课程设计
题目: 噪声检测仪课程设计
院（系）机电工程学院
专业机械设计制造及其自动化
班级130202
姓名张晨
学号130202122
导师
2016年6月13日
目录
1引言 (3)
1.1发展现状 (3)
1.2发展趋势 (3)
1.3课题意义 (3)
2 声级计系统结构和工作原理 (4)
2.1系统结构图 (4)
2.2电容式驻极体传声器 (4)
2.3前置放大器 (6)
2.4衰减器 (8)
2.5输入放大器 (9)
2.6计权网络 (10)
2.7检波电路 (12)
2.8指示器 (12)
2.9 传感器的结构特点，作用原理 (13)
3系统改进 (14)
3.1声级计外形设计的改进 (14)
3.2声级计人机信息交换界面的改进 (14)
4 总结 (16)
1引言
1.1发展现状
声级计又叫噪声计，是一种用于测量声音的声压级或声级的仪器，是声学测量中最基本而又最常用的仪器，随着国民经济的发展和人们物质文化生活水平的提高，噪声普查和环境保护工作全面开展，机器制造行业已把噪声作为产品的重要质量指标之一，礼堂和体育馆等建筑物不仅仅要求造型美观，也追求音响效果，这些都使得声级计的应用越来越广泛。现在它不仅应用在声学和电声学测量中，而且已经广泛应用于机器制造、建筑设计、交通运输、环境保护、医疗卫生以及国防工程等各个领域，成为几乎所有部门都必须具备的声学测量仪器。
1.2发展趋势
近几年来，随着电子技术的飞速发展，声级计日趋完善、准确、可靠，朝着小型化、数字化、多功能、快速测量方向发展。现在，世界上已经成批生产了脉冲声级计、数字声级计和噪声剂量计等新型声级计测量仪器，而且出现了带微处理器的智能声级计。它能按照事先编制的程序自动进行测量和记录，并将测量结果计算和打印出来，从而大大简化了人们的重复劳动和繁琐计算。至于利用声级计将声音变成电信号进行实时数字信号分析和处理，更使声学测量在各种领域的应用呈现出广阔的前景。
1.3课题意义
传感器在各种电子产品中的应用非常广泛，通过这次检测技术的课程设计，我们更加深刻理解掌握了书本理论，并且理论与实际应用更进一步结合。这对我们今后的学习和工作都有着积极作用。
2 声级计系统结构和工作原理
2.1系统结构图
图2.1 简易模拟电路图
2.2电容式驻极体传声器
通常声压、声强和声功率以分贝表示 ，分贝表示的量与选定的基准量有关。
声压级（L p ）
0p lg 20p p L p0为基准声压（p0=2×10-5Pa ）。
声强级（L I ）
I0为基准声强（I0=10-12W/m2）。
声功率级（L W ）
0lg 10W W
L W =
图2.2电容式驻极体话筒内部结构简图
lg 10I I L I =
具体工作原理：
驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。
声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。
当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。驻极体膜片本身带有电荷，表面电荷地电量为Q，板极间地电容量为C，则在极头上产生地电压U=Q/C，当受到振动或受到气流地摩擦时，由于振动使两极板间的距离改变，即电容C 改变，而电量Q不变，就会引起电压的变化，电压变化的大小，反映了外界声压的强弱，这种电压变化频率反映了外界声音的频率，这就是驻极体传声器地工作原理。
但驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。因而它的输出阻抗值很高(Xc＝1／2~tfc)，约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。普通场效应管有源极(S)、栅极(G)和漏极(D)三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。
2.3前置放大器
由于电容传声器电容量很小，内阻很高，而后级衰减器和放大器阻抗不可能很高，因此中间需要加前置放大器进行阻抗变换。前置放大器通常由场效应管接成源极跟随器，加上自举电路，使其输入电阻达到几千兆欧以上，输入电容小于3pF，甚至0.5pF。输入电阻低影响低频响应，输入电容大则降低传声器灵敏度。
前置放大器选用三级管9014构成的放大电路（低噪声、小功率），其结构参数如下：
（1）三极管为NPN结构
（2）集电极最大耗散功率PCM=0.4W（Tamb=25℃）
（3）集电极最大允许电流ICM=0.1A
（4）集电极基极击穿电压BVCBO=50V
（5）集电极发射极击穿电压BVCEO=45V
（6）发射极基极击穿电压BVEBO=5V
（7）集电极发射极饱和压降VCE(sat)=0.3V (IC=100mA; IB=5mA)
（8）基极发射极饱和压降VBE(sat)=1V (IC=100mA; IB=5mA)
（9）结温150℃
（10）特怔频率（最小）fT=150MHz
（11）放大倍数：A=60~150; B=100~300; C=200~600; D=400~1000
图2.4 前置放大器电路图
当有声音传入高灵敏度电容式驻极体话筒LS1时，MK1两端的电量发生改变，经过电容器C2和R3的作用加到晶体三级管9014的基极及发射极之间，从而引起三级管9014基极和发射极之间的电压发生变化，最终使三级管9014集电极的电压发生变化，由于三级管的放大作用，所以集电极的电压是基极电压A u倍，最后被放大的信号通过电容器C1加到下一级电路中。
计算公式：
放大倍数Au 计算公式如下：A u =（－βrbe
Rc 2） 其中rbe=300+(1+β)26/Ie ≈300+（1+β）
所以A u ≈100（倍）
三极管的选择及参数设定：
由于硅材料高频三极管的fT 一般不低于50MHz ，所以在音频电子电路中使 用这类管子可不考虑fT 这个参数。
小功率三极管BVCEO 的选择可以根据电路的电源电压来决定，一般情况下只要三极管的BVCEO 大于电路中电源的最高电压即可。一般小功率三极管的BVCEO 都不低于15V ，所以在无电感元件的低电压电路中也不用考虑这个参数。 一般小功率三极管的ICM 在30～50mA 之间，对于小信号电路一般可以不予考虑。
当我们估算了电路中三极管的工作电流(即集电极电流)，又知道了三极管集电极到发射极之间的电压后，就可根据P=U ×I 来计算三极管的集电极最大允许耗散功率PCM 。
2.4衰减器
声级计不仅要测量微弱信号，也要测量较强的信号，也是要有较大的测量范围，例如要测量25一140 dB 范围声级．声级计的检波器和指示器不可能有这么宽的量程范围，因此要采用衰减器．如果指示器量程范围为一10一+10 dB ，则衰减器的总衰减量为l0O dB ，而且衰减器以10 dB 分挡，即30，40，so ，…130 dB 共11挡．在一般测量仪器中，衰减器都是放在第一组放大器的前面．如果在声级计中也这样做，那么由第一组放大器所产生的噪声对于任何挡都无衰减地被放大并指示在电表上．假如噪声电压为5V(折算到放大器输入端)，而在最灵敏挡(30 dB 挡)满度时，输入的电压为100V ，于是信号噪声之比(信噪比)为20倍，即26dB ．当信号增大时，为了避免指示器过载，信号被衰减器衰减，而第一组放大器的噪声却不被衰减，信噪比没有提高．信噪比太低不仅影响到测量的准确性，也影响到信号的频谱分析与记录。
为了提高信噪比，我们将衰减器分为输入衰减器和输出衰减器嘣部分，输出衰减器接在第一组放大器和第二组放大器之间，而且在一般测量时，使输出衰减器尽量处在最大衰减位置．这样，当测量较大信号时，由于输出衰减器的衰减作
用，输入衰减器的衰减量减小，加到第一组放大器的输入信号就提高了，信噪比也提高了．例如输入衰减器的衰减量为60 dB，输出衰减器的衰减量为40 dB．在前面所述条件下，对于40 dB挡满度时，信噪比提高到36 dB，70 dB挡谙度时就已提高刭66dB,80一130 dB各挡均保持66 dB的信噪比。当然’，对于最高灵敏度挡(30dB)满度，信噪比仍为26 dB．
衰减器可以采用电容分压形式，也可以采甩电阻分压形式，可以是串联，也可以是T型衰减器．在声级计中一般都采用电阻串联形式，+这种形式比较筒单方便，而且由于频率不高，一般不须要进行频率补偿。
声级计衰减器的精度直接影响测量误差．．对予不同类型的声级计，衰减器精度要求也不一样。在31．5一8000 Hz频率范围内}要求。型声级计的衰减器误差不太于±O.3dB，
1型±O．5 dB，2型±O.7Db,3型±1dB；对于0型声级计还要求在20一12500 Hz 频率范围内衰减．其误差不大于±O．5 dB，1型不大于±l dB。
影响衰减器的精度主要有三个因素，首先是衰减器元件．(如电阻)的精度一，—般使用精密测量电阻，其误差可为1％或0．5％其次是盾级放大器的输入电阻，可以推导出，当输入电阻值比衰减器第一挡电阻值大20倍时，附加到分压器的误差为3．4％，即0．3 dB I第三是分布电容(包括接线电容和放大器输入电容)的影响，尤其是高频时，因此当频率比较高时，有时须要进行补偿．衰减器的电阻值不能太大，因为太大了要求后极放大器输入阻抗高，而且分布电容的影响也严重，但也不能太小，因为太小了要求前级放大器的输出阻抗低，而且衰减器的功率游耗增大。
2.5输入放大器
电容传声器把声音变成电信号，这个电信号一般是很微弱的，不足以使指示器产生指示，因此需要用放大器把电信号加以放大．声级计中的放大器要求有一定的放大量、一定的动态范圈、频率范围宽和非线性失真小(不大于1％)等等。放大器的放大量指放大器的输出电压与输入电压之比值．可以报据声级计的最低声级测量范围要求及检波和指示器的灵敏度老估算放大量．例如声级计最低测量声级范闺为25 dB，指示器指示范围是负10~正10 dB，因此在最灵敏挡时指暴器漪度指示为40 dB声级，也就是声压为0．002 Pa．如果选用灵敏度为50mv ／Pa的HS 14401型电容传声器，则相当于加到放大器输入端的电压为100 pV．设
检波和指示器要求满度时放大器输出电压为4 V，则总的放大量为4万倍也就是92 dB．对于这么高的放大倍数，一般采用两至三组放大器，这样也便于在放大器之闻插入衰减器、计权网络和滤波器．因为声级计测量的往往是无规噪声，无规噪声具有较高的峰值因数．。峰值因数系指信号的最大峰值与有效值之比值．这样，当指示器指示某一噪声的有效值时，并不是进入的噪声的每个瞬时值都这么高，而是可能有某些瞬时噪声峰值比这一有效值高几倍，如果峰值是有效值的3倍，就称此噪声的蜂值因数为3．为了保证测量的准确性，要求声级计具有能够测量峰值因数较高的噪声信号的能力，也就是说具有一定的峰值因数容量．首先要求放大器要有一定的动态范围，否则，有可能由于被测信号限幅而造成测量误差．一般要求声级计具有3倍峰值因数容量，这时要求各组放大器允
许最大不失真输出电压的峰值，至少为满度指示时相应的各组放大器输出电压有效值的3倍．例如，当指示器满度指示时，末级放大器输出电压有效值是4 V，则要求此放大器最大允许输出12V不失真峰值电压．各组放大器的前面一般都接有衰减器，因此要求放大器具有较高的输入阻抗，以减小对衰减器的旁路作用，保证衰减器的精度要求．另外要求放大器具有较低的输出阻抗，以便与衰减器、计权网络、滤波器和检波与指示器等配合工作，减小相互影响．放大器工作要稳定，放大量随温度和时间的变化要尽可能小．为了达到这些要求，各组放大器都采用深负反馈晶体管放大器或线性集成电路放大器．对于第一组放大器的第一级，还要选用噪声电压较小的晶体管．最后一组放大器的输出往往接到“放大器输出”或。交流输出”插孔，这个插孔可以接上示波器、声级记录仪和耳机等负载．当这些负载接上后，要求它对放大器的线性工作和指示器没有影响．如果接上负载后使指示器读数变化大于l dB，则指示器应自动切断。
2.6计权网络
声级计中的计权网络是一组根据一定要求进行频率滤波的电网络，通过它声级计能够进行声级(又称计权声压级)测量．声级计至少要有A、B或C三种计权网路中的一种。由于A声级应用最广泛，因此声级计中都具有A计权网络，有的还具有B和C网络．也有的声级计还具有。线性频率响应，这时声级计在一定频率范围内的频率响应是平直的，也就是不随频率变化而变化，线性响应用来测量声音的声压级(非计权声压级)．为了测量航空噪声，有的声级计还具有D计权网络．
图2.5实验曲线
一般声级计中，参考等响曲线设置计权网络A、B、C三种，对人耳敏感的频域加以强调，对人耳不敏感的频域加以衰减，就可直接读出反映人耳对噪声感觉的数值，使主客观量趋于一致。
A计权网络是效仿倍频等响曲线中的40方曲线设计的，较好地模仿了人耳对低频段（500赫以下）不敏感，对1000-5000赫声敏感的特点。用A计权测量的声级叫做A声级，记作分贝（A），或dBA。
B计权网络是效仿70方等响曲线，低频有衰减,C计权网络是效仿100方等响曲线，在可听频率范围内，有近乎平直的特点，让所有频率的声音近乎均同通过，基本上不衰减，因此C计权网络代表总声压级。
图2.6 A、B、C记权网络的衰减曲线
声级计的读数均为分贝值。显然，选用C档计权网络测量时，声压级未经任何修正（衰减），读数仍为声压级的分贝值。而A档和B档的计权网络，对声压
级已有修正，故它们的读数不应是声压级，但也不是响度级，其读数应称声级的分贝值。上图所示为A、B、C计权网络的衰减曲线。
2.7检波电路
检波电路或检波器的作用是从调幅波中取出低频信号。它的工作过程正好和调幅相反。检波过程也是一个频率变换过程，也要使用非线性元器件。常用的有二极管和三极管。另外为了取出低频有用信号，还必须使用滤波器滤除高频分量，所以检波电路通常包含非线性元器件和滤波器两部分。
图2.7 检波电路
图4-7是一个二极管检波电路。 VD 是检波元件， C 和 R 是低通滤波器。当输入的已调波信号较大时，二极管 VD 是断续工作的。正半周时，二极管导通，对 C 充电；负半周和输入电压较小时，二极管截止， C 对 R 放电。在 R 两端得到的电压包含的频率成分很多，经过电容 C 滤除了高频部分，再经过隔直流电容 C 0 的隔直流作用，在输出端就可得到还原的低频信号。
2.8指示器
声级计测量的结果在指示器上指示出来．指示器有两种，一种是模拟指示器，另一种是数字指示器．模拟指示器中又有电表指示和利用发光二极管或指示灯的声级灯指示．在大多数声级计中，都是使用直流电表作为测量指示器．经过检波的直流信号送到电表，由电表指示出测量结果．为了便于读数，电表以dB刻度，这样电表指示的dB数加上衰渡器量程dB指示数，就得到被测声级．电表刻度范围至少为15 dB，其中主要刻度范围应大于lo dB．主要刻度范围应以1 dB分格，每格至少宽1ram．一般电表都是线性刻度，当指示电压或电流等参数时刻度分
格是相等的，但指示dB刻度时，上端刻度比较宽，下端刻度比较窄，最大剡度范围为20 dB．在有的声级计中由于使用了对数有效值检波器；电表具有30 u 甚至50 dlEI范围的对’数刻度，。这种宽量程指示器dB刻度的分格是相等的，用它来指示变化范围较大的噪声时，不需要或者很少需要调节衰减器，、咽此测量比较方便．
电表的缺点是体积大、读数不直观和不耐振动，而且在电表刻度的下端部分，由手刻度线比较密，难以正确读数，在小型声级计申尤奠如北．因此在型声级计中尤其如此．因此在一些袖珍式声级计中，使用发光二极管作为指示器。测量时，发光二极管顺序轮流发光，相当于电表指针的摆动．一般每只发光二极管代表
1 dB刻度，，这样如果要指示0一15 dB范围，就要用16只发光二极管．这种发光二极管列的工作原理示于下图．从检波电路来的输入电压V1与参考电压
V1，V2…V3进行比较，V1…V15以1 dB分格对数变化。CI—Cl s。是电压比较器，Ll一L16是发光=极管。
有的声级计使用几组发光二极管列，同时显示被测声音的各个倍频带声压级，这就是便携式实时分析仪．
在有些声级计中使用数字指示器，能够直接用数字显示出测量结果，同时还可以通过二进制编码(BCD)输出到记录和计算系统中，作进一步数字处理．数字指示器的缺点是需要模一数变换和译码电路，而且由于数字显示不断更换，不能连续监视测量的变化．因此常常使数字指示器具有保持功能，以保持读数的最大值，同时用一只电表来监视测量值的连续变化。
2.9传感器的结构特点，作用原理
传声器是将声信号转换成相应的电信号的一种声电换能器。传声器按其变换原理，可分成电容式、压电式和电动式等类型，其中电容式传声器在噪声测试中的应用最为广泛。
其中电容式传声器张紧的膜片与其靠得很近的后极板组成一电容器.在声压的作用下膜片产生与声波信号相对应的振动，使膜片与不动的后极板之间的极距改变，导致该电容器电容量的相应变化。因此，电容式传声器是一极距变化型的电容传感器。运用直流极化电路输出一交变电压，此输出电压的大小和波形由作用膜片上的声压所决定。
3系统改进
3.1声级计外形设计的改进
仪器的外形与尺寸大小直接关系到仪器的操作与使用。
图3.1 国产声级计常见外形
（1）为方便监测人员手持，应相应减小仪器手持部位的宽度与厚度。如对声级计中下部位进行相应的缩窄，并对仪器的外形棱角做充分的圆弧过渡。
（2）仪器电源，变压器等质量较大部分应布置于仪器的中下部位，使仪器的中心部位落在检测人员的手持部位，以保证检测人员能长时间稳定地手持仪器。
3.2声级计人机信息交换界面的改进
声级计的显示器与控制器主要是显示屏，信号灯及操作按键。显示屏与操作按键是声级计主要的人机信息交换界面，良好的人机信息交换界面是监测人员准确读取数据并正确进行操作的保证。
图3.2 声级计面板显示屏及键盘分布示意图（1）声级计按键设计，布置的改进采样参数设置键应位于A区，因为在采样参数设置阶段，监测人员多采用双手操作；暂停键，启动键设置于C区。因为该键使用频率较为频繁，且多在应急条件下单手完成；数据调阅键置于B区，因为数据调阅多在监测结束时进行，可以双手操作，且使用较少。
（2）为声级计增加内置式的照明电源，为了解决夜间监测中的照明问题，可以设置键盘照明灯。
（3）声级计信息显示器设计的改进，增加监测信息显示方式，如增加信号灯与听觉报警器功能；优先选择大屏幕点阵式液晶显示屏以便尽可能提供各种监测信息；对于特殊操作（如数据清除），应设置相应的文字警示信息，以避免监测人员误删除数据。
4 总结
本次专业课程设计，我们小组查阅了大量资料，做了很多工作。虽然我们做的是系统分析而不是设计，但我们同样收获颇多。
首先我们调高了自己的信息检索能力，我们从众多的资料中提取有用信息，最后进行汇总和分析，我认为这种能力在今后的学习和工作中都很重要。
其次通过这次检测技术的课程设计，我们更加深刻理解掌握了书本理论，并且理论与实际应用更进一步结合。正所谓实践是检验真理的唯一途径，只有通过真正的产品分析，我们才明白原来课本上的理论是这么一回事啊。
最后谈一谈我们小组的课题目标——声级计。声级计是一个系统，它是由很多环节组成，并共同发挥作用的。比如前置放大器，衰减器….缺一不可。分工合作，模块化设计，这对我们今后的学习工作有一定的启发。
参考文献
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