Останнім часом для вимірювань застосовують п'єзоелектричні мікрофони з термостійких матеріалів з достатньо великим п’єзоелектричним ефектом. У них використо-вується властивість п’єзоелектричних матеріалів створюва-ти при механічній деформації напругу між електродами, які прикладені до пластин з цих матеріалів. У вимірювальних пристроях високого класу п’єзомікрофони застосовуються нечасто. Це пояснюється в основному низькою тем-пературною стабільністю і дуже високим внутрішнім опо-ром ємнісного типу. Останнє ускладнює підключення їх за допомогою довгих ліній, а також на навантаження з не великим опором. До переваг п’єзомікрофонів належать простота конструкції, невеликі розміри, висока чутливість.

Електродинамічні мікрофони майже завжди використо-вуються для порівняльних вимірювань. Вони мають дуже низький рівень власних перешкод, тому придатні для вимірювань слабких шумів.

При застосуванні мікрофонів треба враховувати низку факторів. Зокрема зазначимо, що чим більша частота вимірювання, тим меншим має бути розмір мікрофона. Щоб не перекручувати звукове поле, мікрофонні приймачі, з'єднувальні кабелі повинні мати невеликі розміри віднос-но довжини звукової хвилі, а відстань між мікрофоном та оператором, який обслуговує апаратуру, повинна станови-ти не менше ніж 1 м. Крім того, слід звести до мінімуму наведені електричні та магнітні поля, особливо помітні при застосуванні довгих кабелів.

1.5 Основні методи і засоби обробки акустичних сигналів

Сигнали шуму та вібрації тут здебільшого вважаються випадковими процесами. Це обумовлено необхідністю врахування фактора випадковості при формуванні їх унаслідок нестабільності умов збудження, неможливості абсолютного повторення режимів роботи тощо. Крім того, акустичні сигнали вважаються стаціонарними процесами, що забезпечується сталістю процесу збудження коливань. Фізично виправдане для розглядуваних процесів також припущення про їхню ергодичність. Отже, акустичні сигнали в цій книзі вважаються стаціонарними ергодичними випадковими процесами (якщо немає додаткових уточнень). Це дає змогу застосувати для аналізу їх достатньо розроблену спектрально-кореляційну теорію.

Основним сучасним методом обробки сигналів шуму та вібрації є спектральний аналіз. Цей метод застосовують для оцінки основних спектральних характеристик сигналів шуму та вібрації — спектральних густин потужності, а також характеристик взаємозв'язку сигналів (взаємних спектрів, функцій когерентності та кореляції). Крім того, на підставі цих характеристик обчислюють частотні характеристики шляхів поширення коливань.

Сучасний спектральний аналіз шумових і вібраційних сигналів поділяється на аналіз з постійною смугою частот (Дf = const) і з постійною відносною смугою (Дfо/fо = const); остання, як правило, октавна чи третинооктавна. Тут Дf — ширина смуги аналізу (для ШПФ Дf часто називають також кроком за частотою), fо — центральна частота смуги. Вид аналізу та параметри відповідної апаратури вибирають залежно від задачі аналізу.

Якщо мета досліджень — визначення окремих дискретних складових, то слід вибирати вузькосмуговий аналіз з постійною смугою пропускання. Проте ця смуга не повинна бути занадто вузькою, оскільки під час роботи будь-якого джерела шуму та вібрації спектральні складові неминуче флуктують з плином часу за частотою. Смуга аналізу має охоплювати ці флуктуації; у противному разі результати спотворюватимуться.

При боротьбі з шумом та вібрацією методами звукоізоляції чи поглинання часто достатньо виявити інтенсивні частотні ділянки або зони цих процесів. У цьому разі більш доцільний аналіз з постійною відносною смугою пропускання. У будівництві застосовують здебільшого октавний аналіз, у машинобудуванні — третинооктавний.

На практиці часто вважають, що ширина смуги аналізу має бути приблизно (в крайньому разі) в 4 рази вужча за загальний частотний діапазон, який аналізується. Апаратура для спектрального аналізу промислового шуму та вібрації здебільшого не є специфічною тільки для аналізу механічних коливань, оскільки по суті аналізуються електричні коливання, що надходять від електроакустичного перетворювача.

Зараз спектральний аналіз здійснюють або смуговою фільтрацією сигналів, або на підставі ШПФ. Останнім часом для спектрального аналізу (зокрема обчислення дискретного перетворення Фур'є) дедалі більше використовують алгоритм ШПФ, особливо з появою швидкодіючих процесорів ШПФ. Головна перевага цього способу — можливість дістати порівняно вузькосмугові спектри, тобто можливість спектрального аналізу з високим розділенням за частотою.

В апаратному забезпеченні обробки віброакустичних сигналів формуються та розвиваються такі тенденції:

цифрове представлення віброакустичної інформації;

розробка спеціалізованих обчислювальних пристроїв на базі мікропроцесорів, що працюють за жорсткими алгоритмами. Переваги таких пристроїв — швидкодія, мобільність; недолік — низький ступінь універсальності;

розробка програмних комплексів, в яких процес обробки інформації здійснюється програмно ЕОМ, найчастіше персонального типу. При цьому сигнали вводяться безпосередньо в запам'ятовуючий пристрій ЕОМ у цифровій формі. Перевагами таких комплексів є високий ступінь універсальшувати кількість каналів одночасного введення сигналів; недолік — порівняно невисока швидкодія. Отже, такі комплекси доцільно застосовувати в метою дослідження;

розробка програмно-апаратних комплексів обробки інформації, в яких обчислення спеціальної функції (наприклад, спектральної густини) здійснює спеціалізований пристрій, сумісний з ЕОМ, а вторинну обробку добутих функцій (накопичення, аналіз) — ЕОМ. Такий варіант, незважаючи на порівняно високу вартість, має менше недоліків двох перших і тому розвивається найбільш інтенсивно.

2.4 Опис схеми головного модуля

Головний модуль шумоміра складається із трьох функціональних блоків: джерела напруги, підсилювача й мікроконтролера.

Джерело напруги зібране на двох мікросхемах MC34063 фірми Motorola (DA2, DA3). Одна з них видає напругу +5 В, інша - -5 В. Схеми включення мікросхем узяті з відповідної технічної документації, розрахунок параметрів схеми наведений у розділі.

Підсилювач виконаний на операційному підсилювачі LM2902 фірми Philips. Фактично, у корпусі присутні чотири підсилювачі, але використаються тільки три. Два підсилювачі виведені на насичення (DA4.2, DA4.3), і використаються як джерела опорної напруги для АЦП мікроконтролера. Один підсилювач (DA4.1) включений за інвертуючою схемою. У вхідному ланцюзі підсилювача знаходиться резистор R1, у ланцюзі зворотного