基于工程設(shè)計(jì)的消音系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

風(fēng)機(jī)、水泵等各類(lèi)聲源設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，噪音的聲壓級(jí)很大，這對(duì)周?chē)纳瞽h(huán)境和工作環(huán)境影響重大。通過(guò)研究調(diào)查表明，該類(lèi)噪音主要集中在低頻、中頻范圍內(nèi)，大約為50 Hz ～ 500 Hz。因此，該消音系統(tǒng)主要利用電子設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)與原來(lái)聲壓大小相等、相位相反的聲波，使其在一定頻率范圍內(nèi)與原來(lái)的聲場(chǎng)相抵消。這種消音系統(tǒng)是一套由傳聲器、放大器、相移裝置、功率放大器和揚(yáng)聲器等組成的儀器裝置。應(yīng)用相移器進(jìn)行第一級(jí)消音，該相移器主要由相移模塊組成， 以 IAP15F2K61S2 單片機(jī)為核心及外圍A/D 和D/A 模塊等電子電路組成第二級(jí)消音裝置。這兩級(jí)消音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括軟件設(shè)計(jì)和硬件電路設(shè)計(jì)兩部分，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能調(diào)試，最終證實(shí)該系統(tǒng)具有良好的消音效果，體現(xiàn)了其較好的應(yīng)用價(jià)值。

消音系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)原理分析

本系統(tǒng)消音設(shè)計(jì)依托聲波的干涉現(xiàn)象進(jìn)行理論建模。當(dāng)頻率相同、振動(dòng)方向平行、相位相同或相位差恒定的兩列波相遇，使其中某些地方振動(dòng)始終加強(qiáng)，而使另一些目的地振動(dòng)始終減弱。若能達(dá)到兩波相位差 φ=（2k+1）π，并且當(dāng)這兩波的波程差 ξ=（2k+1）π/2 時(shí)，波的振動(dòng)出現(xiàn)始終減弱的現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)消音效果時(shí)盡量需要滿(mǎn)足 φ=（2k+1）π，ξ=（2k+1） π/2 兩個(gè)條件。

系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括軟件程序設(shè)計(jì)和硬件電路設(shè)計(jì)兩大主體部分。采用多模塊結(jié)合的分支匯合技術(shù)，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單明了，合理高效。系統(tǒng)模型主要由噪音發(fā)生源模塊、反相器模塊、單片機(jī)處理模塊等組成。其中噪聲源發(fā)生模塊相當(dāng)于機(jī)器運(yùn)行時(shí)的聲源，傳音器對(duì)噪聲進(jìn)行樣本拾取，通過(guò)反相器模塊的放大和自適應(yīng)調(diào)試，輸出一級(jí)消音的頻率帶次級(jí)聲源，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理模塊調(diào)節(jié)參考信號(hào)增益和誤差信號(hào)增益，從而達(dá)到噪音各頻率段出現(xiàn)明顯衰減的效果，實(shí)現(xiàn)最終的消音目的。圖 1 所示為系統(tǒng)簡(jiǎn)單架構(gòu)圖。

2 硬件部分

IAP15F2K61S2 單片機(jī)核心模塊的外圍模塊包括電源模塊、信號(hào)放大模塊、信號(hào)反相模塊、AD 模塊、DA 模塊等功能模塊，該消音器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。

以下為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分析：

(1) 電源模塊。使用 LM7812、LM7805線性穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換得到的直流電壓存在雜波，會(huì)對(duì)本系統(tǒng)造成干擾。所以曾經(jīng)嘗試使用開(kāi)關(guān)電源芯片以消除電壓雜波對(duì)本系統(tǒng)消音效果的影響，但效果不明顯。綜合考慮，決定采用電路較為簡(jiǎn)單的LM78XX 系列線性穩(wěn)壓芯片來(lái)構(gòu)成電源模塊。

(2) 聲音傳感器。該部分主要由傳聲器和超聲波傳感器組成，其功能是對(duì)聲波的采集和處理后的反饋信號(hào)進(jìn)行輸出。

(3) 反相器模塊。該模塊的工作電壓為直流 12V電壓， 聲音傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)放大器放大后再經(jīng)過(guò)移相器產(chǎn)生一個(gè)與噪音信號(hào)相位相反，幅值相同的交流信號(hào)，進(jìn)行第一次消音。

(4) 單片機(jī)處理模塊。該模塊由單片機(jī)控制，包含放大器、A/D 和D/A 模塊，信號(hào)通過(guò)另一放大器進(jìn)行一級(jí)放大，之后傳入A/D模塊，使模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后（詳細(xì)處理見(jiàn)下面程序設(shè)計(jì)部分），產(chǎn)生相位相反，幅值相同的數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A模塊輸出，轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)進(jìn)入管道， 進(jìn)行第二次消音。

通過(guò)以上描述可見(jiàn)，在硬件部分設(shè)計(jì)中，采用分支模塊單獨(dú)調(diào)試后，再進(jìn)行系統(tǒng)合并，整體運(yùn)行調(diào)試，有利于對(duì)消音系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)程的進(jìn)一步剖析，便于設(shè)計(jì)過(guò)程的操作和對(duì)過(guò)程中所遇障礙的分析，是比較科學(xué)高效的方法。

3 軟件部分

本系統(tǒng)的總體架構(gòu)程序流程圖如圖 3 所示。結(jié)合硬件部分設(shè)計(jì)程序，圖 4 所示為單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的消音系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)消音過(guò)程中的性能，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真。本實(shí)驗(yàn)分析使用 Protues、Cool Edit Pro 數(shù) 字編輯器等軟件，消音系統(tǒng)采用 220 V 電壓供電，工作電流為 1.5 A，仿真中參數(shù)設(shè)置主要為噪聲源頻率、噪聲源幅值、經(jīng) 消音后的噪聲幅值。仿真的實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表 1 所列。

根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)行仿真測(cè)試，得到最終的消音結(jié)束波形界面，消音前后的波形如圖 5 與圖 6 所示。

從實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)，采用本文設(shè)計(jì)的消音系統(tǒng)，最終可達(dá)到消 音的效果，改善機(jī)器工作時(shí)的噪音環(huán)境，該系統(tǒng)造價(jià)低實(shí)用 性強(qiáng)，可以投入使用。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的是基于工程設(shè)計(jì)的消音系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。目 的是實(shí)現(xiàn)高效消音系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，而本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要 包括軟件程序設(shè)計(jì)和硬件電路設(shè)計(jì)兩大部分，并通過(guò)仿真 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行其消音性能的驗(yàn)證。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用 IAP15F2K61S2 單片機(jī)為核心，結(jié)合相移器二級(jí)消音的系統(tǒng)， 能夠有效降低機(jī)器工作時(shí)的噪音，保持自身工作狀態(tài)平穩(wěn)運(yùn)行， 各功能模塊相互配合良好，可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)消音效果。本設(shè)計(jì)性 能優(yōu)越，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比較高，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。