基于DASP的船舶艙內噪聲信號測量系統研究＊

蔡旭東 崔滋剛 曲 豐 吳 磊

（91388部隊92分隊 湛江 524022）

1 引言

現代船舶不僅要求其具有安全、隱身、動作快速等特點，還應具有良好的舒適性，能給艙室內人員提供一個友好的工作空間。作為一個相對密閉的環境，船舶艙室經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各種儀器儀表、設備的正常工作。因此，艙內噪聲問題日益引起了船舶設計工作者的關注［1］。

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

2 系統組成原理

噪聲測量系統主要由傳感器、信號調理電路、微控制處理中心、存儲設備、顯示設備、電源等其它輔助設備組成。系統硬件組成框圖如圖1所示［2］。測量傳感器接收船舶艙內噪聲信號，經調理電路放大、整波后，將模擬信號轉換為數字信號，最后由微控制處理中心通過DASP（Data Auto Sam-pleand Process System）數據采集和處理系統軟件對其進行處理，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電源可為系統提供穩定電壓，存儲設備存儲所采集的數據，顯示設備可實時顯示數據波形圖等。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 系統原理框圖

3 系統各關鍵模塊介紹

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，具備較好的聲學性能及長期工作穩定性。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；靜態壓力系數：－0.010dB／Kpa；溫度系數：－0.008dB／℃（－20～＋60℃）；工作環境：－35～80℃，0～98%RH；輸出阻抗：＜110Ω；噪聲：＜2.0μV。

3.2 信號調理電路［2］

傳感器輸出的信號量值較小，若直接進行AD轉換進行數據處理，容易產生較大誤差。傳感器接收模擬信號后，為了充分利用系統的測量量程，減小采集系統的量化誤差，需要進行信號的調理—放大、濾波、整流等處理。圖2為信號調理電路中放大部分的電路原理圖。系統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定的增益。第一級的兩個放大器工作在同相結構，它們的閉環輸入電阻較高，起到高輸入阻抗緩沖器的作用，第二級放大器構成輸出級，具有很低的閉環輸出電阻。

整個電路放大倍數為：

通過外接增益電路Rg的調整可以改變增益A的值。通常A可以在1～1000范圍內調節，Rg的值一般為幾十到上百歐姆。

3.3 A／D轉換

圖2 放大電路

圖3 AD轉換器與控制器連接圖

3.4 DASP系統簡介

DASP（Data Auto Sam-pleand Process System）數據采集和處理系統軟件是為解決工程靜動態測試中的數據采集、信號分析處理、波形顯示、數據存儲等實際問題而開發的一套運行在Windows操作系統上的多通道信號采集和實時分析軟件［5］。該系統軟件的設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、控制件均設計成相應的軟件，同時在計算機的總線槽內配以對應的、可實現數據交換的模塊化硬件接口。系統儀器測試功能和接口輸入數據，在計算機軟件系統的協調與處理下便構成了虛擬式儀器，虛擬儀器的測試功能、面板控制均實現了軟件化。在DASP系統中，軟件的設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計上基本實現了功能不低于常用硬儀器的虛擬儀器，且更靈活、方便。DASP系統注重實用、內容豐富、功能先進，在爆破測試和地震信號測量等領域均有廣闊的應用前景［6］。

4 系統工作流程［7］

圖4 系統工作流程圖

系統上電后，運行DASP系統軟件開始工作。設置相關參數，初始化系統內核，若不需要開始采集數據，系統進入待機狀態，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理電路進行濾波、整流、放大處理，模數轉換電路將整理后的信號轉換為數字信號后進行數據緩存，當緩存到一定容量后將數據存儲到硬介質中，便于數據分析。若需要實時數據分析，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系統可調用數據從時間域和頻域等方面進行周期、相關性、功率譜分析。

5 實測數據分析

本系統可采用220V電源供電、也可使用UPS或便攜式電池供電。經功耗測試后，若使用便攜式電池工作，系統可連續運行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，系統進行了噪聲測試。試驗測量時，船舶航速13節，天氣晴朗，無風浪，環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 結語

基于DASP的船舶艙內噪聲信號測量系統解決了便攜性、實時讀取以及大容量等難題，并進行了海上試驗。試驗結果表明，該系統能準確、可靠的工作，并能實時測試信號顯示信號圖譜。測試數據說明船舶艙內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，這為深入研究監測艙內噪聲，降低噪聲對環境的干擾打下了良好的基礎。

［1］姚熊亮，戴偉，唐永生.船舶上層建筑艙室噪聲灰色預測［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研究［J］.船海工程，2010，39（2）：93～96

［3］劉樹棠，朱茂林，等.電路設計［M］.西安：西安交通大學出版社，2004：62～71

［4］魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002，119～273

［5］DASP操作使用手冊［Z］.北京：東方振動和噪聲技術研究所，2008

［6］李力，湯雙清，高虹亮.工程數據采集處理系統及其應用［J］.水利電力施工機械，2000，21（2）：32～35

［7］陳嶺麗，馮志華.檢測技術和系統［M］.北京：清華大學出版社，2005，376～388

［8］胡廣書.數字信號處理理論、算法與實現［M］.北京：清華大學出版社，2003：460～520