調整，它的動態范圍為(一Vref，+Vref)。本設計中，取10位為最低位，這樣量程減小了10倍。

　　本設計中所需要的一5 V電壓是利用7107芯片產生振蕩信號，再在其38腳上串接一個4069的反相器，然后將該信號通過2只4μF電容和2只1N4148二極管構成倍壓整流電路輸出而得到的。

　　2 測試實驗

　　噪聲計中最重要的是A計權網絡設計，系統采用無源高通濾波器和有源低通濾波器兩部分實現。利用II型無源高通濾波電路對輸入進來低于1 kHz的電壓信號進行衰減，以實現近似于A類計權的響應。低通濾波電路將頻率高于20 kHz的信號濾除。采用的二階巴特沃斯有源濾波電路的幅頻響應在通帶中具有最大平坦度。

　　通過Workhench軟件對A計權網絡仿真得到的幅頻曲線如圖5所示。由圖可知，它對100 Hz以下的信號有較大的衰減，這樣符合人耳對噪聲信號靈敏度的特點，同時也可濾除20 kHz以上的信號。

　　測試濾波器的幅頻特性和A計權的要求比較如圖6所示。測試的輸入電壓為1V，以1kHz信號為基準。

　　3 結 語

　　人類對不同頻率聲音的敏感度不一樣，低頻段最差，大約3 kHz最好，所以噪聲測量不是測量真正的聲壓，而是經過衰減處理的，常見的有A計權、B計權、C計權和D計權等，文中采用A計權。實際上一個噪聲計對不同響度段應采用不同的計權網絡。