文本内容:
便携式超声波水声声压计设计 随着水下超声波技术的发展在很多应用场所提出了测试其声强的需要我们采用CS-3型水听器设计便携式超声波声压计 系统设计 设计目标要求:实现15-45kHz超声波声压、声强的测量测量的范围是0-10个大气压或声压级范围30-120dB测量的误差为在总体的频率范围内大小3dB对单一频率小于1dBCS-3型水听器的特性是在10-100kHz其M参数的不一致性小于3dBM参数是指水听器受单位声压的作用而产生的输出电压单位是V/Pa用分贝表示的M参数是 MdB=20logM/Mo其中Mo为参考声压Mo=1V/礟a 声强I=P2/r*C其中P为声压C为声速r为密度 为满足设计的目标需进行测量误差分析对应于在为30-120dB的声压级在流体中的声强为I=P*V*cosy 自由场中声强为I=P2/r*C 声强级的表达式为 I=10logI/Io 其中Io为10-12W/m2在自由声场中声压级与声强级近似相等 从而可得出在近似测量中声强级的不一致性对应于M参数的不一致性小于3dB 从而得出不必进行频率校正声压、声强的不一致性可以满足要求 由于一般测的是有效声压为平均值所以测量的精度相比起来比较容易实现跟随、放大、滤波、峰值和频率检测产生误差主要在滤波、峰值和频率检测我们所设计的滤波通带不稳定度为1dB、峰值检测的误差小于1dB但通过进行频率的检测和时间的平均进行软件和硬件的补偿可以使误差较好的满足要求根据上面的分析考虑到超声波测量的特点系统框图示于图1其中预加重考虑隔直和系统频率特性跟随器起隔离水听器和减小后端电路影响的作用放大器与分压通过可控增益放大来实现也可通过开关来实现测量范围的转换带通滤波为测量特定频率的超声波声压的必需峰值检测为测量和计算声压的原始数据频率为提供频率数据和进行声压计算的频率校正 图1系统框图带通滤波电路考虑系统对频率范围的不平度有较高的要求采用巴特沃斯滤波器进行设计带通由高通和低通级联实现 考虑具体的要求截至频率定为10kHz取高通的阶数为5低通的阶数为6图2是高通滤波电路峰值检波电路图3是用集成放大器来实现峰值检波的电路 图2高通滤波电路 过零检测电路 过零检测电路在输出需考虑与MSP430的接口问题因而增加了接口转换电路图4 图3峰值检波电路 图4过零检测电路 系统接口 本系统用TI公司MSP430微控制器的P6端口的12位A/D转换进行峰值测量利用P1口的定时捕获/比较进行频率测量在MSP430硬件的设计上提供晶振、复位、时钟电路以及JTAG完成整体设计根据硬件设计相关的软件进行声压测量 结语 本声压计的设计采用了功耗极低的MSP430微控制器用简单和便宜的集成运放和比较器实现较为复杂的超声波的信号调理电路设计满足了设计的要求。