海船號笛的聲響特性的自動測試裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種海船號笛的聲響特性的自動測試裝置，包括：機架、安裝臺、水平旋轉機構、方位調節機構、待測海船號笛、聲壓傳感器、測控通信單元以及上位機，上位機以預設的步距角通過測控通信單元使水平旋轉機構旋轉一周，其中，每轉動一個步距角的位置時，所述上位機控制所述待測海船號笛鳴響4～5s，號笛鳴響期間所述上位機還控制聲壓傳感器采集待測海船號笛發出的音頻信號并將該音頻信號傳送至所述上位機，由上位機對該音頻信號處理并獲得1/3倍頻程聲壓級分布圖，從此圖中可以獲得聲響的基本頻率范圍和基本范圍內的計權聲壓級。本發明結構簡單、可折疊、便于攜帶，提高了號笛聲壓性能測試的效率，使測量結果更準確。
【專利說明】海船號笛的聲響特性的自動測試裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及音頻聲響特性測試鄰域，更具體地說是涉及一種海船號笛的聲響特性的自動測試裝置。
【背景技術】
[0002]海船用號笛是船舶航行作業中極為關鍵的聲響安全設備，它們聲響特性(基本頻率范圍、聲壓級大小、聲輻射指向性)的優劣直接關系到船舶避碰和求救能力。而目前缺少對此類聲響特性的自動測試裝置系統，實際測試主要通過積分聲級計、1/3倍頻程濾波器、旋轉機械裝置等輔助設備，依據GB/T12303-2009標準的測試方法，手動完成。因此，存在以下不足:外接的1/3倍頻程濾波器需手動選擇測試中心頻率，尋找基本頻率范圍的過程繁瑣；測量號笛的聲輻射指向性時，手工移動聲級計的位置，測量數據點有限，無法保證尋找到有效的最低聲壓級；讀數時，測試人員置于高分貝聲場，危害測試人員聽覺系統。
[0003]目前，市場上常見的聲級計的測量上限為135dB，只有少數聲級計測量程能大于138dB，如HS5660B (高)型精密脈沖聲級計、AWA-5661C型聲級計。它們無法測量大型、超型號笛聲壓級(>138dB)。其次是市售聲級計大多采用模擬電路來實現信號1/3倍頻程濾波器、頻率計權網絡及時間計權，其運算速度慢、精度低、動態范圍小、功耗大；并且其聲壓的頻譜分析、圖形顯示、數據存儲和打印等功能只能通過外接配套設備的串口才能實現，將它們用于船用號笛聲響特性自動測試系統時，其靈活性明顯不足。近年來，一些學者開始研究數字式聲級計。如:姜志鵬采用數字信號處理器DSP設計了數字聲級計的硬件系統，闡述了數字聲級計設計原理及系統設計方案；沈秋霞提出了基于DSP的1/3倍頻程濾波器的合理設計方案，實現數字聲級計對噪聲的實時頻譜分析。
[0004]基于上述分析，集成聲壓傳感技術、機電控制技術、無線單片機等技術，設計一種海船用號笛聲響特性自動測試裝置具有重要意義。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的是提供一種海船號笛的聲響特性的自動測試裝置，能夠實現船用號笛聲響特性測試過程的自動化，提高效率及測試數據準確性，并避免測試人員處于高聲壓場中而導致的聽覺損害。
[0006]為達到上述目的，本發明采用如下的技術方案:
[0007]一種海船號笛的聲響特性的自動測試裝置，包括:
[0008]機架，其水平設于工作面上；
[0009]安裝臺，其水平設于所述機架上并與所述機架連接固定；
[0010]水平旋轉機構，其與所述安裝臺轉動連接；
[0011]方位調節機構，其與所述水平旋轉機構連接固定；
[0012]待測海船號笛，其水平置于安裝臺上，所述待測海船號笛的喇叭口位于水平旋轉機構的旋轉軸線的正上方；
[0013]聲壓傳感器，其固設于所述方位調節機構的上方，所述聲壓傳感器的軸線與所述待測海船號笛的軸線在同一個水平面上；所述聲壓傳感器的聲音采集端至待測海船號笛的喇叭開口的外緣所形成的垂直平面的水平距離為Im ；
[0014]測控通信單元，其用來控制所述水平旋轉機構轉動和所述海船號笛的鳴響，并用于采集所述聲壓傳感器的輸出電壓信號及信號無線傳輸；
[0015]上位機，其與所述的測控通信單元可以進行雙向通訊通信，并進行信號處理，得到測試參數等功能。
[0016]所述上位機以預設的步距角通過測控通信單元使水平旋轉機構旋轉一周，其中，每轉動一個步距角的位置時，所述上位機控制所述待測海船號笛鳴響4?5s，號笛鳴響期間所述上位機還控制聲壓傳感器采集待測海船號笛發出的音頻信號并將該音頻信號傳送至所述上位機，由上位機對該音頻信號處理并獲得1/3倍頻程聲壓級分布圖，從此圖中可以獲得聲響的基本頻率范圍和基本范圍內的計權聲壓級。
[0017]所述安裝臺包括:
[0018]支撐主軸，其與所述機架相垂直，其下端還所述機架固定連接；
[0019]水平板，其內端與所述支撐主軸的上端固定連接；
[0020]滑竿，其內端為U形開口，所述水平板的外端伸入所述U形開口內并通過水平設置的插銷活動連接；
[0021]壓板，當滑竿繞插銷旋轉至水平位置時，所述壓板設于滑竿的內端的上方，所述壓板與所述支撐主軸的上端夾持所述滑竿的內端，使滑竿保持水平；
[0022]安置臺面，其底部開設有滑動孔，滑竿穿過滑動孔并與安置臺面滑動連接；所述待測海船號笛水平固定于安置臺面的上方，所述支撐主軸的軸線在所述待測海船號笛的喇叭開口的外緣形成的平面內。
[0023]所述水平旋轉機構包括:
[0024]內軸套，其垂直緊套在安裝臺的支撐主軸上；
[0025]外軸套，其套設于內軸套外；
[0026]步進電機，其輸入端通過測控通信單元與所述上位機相連，接收上位機發出的步進信號；
[0027]主動齒輪，其與所述步進電機的驅動軸連接固定；
[0028]從動齒輪，其與所述外軸套固定連接，所述從動齒輪與所述主動齒輪在同一水平面上(?合。
[0029]所述方位調節機構包括:
[0030]伸縮懸臂，其包括水平放置的懸臂以及水平放置的伸縮桿，所述懸臂為空心直管結構，所述懸臂的內端與所述水平旋轉機構固定連接；所述伸縮桿的內端從所述懸臂的外端伸入懸臂內并與懸臂滑動連接，所述伸縮桿的外端設有末端孔；
[0031]夾持頭，其垂直穿過所述末端孔并與所述末端孔滑動連接；所述聲壓傳感器固設于夾持頭的上端。
[0032]所述聲壓傳感器包括:
[0033]傳聲器，其聲音采集端與所述待測海船號笛的喇叭開口位置相對，所述傳聲器為大量程無規入射型傳聲器；
[0034]前置放大器,其輸入端與所述傳聲器的輸出端相連；其輸出端與所述上位機相連。
[0035]前置放大器，其輸入端與所述傳聲器的輸出端相連；其輸出端與下述無線信號傳輸控制模塊中的無線收發模塊A相連。
[0036]所述的測控通信單元包括:無線收發模塊A、無線收發模塊B、步進電機驅動器、繼電器模塊和電源模塊。所述無線收發模塊A帶有模數轉換功能，其與所述步進電機驅動器、聲壓傳感器、繼電器和電源模塊通過導線連接，置于所述的機架上。所述無線收發模塊A和無線收發模塊B之間通過無線傳輸技術進行雙向通信。所述繼電器模塊是所述無線收發模塊A用來控制所述待測海船號笛工作電源開斷的。所述電源模塊為所述的無線收發模塊A、步進電機驅動器、繼電器模塊和聲傳感器提供穩定的工作電源。
[0037]與現有技術相比，本發明提出的一種海船號笛的聲響特性的自動測試裝置，本發明裝置結構簡單，可折疊，便于攜帶外出測試。采用了聲壓傳感技術、無線單片機技術、機電控制技術、虛擬儀器等技術，提供一種號笛聲響特性自動測試系統，提高了號笛聲壓性能測試的效率，使測量結果更準確，并可使測試人員遠離測試的高聲壓區域，避免測試人員聽覺受損。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]圖1是本發明的實施例的結構示意圖；
[0039]圖2是圖1中的A-A剖視圖；
[0040]圖3是本發明的實施例的測控通信單元的原理示意圖；
[0041]圖4是本發明的實施例的測控通信單元中的主要模塊接口連接示意圖；
[0042]圖中，1.步進電機；2.安裝臺；3.夾持頭；4.機架；5.主動齒輪；6.從動齒輪；
7.內軸套；8.外軸套；9圓螺母A; 10.圓螺母B; 11.安置臺面；12.滑竿；13.支撐主軸；14.水平板；15.壓板；16.托板；17.號笛；18.插銷；19.緊固螺栓A ；20.懸臂；21伸縮桿；22.緊固螺栓B;23.末端孔；24.緊固螺栓C;25.傳聲器；26.前置放大器；27.聲壓傳感器。
【具體實施方式】
[0043]下面結合附圖和實施例進一步說明本發明的技術方案。
[0044]本發明所述的海船用號笛聲響特性測試裝置包括機架、安裝臺、聲壓傳感器、水平旋轉機構、方位調節機構、測控通信單元和上位機軟件部分。
[0045]如圖1所示是海船用號笛聲響特性測試裝置示意圖，機架4放置在水平工作面上，通過水平旋轉機構、方位調節機構使安裝在夾持頭3上的聲壓傳感器27圍繞號笛17喇叭口垂直中心軸旋轉。結合圖2所示，水平旋轉機構主要由步進電機1、主動齒輪5、從動齒輪
6、內軸套7、外軸套8等組成，其中主動齒輪5通過鍵槽與步進電機I的驅動軸連接；內軸套7緊套在支撐主軸13上，外軸套8套在內軸套7外；外軸套8上焊接伸縮懸臂20 ;從動齒輪6通過鍵槽與外軸套7連接，并通過上圓螺母A9、下圓螺母BlO固定。本實施例中可選用二相混合式步進電機86HS1146A4。它的步距角為1.8°，靜力矩8.2N.M，其有良好的內部阻尼特性，運行平穩，無明顯低頻振蕩區；且造型美觀，結構牢固，噪音低，可靠性高，使用壽命長。
[0046]安裝臺2主要由安置臺面11、滑竿12、支撐主軸13、水平板14、壓板15等組成。安置臺面11底部開有滑動孔，滑竿12穿過滑動孔，則可以平移安置在安置臺面11上的號笛17，使號笛17喇叭口正中心位于支撐主軸13的正上方；水平板14與支撐主軸13互相垂直，焊接在支撐主軸的托板16上；滑竿12和水平板14通過插銷18連接，使滑竿12可以繞插銷18旋轉；壓板15中部有一通孔，壓板15通過壓住滑竿12末端，使用一緊固螺釘A19穿過壓板15的通孔擰入水平板14的螺紋孔來鎖緊壓板15使滑竿12保持水平。
[0047]伸縮懸臂主要由懸臂20以及伸縮桿21組成；懸臂20為空心直管，懸臂20末端上有一緊固螺釘B22，懸臂20內裝有伸縮桿21 ;伸縮桿21的末端接有末端孔23。
[0048]夾持頭3可在末端孔23內上下移動，用于調整固定在夾持頭3上的聲壓傳感器27垂直高度，使聲壓傳感器27軸線中心與號笛喇叭口平面中心保持水平。所述聲壓傳感器27高度確定后，通過緊固螺釘C24固定夾持頭3高度。
[0049]進一步,聲壓傳感器27包括傳聲器25和前置放大器26,其中傳聲器25米用大量程無規入射型(即散射場型)傳聲器。本實施例中傳聲器可選用MP451型傳聲器,MP451型傳聲器是1/4英寸散射場預極化駐極體測量傳聲器，動態范圍35dB?164dB，頻率響應為1Hz?50kHz，靈敏度為4mV/Pa，符合IEC61672標準I型的要求。本實施例中前置放大器26可選用MA401型，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前置放大器，其優勢在于成本較低，可與MP451型傳聲器配套使用。MA401出色的頻率響應可保證其與傳聲器相配時達到IEC61672標準規定的I型的要求。
[0050]如圖3所示是海船用號笛聲響特性測控通信單元的原理示意圖，所述的測控通信單元包括無線收發模塊A、無線收發模塊B、步進電機驅動器、繼電器模塊和電源模塊。所述無線收發模塊A帶有模數轉換功能，其與步進電機驅動器、聲壓傳感器、電源模塊通過導線連接，置于機架4上。所述無線收發模塊B被安放在上位機旁，可通過USB 口與上位機軟件通信。所述無線收發模塊A和無線收發模塊B之間通過無線技術進行信息雙向通信。所述繼電器模塊是無線收發模塊A用來控制號笛工作電源的開斷。所述電源模塊為無線收發模塊B、步進電機驅動器、繼電器模塊和聲傳感器提供穩定的工作電源。本實施例中無線收發模塊A、無線收發模塊B可采用NRF9E5無線收發模塊，此模塊內嵌8051微控制器，可工作于433MHz全球開放ISM頻段免許可證使用，包括4個10位80ksps的AD轉換器和8個可編程I/O引腳，最高數據傳輸速率100kbps。本實施例中步進電機驅動器可選用細分型兩相混合式步進電機驅動器，如MD680A。它采用直流24V?80V供電，適合驅動電壓24V?80V，電流小于8.0A,外徑57_?86_的兩相混合式步進電機。此驅動器采用交流伺服驅動器的電流環進行細分控制，電機的轉矩波動小，低速運行平穩，振動和噪音低。選用的步進電機及其控制器相互配合，經細分處理，至少能實現步距角為0.9°。
[0051]圖4是本實施例測控通信單元系統主要模塊接口連接示意圖。其中，聲壓傳感器輸出信號采用參考單端模式接入型號為NRF9E5的無線收發模塊A的ΑΙΝ0，信號地線與NRF9E5的模擬地(AIGND)端口連接；步進電機驅動器采用共陽極接線方法，NRF9E5的POO輸出脈沖可以控制步進電機的轉速，POl 口控制電機旋轉方向，P02輸出的使能信號控制驅動器的工作狀態；電源模塊為其它部分提供穩定、可靠的工作電壓，使各個硬件模塊能正常工作。
[0052]進一步,所述的上位機軟件是在Labview軟件開發平臺上,其基本功能包括數據處理、電機控制、測試報告生成等；其中利用了 NI公司提供的聲音與振動工具包進行數據分析，利用報表生成工具包開發生成測試報告。本實施例中，應用軟件使用Labview 8.6開發，數據處理借用NI聲音與振動工具包，該工具包中包含了電壓轉物理信號、η倍頻程濾波器、計權濾波器等噪聲處理子VI，可以直接調用。其中η倍頻程濾波器子VI符合IEC61260:1995 和 ANSI S1.11-2004 國際標準。
[0053]本發明的自動測試裝置的工作過程如下:
[0054]I)抬起滑桿，用壓板壓住滑桿，擰緊緊固螺釘A，使滑動桿保持水平；并抽出伸縮桿，擰緊緊固螺釘B，固定伸縮桿。
[0055]2)將號笛安裝在安置臺面上，滑動安置臺面使號笛喇叭口平面中心位于支撐主軸正上方，并上下移動夾持頭，使傳聲器中心正對號笛喇機口平面中心，此時聲壓傳感器前端面距正前方的號笛喇叭口平面中心剛好為I米。
[0056]3)號笛工作電源線與繼電器模塊連接，并開啟電源模塊。
[0057]4)啟動上位機軟件，執行號笛聲響的基本頻率范圍和計權聲壓級測量。此時，上位機軟件控制繼電器模塊接通使號笛上電，號笛鳴響4s?5s之后，測試程序控制繼電器模塊斷開。號笛鳴響期間的音頻信號會被聲壓傳感器感知，輸出電壓信號，此信號被無線收發模塊A采集轉換為數字量并轉發給無線收發模塊B，無線收發模塊B進一步把數據上傳給上位機，經過上位機軟件對數據的處理可得到1/3倍頻程聲壓級分布圖，從此圖中可以獲得聲響的基本頻率范圍和基本范圍內的計權聲壓級，完成號笛聲響的基本頻率范圍和計權聲壓級測試。
[0058]5)執行聲輻射指向性測試，上位機軟件控制步進電機旋轉一定角度停止，重復過程(4)的，直到步進電機旋轉一周。此過程中，上位機軟件會記錄下每個旋轉角度下的計權聲壓級。
[0059]6)填寫測試人員、時間等信息，執行測試報告生成功能，完成測試。
[0060]本【技術領域】中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發明的目的，而并非用作對本發明的限定，只要在本發明的實質范圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發明的權利要求的范圍內。
【權利要求】
1.一種海船號笛的聲響特性的自動測試裝置，其特征在于，包括: 機架，其水平設于工作面上； 安裝臺，其水平設于所述機架上并與所述機架連接固定； 水平旋轉機構，其與所述安裝臺轉動連接； 方位調節機構，其與所述水平旋轉機構連接固定； 待測海船號笛，其水平設于安裝臺上，所述待測海船號笛的喇叭口位于水平旋轉機構的旋轉軸線的正上方； 聲壓傳感器，其固設于所述方位調節機構的上方，所述聲壓傳感器的軸線與所述待測海船號笛的軸線在同一個水平面上；所述聲壓傳感器的聲音采集端至待測海船號笛的喇叭開口的外緣形成的垂直平面的水平距離為Im; 上位機，其通過測控通信單元分別與所述水平旋轉機構、待測海船號笛以及聲壓傳感器相連； 所述上位機以預設的步距角通過測控通信單元使水平旋轉機構旋轉一周，其中，每轉動一個步距角的位置時，所述上位機控制所述待測海船號笛鳴響4?5s，號笛鳴響期間所述上位機還控制聲壓傳感器采集待測海船號笛發出的音頻信號并將該音頻信號傳送至所述上位機，由上位機對該音頻信號處理并獲得1/3倍頻程聲壓級分布圖，從此圖中可以獲得聲響的基本頻率范圍和基本范圍內的計權聲壓級。
2.根據權利要求1所述的自動測試裝置，其特征在于:所述安裝臺包括: 支撐主軸，其與所述機架相垂直，其下端還所述機架固定連接； 水平板，其內端與所述支撐主軸的上端固定連接； 滑竿，其內端為U形開口，所述水平板的外端伸入所述U形開口內并通過水平設置的插銷活動連接； 壓板，當滑竿繞插銷旋轉至水平位置時，所述壓板設于滑竿的內端的上方，所述壓板與所述支撐主軸的上端夾持所述滑竿的內端，使滑竿保持水平； 安置臺面，其底部開設有滑動孔，滑竿穿過滑動孔并與安置臺面滑動連接；所述待測海船號笛水平固設于安置臺面的上方，所述支撐主軸的軸線在所述待測海船號笛的喇叭開口的外緣形成的平面內。
3.根據權利要求1所述的自動測試裝置，其特征在于:所述水平旋轉機構包括: 內軸套，其垂直緊套在安裝臺上； 外軸套，其套設于內軸套外； 步進電機，其輸入端通過測控通信單元與所述上位機相連，接收上位機發出的步進信號; 主動齒輪，其與所述步進電機的驅動軸連接固定； 從動齒輪，其與所述外軸套固定連接，所述從動齒輪與所述主動齒輪在同一水平面上口四合。
4.根據權利要求1所述的自動測試裝置，其特征在于:所述方位調節機構包括: 伸縮懸臂，其包括水平放置的懸臂以及水平放置的伸縮桿，所述懸臂為空心直管結構，所述懸臂的內端與所述水平旋轉機構固定連接；所述伸縮桿的內端從所述懸臂的外端伸入懸臂內并與懸臂滑動連接，所述伸縮桿的外端設有末端孔； 夾持頭，其垂直穿過所述末端孔并與所述末端孔滑動連接；所述聲壓傳感器固設于夾持頭的上端。
5.根據權利要求1所述的自動測試裝置，其特征在于，所述聲壓傳感器包括: 傳聲器，其聲音采集端與所述待測海船號笛的喇叭開口位置相對，所述傳聲器為大量程無規入射型傳聲器； 前置放大器，其輸入端與所述傳聲器的輸出端相連。
6.根據權利要求1所述的自動測試裝置，其特征在于，所述測控通信單元包括: 步進電機驅動器，其與所述水平旋轉機構相連； 繼電器，其與所述待測海船號笛相連； 無線收發模塊A，其分別與所述步進電機驅動器、繼電器、聲壓傳感器相連； 無線收發模塊B，其與所述上位機相連，所述無線收發模塊B與無線收發模塊A之間通過無線傳輸實現雙向通訊。
【文檔編號】G01H11/06GK104181232SQ201410415057
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月21日 優先權日:2014年8月21日
【發明者】盛慶元, 張祝利, 石瑞, 李彤 申請人:中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所
專業數控銑床產品供應商
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