Датчик рівня шуму

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Шум є важливим аспектом сучасного життєвого середовища. Для людини фактор шуму відіграє не останню роль у житті. Дослідженнями доведено, що навіть шум помірної інтенсивності, погіршує працездатність, особливо при розумовому навантаженні. Негативний вплив шуму сильніший, якщо вище його тональність, тривалість впливу та неоднорідність спектрального складу.

Під тривалим впливом сильного шуму від 90 дБ і вище можуть виникати в людини порушення слуху, розлад нервової системи. Також шум сприяє захворюванням серцево-судинної системи. У останні роки з'явився навіть спеціальний термін «шумова хвороба».

На сучасних підприємствах спостерігається тенденція збільшення потужності виробничого встаткування, швидкості руху його частин, підвищення ступеня механізації виробничих процесів, а також впровадження в технологію виробництва різних коливальних процесів. Все це призводить до збільшення інтенсивності й часу впливу шуму на людину.

Для органів санітарної інспекції та служби охорони праці боротьба з усіма видами шумів - виробничими, вуличними, побутовими - обумовлює одну з найважливіших функцій на підприємствах. Відповідно, виробництва де рівень шуму перевищує припустимі норми, підпадають під категорію шкідливих.

Шум як професійний фактор спостерігається у промисловості, на транспорті, у сільському господарстві тощо. З кожним роком збільшується кількість професій, пов'язаних із шумом, а зростаюча спеціалізація праці веде до збільшення тривалості його впливу на людину.

Отже можна зробити висновок, що є значна необхідність у пристрої для вимірювання шуму. На сьогоднішній день є велика кількість приладів для вимірювання шуму, котрі названі шумомірами, проте не всі вони відповідають необхідним на сьогоднішній день вимогам, адже з кожним днем людина використовує в побуті та на підприємствах все більше приладів що спричиняють значний шум і постає питання у належному контролю за цим явищем. Допустимий рівень шуму робочого місця регламентується за допомогою ГОСТу 12.1.003-83, частина якого наведена у таблиці 1.

Отже нам необхідно побудувати універсальний малогабаритний датчик рівня шуму, який би ми могли використовувати як на робочих місцях, так і в побуді.

Таблиця 1. Допустимі рівні звукового тиску на робочих місцях

Назва	Середньогеометричні частоти, Гц	Рівні звука і еквівалентні рівні звука, дБА
	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
	Рівень звукового тиску, Дб
1. При шумі, проникаючому із приміщень, що знаходяться на території підприємств:
а) конструкторські бюро, кімнати розраховувачів і програмістів лічильно-електронних машин, приміщення лабораторій для теоретичних робіт та бробки експериментальних даних, приміщення прийому хворих, здоровпунктів	71	61	54	49	45	42	40	38	50
б) приміщення управлінь (робочі кімнати)	79	70	63	58	55	52	50	49	60
в) кабіни спостереження та дистанційного управління	94	87	82	78	75	73	71	70	80
г) те ж, з мовним зв'язком телефоном	83	74	68	63	60	57	55	54	65
2. При шумі, що виникає всередині приміщень та проникаючому в приміщення, що знаходяться на території підприємств:
а) приміщення та дільниці точного складання, машинописних бюро	83	74	68	63	60	57	55	54	65
б) приміщення лабораторій, приміщення для розміщення «гучних» агрегатів лічильно-обчислювальних машин (табуляторів, перфораторів, магнітних барабанів і т.п.)	94	87	82	78	75	73	71	70	80
3. Постійні робочі місця у виробничих приміщеннях і на території підприємств	103	96	91	88	85	83	81	80	90



1. Аналітична частина

1.1 Аналіз відомих пристроїв

Шум -- неприємний або небажаний звук чи сукупність звуків, що заважають сприйняттю корисних звукових сигналів, порушують тишу, чинять шкідливу або подразливу дію на організм людини, знижують її працездатність.

Звуковий тиск -- змінний тиск у середовищі, зумовлений поширенням у ньому звукових хвиль. Величина звукового тиску оцінюється силою дії звукової хвилі на одиницю площі й виражається у ньютонах на квадратний метр (1 Н/м2), або Паскалях (Па).

Оскільки вухо людини має логарифмічну характеристику реакції на звук, в акустиці часто застосовують вимірювання звукового тиску логарифмічною шкалою у децибелах.

Рівень шуму - рівень тиску логарифмічному масштабі, що створює сукупність небажаних звуків, відносно порогового значення тиску н/м2. Рівень шуму визначається за формулою:

Дб.

Існують два методи вимірювань рівня шуму: суб'єктивний і об'єктивний.

Для вимірювання суб'єктивним методом служать прилади-фонометри, в яких вимірюваний звук або шум порівнюється з чистим тоном певної частоти, порушуваним спеціальним генератором. Однак через складність вимірювань і залежності їх результатів від характеристик слуху оператора вони мають вельми обмежене застосування.

Для вимірювання рівнів шуму об'єктивним методом широке поширення отримали шумоміри. У цих приладах шум сприймається з допомогою широкосмугового мікрофона, який перетворює звукові коливання в електричні. Останні посилюються і подаються на випрямляч стрілочного приладу (вимірювач). До виходу підсилювача можуть підключатися частотні аналізатори, самописці та інші прилади.

Об'єктивні шумоміри дозволяють визначити лише наближені значення рівнів гучності шуму із-за обмеженості частотних характеристик чутливості.

Вимірювання рівня шуму в промисловості виробляються шумомірами різних типів, з яких найбільше поширення отримали шумомір Ш-63 з приєднаним до нього октавним смуговим фільтром ПФ-1 і шумомір Ш-3М з 1/3-октавним аналізатором Ліотою.

Шумомір Ш- 63 має три шкали (А, В і С), що враховують частотний склад вимірюваного шуму. Характеристика шуму за шкалою А відповідає кривій гучності 40 фон, тобто до певної міри суб'єктивному сприйняттю рівня гучності і дозволяє провести орієнтовну оцінку «неприємності» або «шкідливості» шуму. Тому рівень шуму, виміряний за шкалою А в децибелах (дб А), має велике значення для гігієнічної практики оцінки промислових шумів.

Характеристика шуму за шкалою В відповідає кривої, рівної гучності 70 фон.

Для отримання спектру шуму виміри повинні проводитися за шкалою С. Прямолінійна частотна характеристика С у діапазоні 60-5000 Гц покаже суто фізичну величину - рівень звукового тиску.

Спектральний склад шуму досліджується спеціальними приладами, які отримали назву аналізаторів шуму. Найчастіше застосовуються октавні аналізатори, що дозволяють вимірювати рівні звукового тиску в октавних смугах.

Октавна смуга - це смуга, в якій верхня гранична частота дорівнює подвоєній нижній частоті (наприклад, 45-90; 90-180 і т. д.). Октавна смуга характеризується середньою частотою.

Для вимірювання постійного (стаціонарного) шуму роблять виміри рівнів шуму шумоміром протягом 5-10 хв. за цей час береться кілька відліків показань стрілки приладу. З усіх свідчень знаходять мінімальне та максимальне значення і обчислюють середній рівень шуму. При гігієнічній оцінці джерела шуму орієнтуються на максимальні значення. Отримані рівні шуму виражаються в децибелах або в децибелах А залежно від частотної корекції, на якій проводилися заміри, С або А.

Імпульсні шуми (вибухові, ударні) не можуть бути виміряні звичайними шумомірами, так як останні володіють великою інерційністю. Для вимірювання енергетичного рівня імпульсу застосовуються спеціальні шумоміри 2203 «Брюль и К`єр», PSJ 201, РФТ-ГДР інші.

В якості чутливого елементу в шумомірах використовуються мікрофони.

Мікрофон -- прилад, що перетворює звукові коливання на електричні.

Принцип роботи мікрофона полягає в тому, що тиск звукових коливань повітря, води чи твердої речовини діє на тонку мембрану мікрофона. У свою чергу коливання мембрани збуджують електричні коливання, в залежності від типу мікрофона для цього використовується явище електромагнітної індукції, зміна ємкості конденсаторів чи п'єзоелектричним ефектом.

За принципом дії мікрофонів можна виділити декілька їх основних типів.

У п'єзоелектричних мікрофонах використовується п'єзоелектричний ефект, сутність якого полягає у виникненні електричних зарядів на поверхні кристалів деяких речовин (наприклад кристалах сегнетової солі) при їх деформації під дією тиску (в тому числі звукового), величина яких пропорційна деформувальній силі.

Мікрофони магнітоелектричного типу перетворюють акустичну енергію в електричну, використовуючи явище електромагнітної індукції. Конструктивно такі мікрофони виконуються або з рухомою котушкою (динамічні мікрофони) або з рухомою стрічкою (стрічкові мікрофони).

Конденсаторні, або електростатичні мікрофони використовують залежність ємкості конденсатора від переміщень його рухомої пластини під дією звукових коливань. Різновидом конденсаторних мікрофонів є електретні мікрофони, що використовують діелектрики -- матеріали, що можуть нести електричні заряди.

Динамічні мікрофони

Найпоширеніший тип конструкції мікрофона, в основі якого -- мембрана, з'єднана з легкою котушкою індуктивності, що поміщена в сильне магнітне поле, створюване постійним магнітом. Коливання звукового тиску діють на мембрану й надають руху котушці. Коли котушка перетинає силові лінії магнітного поля, у ній наводиться електрорушійна сила. ЕРС індукції пропорційна як амплітуді коливань мембрани, так і частоті коливань.

Перевагами динамічних мікрофонів є їхня міцність, невеликі розміри й маса, що дає можливість використовувати їх за межами студії -- під час репортажів та на концертах. За характеристикою направленості динамічні мікрофони бувають ненаправлені та кардіоїдні.

Конденсаторні мікрофони

В основі цього типу мікрофонів -- конденсатор, одна з обкладок якого масивна і нерухома, а інша виконана з еластичного матеріалу (звичайно полімерна плівка з нанесеною металізацією). Під дією звукових коливань рухома обкладка починає коливатися, змінюючи ємкість конденсатора.

Конденсаторний мікрофон має високий вихідний опір, тому усередині його корпуса розташовують підсилювач з високим (порядку 1 Гом) вхідним опором, виконаний на електронній лампі або польовому транзисторі. Як правило, напруга для поляризації і живлення підсилювача подається по сигнальним проводах (фантомне живлення).

Конденсаторні мікрофони мають досить рівномірну амплітудно-частотну характеристику й забезпечують високоякісне звучання, завдяки чому широко використаються в студіях звукозапису, на радіо й телебаченні. Недоліками їх є висока вартість, необхідність у зовнішньому живленні і високій чутливості до ударів і кліматичних впливів -- вологості повітря й перепадам температури, що обмежує їх використання за межами студії.

На рис. 2 наведена схема, яка пояснює принцип роботи конденсаторного мікрофона. Виконані з електропровідного матеріалу мембрана (1) і електрод (2) розділені ізолюючим кільцем (3) і являють собою конденсатор. Жорстко натягнута мембрана під впливом звукового тиску здійснює коливальні рухи щодо нерухомого електрода. Конденсатор включений в електричний ланцюг послідовно з джерелом напруги постійного струму GB і активним навантажувальним опором R. При коливаннях мембрани ємність конденсатора змінюється з частотою впливає на мембрану звукового тиску. У електричного кола з'являється змінний струм тієї ж частоти і на опорі навантаження виникає змінна напруга, що є вихідним сигналом мікрофона.

Електретні мікрофони

Різновидом конденсаторного мікрофону є електретний мікрофон. Принцип дії електретного мікрофона заснований на здатності деяких діелектричних матеріалів (електретів) зберігати поверхневу неоднорідність розподілу заряду протягом тривалого часу. Ці матеріали використовуються як діалектричне заповнення конденсатора, що дозволяє формувати поляризувальну напругу без підключення до зовнішніх джерел енергії. Живлення потрібне лише для підсилювача.

Чутливість

Чутливість мікрофона визначається відношенням напруги на виході мікрофона до звукового тиску Р0 у вільному звуковому полі, тобто при відсутності сигналу. При розповсюдженні синусоїдальної звукової хвилі в напрямку акустичної осі мікрофона, цей напрямок називається осьовою чутливістю.

Акустична вісь збігається з віссю симетрії мікрофона. Якщо конструкція мікрофона не має осі симетрії, то напрямок акустичної осі вказується в технічних умовах. Чутливість сучасних мікрофонів складає від 1-2 (динамічні мікрофони) до 10-15 (конденсаторні мікрофони) мВ/Па.

Амплітудно-частотна характеристика

Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ), або просто частотна характеристика -- це залежність осьової чутливості від частоти звукових коливань. Ця характеристика пов'язана із залежністю чутливості мікрофона від частоти звукових коливань. Нерівномірність амплітудно-частотної характеристики вимірюють у децибелах як відношення чутливості мікрофона на певній частоті до чутливості на середній частоті, наприклад 1000 Гц.

Акустична характеристика

Вплив звукового поля на мікрофон оцінюється акустичною характеристикою, яка визначається відношенням сили, що діє на діафрагму мікрофона і звуковим тиском у вільному звуковому пол.

Характеристикою направленості називають залежність чутливості мікрофона від напрямку падіння звукової хвилі по відношенню до осі мікрофона. Вона визначається відношенням чутливості Мб при падінні звукової хвилі під кутом б відносно акустичної осі мікрофона до його осьової чутливості:

ц = Mб/M0

Рівень шумів

Рівень власних шумів мікрофона Nш визначається відношенням ефективної напруги на виході мікрофона за відсутності звукового поля Uш до напруги U1 при наявності звукового поля з ефективним тиском у 0,1 н/мІ.

Також чутливим елементом пристроїв для вимірювання шуму може слугувати динамік при правильному підключенні, адже він також має мембрану, котра є первинним перетворювачем тиску звуку. Недоліком є низька чутливість, адже мембрана динаміка значно товща від мембрани мікрофона.

1.2 Недоліки відомих пристроїв

Серед недоліків пристроїв для вимірювання шуму можна назвати їх діапазон вимірювання, що в більшості пристроїв складає від 20 до 100 Дб. Цей діапазон не дає можливості виміряти невеликі значення рівня шуму до 20 Дб.

1.3 Мета роботи

Розробка малогабаритного універсального датчика рівня шуму машин та пристроїв з діапазоном вимірювання від 5 до 40 Дб для вимірювання рівня шуму машин та пристроїв, використовуючи сучасну елементну базу.

1.4 Розробка технічних вимог

Вимоги до джерела живлення.

Напруга джерела постійного струму величиною не менше 1,5 В.

Відхилення по напрузі живлення +0.015В -0,023В.

Струм не більше 2 мА

Джерело живлення повинно мати захист від струмів короткого замикання, який повинен складати 6 мА, бути виконаний у вигляді запобіжника.

Джерело живлення повинно мати комутуючий апарат для подачі напруги живлення, який може бути виконаний у вигляді кнопкового перемикача.

Джерело живлення повинно мати наступну індикацію: включення джерела живлення, спрацювання захисту від короткого замикання, при цьому індикація повинна бути виконана за допомогою світлодіодів.

Джерело живлення повинно бути виконано у вигляді окремого вбудованого блоку для підключення акумуляторів.

Джерело живлення повинно мати роз`ємні з`єднання для підключення акумуляторів.

Технічні вимоги до вхідних ланцюгів у датчика.

Датчик рівня шуму повинен забезпечувати вимірювання рівня шуму в діапазоні від 5 дБ до 40 дБ.

Датчик повинен мати похибку не більше 1%

Точність вимірювання ±0.5 дБ.

Технічні вимоги до вихідних параметрів пристрою.

Пристрій повинен мати цифрову індикацію виконану у вигляді семи сегментного індикатора, колір індикації червоний, висота цифри 7.5 мм.

Пристрій повинен мати наступні конструктивні данні.

Пристрій повинен бути виконаним у вигляді блоку з друкованою платою.

Пристрій повинен мати габаритні розміри не більше 150?100?30.

Маса пристрою повинна бути не більше 0.2 кг.

Пристрій повинен мати роз`ємне з'єднання для підключення мікрофону.

Пристрій повинен мати кнопковий перемикач для замірювання рівня шуму.

Пристрій повинен мати наступні показники надійності.

Пристрій повинен мати строк служби не менше 2 роки.

Наробка на відмову не менше 3000 годин.

Пристрій повинен мати наступні економічні показники.

Вартість пристрою повинна складати не більше 100 грн.

Кількість виробів повинна скласти не менше 100 шт.

Економічний ефект повинен скласти не менше 1? на виріб.



2. Спеціальна частина

2.1 Розробка структурної схема і опис її роботи

Структурна схема знаходиться на Додатку 1, рис. 1.

До структурної схеми входять:

ЧЕ - чутливий елемент, представлений у вигляді мікрофону

ПС - підсилювач

Д - детектор амплітудно-модульованих сигналів

ЛП - логарифмічний підсилювач

АЦП - аналого-цифровий перетворювач

Дш1 - дешифратор для керування індикаторами

Дш2 - дешифратор для керування сегментами індикаторів

ДЖ - джерело живлення

Чутливий елемент сприймає звуковий тиск, що діє на нього, перетворюючи його у низьковольтну ЕДС. Підсилювач підсилює ЕДС, перетворюючи її на змінну напругу, котра модулює звуковий тиск по амплітуді. Детектор сприймає цю напругу та перетворює у постійну, таким чином відновивши корисний сигнал. Логарифмічний підсилювач логарифмує сигнал, котрий далі поступає на аналого-цифровий перетворювач, що перетворює аналогову величину напруги у двійковий код, що записується у регістр для зберігання. Двійковий код перетворюється у двійково-десятковий для виділення коду для кожного семи сегментного індикатора. Дешифратори формують сигналу для управління семисегментним індикатором.

2.2 Вибір елементів, які входять до складу пристрою

Чутливий елемент.

Приведемо порівняльну таблицю (таблиця 2) промислових мікрофонів, та оберемо мікрофони, що по конструктивним даним підходять до нашого пристрою. Основною вимогою до мікрофону є номінальний діапазон вимірювання, що повинен включати показання від 5 до 40 Дб.

Таблиця 2 - Порівняльна характеристика промислових мікрофонів.

Тип мікрофону	Номінальний діапазон	Нерівномірність частотної характеристики чутливості	Чутливість на 1000 Гц при номінальному навантаженні, дБ	Розміри, мм.	Маса, г.	Відповідність датчика вимогам пристрою
	Дб	Дб		Дб	H	B	L
Індуктивні мікрофони
МД-38	4,08	83,52	8	0,34	30,0	30,0	140,0	200	Відповідає
МД-44	3,52	78,06	12	0,42	33,0	33,0	50,0	120	Відповідає
МД-45	0,83	83,52	12	0,34	37,0	37,0	115,0	180	Відповідає
МД-46	20,00	73,98	25	1,94	50,0	50,0	65,0	1400	Не відповідає
МД-47	20,00	80,00	20	23,52	94,0	71,0	32,0	260	Не відповідає
МД-49	20,00	78,06	10	-4,01	33,0	33,0	50,0	250	Не відповідає
МД-51	18,06	73,98	12		36,0	60,0	800,0		Не відповідає
МД-52А	13,98	83,52	12	0,00	32,0	32,0	121,0	160	Не відповідає
МД-54	22,92	80,00	15	-6,02	23,0	23,0	65,0	90	Не відповідає
МД-59	13,98	83,52	8	-4,01	34,0	34,0	120,0	60	Не відповідає
МД-61	20,00	80,00	12	-13,98	20,0	20,0	75,0	50	Не відповідає
МД-62	20,00	80,00	12	-13,98	20,0	20,0	75,0	50	Не відповідає
МД-63	15,56	83,52	20		22,0	22,0	68,0	100	Не відповідає
МД-63Р	15,56	83,52	20		22,0	22,0	68,0	80	Не відповідає
МД-64	20,00	80,00	12	0,00	35,0	35,0	62,0	120	Не відповідає
МД-64А	20,00	81,58	10 (от 0,2 до 12кГц)	0,00	33,0	33,0	115,0	200	Не відповідає
МД-200	20,00	80,00	12	3,52	34,0	34,0	120,0	120	Не відповідає
М-65А	21,58	80,00	15	-0,92	22,0	22,0	80,0	80	Не відповідає
МД-66	20,00	82,92	18	6,44	37,0	37,0	80,0	135	Не відповідає
МД-69	13,98	83,52	8	0,00	40,0	70,0	110,0	380	Не відповідає
МДО-1	23,52	78,06	15	-4,01	35,0	35,0	151,0	1200	Не відповідає
82А-5М	13,98	80,00	10	4,86	44,0	44,0	130,0	175	Не відповідає
82А-9	20,00	78,06	12	0,00	30,0	30,0	100,0	100	Не відповідає
Лєнточні мікрофони
МЛ-15		80,00	5	-1,94	57,0	70,		1350	Не відповідає
МЛ-16	13,	83,52	10	-4,01	54,0	54	225	1500	Не відповідає
МЛ-17	16,9	80,00	12	-1,94	55,0	55	293	1700	Не відповідає
МЛ-18	20,0	80,00	10	-4,01	53,0	53	260	1100	Не відповідає
МЛ-19	16,9	80,00	10	0,00	40,0	45	135	500	Не відповідає
Конденсаторні мікрофони
МК-5а	1,58	86,02	4	0,26	20,0	20	110	75	Відповідає
МК-6	6,02	92,04	5	0,00	55,0	55	95	50	Не відповідає
МИК-6С	6,02	103,52	5	15,56	55,0	55	95		Не відповідає
МК-12	13,9	103,52	9	15,56	25,0	25	115	150	Не відповідає
МК-13	13,9	83,52	6	18,06	25,0	46	166	260	Не відповідає
МК-14	13,9	83,52	8	18,06	46,0	46	250	600	Не відповідає
МК-15	13,9	83,52	12	15,56	58,0	58	70,0	210	Не відповідає
19А-4	13,9	81,58	10	15,56	31,0	31	135	120	Не відповідає
19А-9	12,0	83,52	1	7,96	40,0	50	200	200	Не відповідає
19А-13	9,54	83,52	1	23,52	32,0	50	116	170	Не відповідає
19А-14	12,0	83,52	1	11,48	43,0	80	133	200	Не відповідає
19А-19	12,0	83,52	8	24,08	40,0	40	155	170	Не відповідає
Електродинамічні мікрофони
D-17	3,52	82,92	20	0,42	43,5	43	166	180	Відповідає
D-19	9,54	84,08	18	5,11	35,0	35	152	160	Не відповідає
D-20	9,54	85,11	14	-0,92	186,	77	54	630	Не відповідає
D-25	9,54	85,11	14	-0,92	200	150	80	850	Не відповідає
D-24	9,54	86,02	18	5,11	40	40	156	180	Не відповідає
D-30	9,54	84,08	12	1,58	260	87	63	1000	Не відповідає
D-36	9,54	84,08	12	1,58	212	87	63	950	Не відповідає
D-45	9,54	83,52	12	1,58	200	150	88	1200	Не відповідає
D-200	9,54	84,61	8	2,92	40	40	185	300	Не відповідає
D-202	6,02	85,11	7	5,11	51	51	210	300	Не відповідає
D-224	6,02	86,02	5	2,28	25,0	25	195	280	Не відповідає
D-501	13,9	83,52	22	6,85	55,0	55	175	340	Не відповідає
D-503	13,9	83,52	22	6,85	55,0	55	115	440	Не відповідає
D-505	13,9	83,52	30	6,02	55,0	55	175	340	Не відповідає
D-507	13,9	83,52	30	6,02	55,0	55	115	440	Не відповідає
MD-7	20,0	80,00	-	3,52	38	53	77	220	Не відповідає
MD-14	20,00	83,52	-	3,52	49	49	60	110	Не відповідає
MD-21	18	83,52	-	3,52	47	47	200	150	Не відповідає
AMD-360	13,9	86,02	15	3,52	30,0	30	240	220	Не відповідає
AMD-261	16,9	86,02	21	3,52	30,0	30	180	200	Не відповідає

Таблиця 3 - Порівняльна характеристика промислових мікрофонів, що відповідають вимогам нашого пристрою.

Тип мікрофону	Номінальний діапазон	Нерівномірність частотної характеристики чутливості	Чутливість на 1000 Гц при номінальному навантаженні, дБ	Розміри, мм.	Маса, г.	Відповідність датчика вимогам пристрою
	Дб	Дб		Дб	H	B	L
МД-38	4,08	83,52	8	0,34	30,0	30,0	140,0	200	Відповідає
МД-44	3,52	78,06	12	0,42	33,0	33,0	50,0	120	Відповідає
МД-45	0,83	83,52	12	0,34	37,0	37,0	115,0	180	Відповідає
МК-5а	1,58	86,02	4	0,26	20,0	20	110	75	Відповідає
D-17	3,52	82,92	20	0,42	43,5	43	166	180	Відповідає

Основним параметром вибору мікрофону візьмемо чутливість при номінальному навантаженні. Всі інші показники поділимо на це значення, знайдемо узгоджуючий коефіцієнт як середнє арифметичне. Мікрофон, узгоджуючий коефіцієнт котрого найменш, є оптимальним для нашого пристрою. Розміри візьмемо в сантиметрах, масу у кілограмах, а нерівномірність .



Таблиця 4 - Вибір мікрофону за основним параметром

Тип	Нерівномірність	Чутливість	Розміри	Маса	Узгоджуючий коефіцієнт
МД-38	1	0,34	0,88	0,88	4,11	0,59	1,50
МД-44	1,5	0,42	0,78	0,78	1,19	0,28	0,90
МД-45	1,5	0,34	1,08	1,08	3,38	0,52	1,51
МК-5а	0,5	0,26	0,76	0,76	4,2	0,29	1,24
D-17	2,5	0,42	1,03	1,03	3,95	0,43	1,79

В результаті можна зробити висновок, що найкраще підходить для нашого пристрою електродинамічний мікрофон МД-44.

Індикатор.

Так як датчик повинен вимірювати рівень шуму в діапазоні від 5 до 40 Дб, отже нам потрібний дворозрядний десятковий семисегментний індикатор, або два одно розрядних індикаторів. Типовими представниками семисегментних індикаторів є мікросхеми АЛС314А, АЛС314Б, АЛС324А, АЛС324Б.

АЛС314А(Б) - одно розрядний семисегментний індикатор, колір індикації - червоний, схема зі спільним катодом (анодом), висота цифри 2.5 мм, ціна - 10 грн.

АЛС324А(Б) - одно розрядний семисегментний індикатор, колір індикації - червоний, схема зі спільним катодом (анодом), висота цифри 7.5 мм, ціна - 10 грн.

Для нашого датчика підходе АЛС324А, адже висота цифри у нього складає 7.5 мм. Схема його включення - зі спільним катодом.

рис. 1. Зовнішній вигляд АЛС324А

Його характеристики:

Колір - червоний

Сила світла при I=20мА - 0.15 мкд

Довжина хвилі випромінювання при найбільшій спектральній щільності - 650-670нм

Граничні умови експлуатації:

Зворотна напруга довільної форми 5В

Постійний прямий струм при T = -60...+35 °С 25 мА, при T = +70 °С1 17,5 мА

Температура навколишнього середовища -60...+70 °С.

Дешифратор.

Дешифратор повинен перетворювати 4-розрядний двійковий код у двійковий код для подання на індикатор зі спільним катодом. Типовим дешифратором в даному випадку є мікросхема К514ИД1.

Граничнодопустимі електричні режими експлуатації:

Струм навантаження на кожному виході 7.5 мА

Напруга джерела живлення 5.25 В

Напруга на вході 5.25 В

Напруга на виході 6 В

Рис. 2. Умовне графічне позначення дешифратора К514ИД1.

1 - молодший розряд двійкового коду

2 - перший розряд двійкового коду

3 - другий розряд двійкового коду

4 - третій розряд двійкового коду

Uдж - гашення

A..G - виходи на семисегментний індикатор

Перетворювач с двійкового у двійково-десятковий код.

Типовим перетворювачем такого типу є мікросхема К155ПР7

Рис. 3. Умовне графічне позначення мікросхеми К155ПР7.

Електричні параметри

Номінальна напруга живлення 5 В 5%

Вихідна напруга низького рівня не більше 0,4 В

Вхідний струм низького рівня не більше -1 мА

Вхідний струм високого рівня не більше 0,04 мА

Вихідний струм високого рівня не більше 0,1 мА

Вхідний пробивний струм не більше 1 мА

Струм споживання не більше 104 мА

Споживана статична потужність не більше 546 мВт

Час затримки поширення при включенні по входу "вибірка адреси" не більше 40 нс

Час затримки поширення при вимиканні по входу "вибірка адреси" не більше 40 нс

Час затримки поширення при включенні по входу "дозвіл вибірки" не більше 35 нс

Час затримки поширення при вимиканні по входу "дозвіл вибірки" не більше 35 нс

Регістр.

Так як діапазон вимірювання від 5 до 40 Дб, отже нам необхідно 6 розрядів двійкового коду(26=64<40), тобто достатньо буде 6-розрядного регістру. Оберемо інтегральну схему К155ИР13 - восьми розрядний реверсивний здвигів регістр.

Рис. 4. Умовне графічне позначення регістру К155ИР13.

Схема має наступні входи та виходи: входи режимні S0, S1, вхід послідовного вводу інформації під час здвигу право DR, входи інформаційні D0..D7, вхід синхронізації С, вхід інверсний "скидання" R, виходи інформаційні Q0..Q7, вхід послідовного вводу інформації під час здвигу вліво DL, напруга джерела живлення Vcc.

Електричні параметри:

Номінальна напруга живлення 5 В +-5%

Вихідна напруга низького рівня не більше 0,4 В

Вихідна напруга високого рівня не менше 2,4 В

Завадостійкість не менше 0,4 В

Вхідний струм низького рівня не більше -1,6 мА

Вхідний струм високого рівня не більше 0,04 мА

Струм короткого замикання -18 ...- 57 мА

Споживана потужність не більше 609 мВт

Робоча частота 25 МГц

Аналого-цифровий перетворювач.

АЦП датчика повинен бути 6-розрядним по викладеним раніше обставинам. Типовою мікросхемою 6-розрядного АЦП є К1107ПВ1.

Мікросхема представляє собою швидкодіючий 6-розрядний АЦП і призначена для перетворення вхідних аналогових сигналів з ??шириною спектру до 7 МГц у діапазоні 0..2В у один з потенційних кодів паралельного зчитування: у двійковий (прямий і зворотній) та код з доповненням до двох (прямий і зворотній). Не потрібно зовнішньої схеми вибірки й зберігання.

Рис. 5. Умовне графічне позначення АЦП К1107ПВ1.

Структурна схема АЦП К1107ПВ1 знаходиться на Додатку 2, рис. 3.

Призначення виводів:

1 - вихід 4;

2 - вихід 5;

3 - вихід 6 (молодший розряд);

4 - тактовий сигнал;

5,43 - загальний (цифрова земля);

8,39 - напруга живлення;

9 - опорна напруга;

10,13,15 - вхід (аналоговий сигнал);

11,14 - загальний (аналогова земля);

12 - висновок коригування нелінійності;

16 - опорна напруга;

44 - керування вихідним кодом, вхід 1 (УКВ1);

45 - вихід 1 (старший розряд);

46 - вихід 2;

47 - вихід 3;

48 - керування вихідним кодом, вхід 2 (УКВ2);

6,7,17 ... 23,25 ... 36,40 ... 42 - вільні.

Електричні параметри:

Номінальна напруга живлення Uж= 5 В+-5%

Вихідна напруга низького рівня не більше 0,4 В

Вихідна напруга високого рівня не менше 2,4 У

Струм споживання від джерела живлення UП1 не більше 30 мА

Напруга зміщення нуля на вході -0,075 ... 0 В

Абсолютна похибка перетворення в кінцевій точці шкали -0,1 ... 0,1 В

Струм споживання від джерела опорної напруги не більше 43 мА

Вхідний струм високого рівня не більше 750 мкА

Вхідний струм низького рівня не більше | -1,5 | мА

Вхідний струм зміщення нуля не більше 150 мкА.

2.3 Розрахунки

Статична характеристика.

Так як на вході нашої системи є тиск звуку, а на виході ми маємо рівень шуму, отже статична характеристика описується формулою:

амплітудний частотний статичний пристрій

де н/м2

Так як діапазон вимірювання рівня шуму від 5 до 40 Дб, а тиск виражається формулою , то робочий діапазон тиску звуку складає від до Па. Тоді розрахуємо статичну характеристику приладу.

Графік статичної характеристики розташований на Додатку 2, рис. 4.

Динамічна характеристика.

Динамічною характеристикою є похідна від статичної характеристика. Знайшовши похідну отримаємо формулу

Побудуємо її графік.

Графік статичної характеристики розташований на Додатку 2, рис. 5.

Мікрофонний підсилювач.

Напруга на виході мікрофона пов`язана з чутливістю мікрофона , де V=5мВ/Па - чутливість, p - тиск. Отже знайдемо мінімальне й максимальне значення амплітуди напруги на виході мікрофону, при умові що робочий діапазон тиску для мікрофону складає від до Па.

Мікрофонний підсилювач.

Рис.6. Принципіальна схема підсилювача мікрофону.

Коефіцієнт передачі вхідного каскаду лівої частини підсилювача приблизно визначається відношенням опорів резисторів R5 і R6 і складає приблизно 25. Сигнал на виході VT02 є протифазним (зсунутим по фазі на 180 градусів). Каскад транзисторів VT03 і VT04 є суматором з зсувом фази на 180 градусів. Таким чином протифазний сигнал подвоюється і перетворюється на корисний сигнал. Шуми й перешкоди на лінії взаємно знищуються. Суматорний каскад подається на базу транзистора VT5. Цей каскад має коефіцієнт підсилення 8. Через фільтр C4-R15 підсилений сигнал подається на вихід підсилювача. Загальний коефіцієнт підсилення складає 400.

Мінімальне та максимальне значення амплітуди напруги на виході:

мВ

Детектування сигналу.

Рис.7. Принципіальна схема детектору амплітудно-модульованого сигналу.

Коефіцієнт детектування знаходиться з виразу:

,

де S - крутизна діоду.

Прийнявши К=0,9, та використовуючи діод з крутизною S=0,01, знайдемо опір навантаження.

При цьому мінімальне та максимальне значення напруги на виході будуть становити:

мкВ

мВ

Логарифмічне підсилення.

Рис.8. Принципіальна схема логарифмічного підсилювача.

Напруга на виході такого підсилювача розраховується за формулою:

,

де m=1..2 характеризує відхилення характеристики діоду, I0 - зворотній струм діоду, - температурний потенціал. 

,

де Дж/К, T=300К - температура, .

При цих значеннях В.

Обравши діод КД105В, розрахуємо зворотній вихідну напругу логарифмічного підсилювача:

Знайдемо бажані мінімальне та максимальне значення вхідної напруги.

. Так як наш АЦП перетворює аналоговий сигнал від 0 до 2 В в 6-розрядний двійковий код, отже нам потрібно на виході з логарифмічного підсилювача мати мінімальну напругу приблизно 0,3 В, та максимальну 1 В.

Тобто можна зробити висновок, що перед логарифмічним підсилювачем є необхідність підсилити сигнал у 1,386 разів, а потім додати до нього сигнал +0,0319 В. Ці дії виконаємо на суматорі.

Суматор.



Рис.9. Принципіальна схема суматора.

Якщо виконується співвідношення

, то

.

Так як U1 треба підсилити у 1,386 рази, а сигнал U2 (напруга живлення) треба послабити у 156,7 разів, то при , , .

При цьому

. Тоді , , .

Аналого-цифровий перетворювач.

Так як на вході в АЦП поступає напруга від 0,1В до 1,5В, отже опорна напруга дискретизації матиме наступні значення:

Якщо R29=100 Ом, то потенціометр повинен ділити напругу 5 В на 3,38 В та 1,48 В.

Для зменшення напруги до використаємо операційний підсилювач. При цьому його коефіцієнт підсилення повинен складати 0,06. Тоді R27=10 Ом, R26=169 Ом.

2.4 Розробка принципіальної електричної схеми і опис її роботи

Принципіальна схема знаходить на Додатку 1, рис. 2.

До структурної схеми включимо наступні елементи:

мікрофон МД-44;

підсилювач напруги на основі транзисторів КТ3102Е та КТ2107Е;

детектор амплітудно-модульованого сигналу на основі однополуперіодного випрямляча;

логарифмічний підсилювач;

суматор;

6-розрядний аналого-цифровий перетворювач К1107ПВ1;

8-розрядний реверсивний здвигів регістр К155ИР1;

перетворювач с двійкового у двійково-десятковий код К155ПР7;

два дешифратори К514ИД1 для подання на семисегментний індикатор;

два семисегментних індикатори АЛС324А.

Схема працюватиме наступним чином: мікрофон МД-44 перетворює звуковий тиск, створений шумом у низьковольтну ЕДС, значення якої досягає декількох мікровольт. Транзистор VT1 забезпечує підсилення напруги у 25 рази, на виході з транзистора VT2 ми маємо протифазних сигнал, що подвоюється на перетворюється на корисний безшумний сигнал на суматорі, виконаному на транзисторах VT3 та VT4. Далі сигнал підсилюється ще в 8 разів на транзисторі VT5. Отже на виході з підсилювача ми маємо сигнал, підвищений у 400 разів, що досягатиме значень десятків мікровольт - декількох мілівольт.

Детектор АМ сигналу відновлює корисний сигнал значення тиску звуку з амплітуди змінної напруги з коефіцієнтом детектування 0,9. Логарифмічний підсилювач логарифмує напругу, що поступає з детектора, що фактично перетворює звуковий тиск у рівень шуму. Суматор, виконаний на операційному підсилювачі, формує потрібний сигнал для дискретизації на аналого-цифровому перетворювачі.

Вхідні каскади аналого-цифрового перетворювача К1107ПВ1 перетворює аналоговий сигнал у паралельний двійковий код. АЦП починає дискретизувати сигнал при поданні синхронізуючого імпульсу після замикання контакту SB2. Двійковий код записується до регістру серії К155ИР13. Це дозволяє виводити сигнал на індикацію після припинення роботи АЦП. Двійковий код перетворюється у двійково-десятковий код у перетворювачі двійкового коду серії К155ПР7. В результаті ми маємо 7-розрядний двійковий код. Перші 4 розряди потрібно подати на перший дешифратор К514ИД1, що сформує сигнали для індикації. Останні 3 розряди потрібно подати на другий дешифратор тієї ж серії. Сигнали з дешифраторів подаються через резистори опором 100 Ом на сегменти двох індикаторів серії АЛС324А. На спільний анод світлодіодів індикатора потрібно подати напругу живлення +5В. Логічний елемент І-НІ забезпечить затухання індикатора старшого розряду, якщо виміряний рівень шуму складатиме від 5 до 9 Дб.



2.5 Розробка віртуального датчика рівня шуму з використанням LabView

Головне завдання нашого віртуального пристрою - це відобразити перетворення зву кого тиску, що сприймає мікрофон у значення рівня шуму.

Таким чином в нашій схемі використаємо генератор синусоїдального сигналу, амплітуда котрого буде задаватися повзунком «Pressure», що фактично задаватиме звуковий диск на вході мікрофону. Для детектування сигналу використаємо елемент “Amplitude and Level Measurements”. Детектований сигнал про логарифмуємо ти виведемо на числовий індикатор, що відображатиме нам рівень шуму у децибелах. Далі нам потрібно відобразити роботу АЦП, котрий виконаємо послідовно ділячи значення рівня шуму на 2, та залишок виводячи за осцилограф. Таким чином ми отримаємо паралельний двійковий код.

Блок-схема віртуального пристрою знаходиться на Додатку 2, рис. 1.

2.6 Дослідження роботи датчика рівня шуму на віртуальному пристрої

Дослідимо роботу пристрою, заміривши значення рівня шуму при зміні звукового тиску.

При значення тиску 0,000036 Па ми отримаємо рівень шуму 5 Дб, а представивши його у вигляді двійкового коду 000101. При значення тиску 0,00098 Па ми отримаємо рівень шуму 34 Дб, або 100010 у двійковому коді.

0,00023 Па - 21 Дб, 010101

0,0019 Па - 40 Дб, 1010000

Приклади дослідження роботи датчика на віртуальному пристрої знаходяться на Додатку 2, рис. 2.

В Mathcad побудуємо за цими точками приблизний графік статичної характеристики.



Рис.10. Статична характеристика датчика рівня шуму на віртуальному пристрої.

2.7 Розрахунок надійності приладу

Надійність - властивість об'єкта виконувати необхідні функції, зберігаючи свої експлуатаційні показники протягом заданого періоду часу.

Надійність представляє собою комплексне сво-во, що поєднує в собі поняття працездатності, безвідмовності, довговічності, ремонтопридатності і збереженості.

Працездатність - є стан пристрою, при якому він здатний виконувати свої функції.

Безвідмовність - властивість пристрою зберігати свою працездатність протягом певного часу. Подія, що порушує працездатність пристрою, називається відмовою.

Довговічність - властивість пристрою зберігати свою працездатність до граничного стану, коли його експлуатація стає неможливою з технічних, економічних причин, умов техніки безпеки або необхідності капітального ремонту.

Ремонтопридатність - визначає пристосовність пристрою до попередження і виявлення несправностей і відмов та усунення їх шляхом проведення ремонтів та технічного обслуговування.

Збереженість - властивість пристрою безперервно підтримувати свою працездатність протягом і після зберігання та технічного обслуговування.

Коефіцієнт надійності елементу пристрою розраховується наступним чином: , де a1 - коефіцієнт навантаження, a2 - коефіцієнт впливу температури, ki - номінальне значення коефіцієнту надійності, ku - коефіцієнт умови експлуатації.

Ймовірність безвідмовної роботи знаходиться за формулою:

lb - інтенсивність відмови базового елемента.

Приблизні значення коефіцієнта умов експлуатації:

Апаратура стаціонарна в приміщеннях 2..8

Апаратура стаціонарна ззовні 10..15

Корабельна апаратура 40..60

Автомобільна апаратура 50..70

Поїздна апаратура 60..80

Приблизні значення коефіцієнтів навантаження елементів:

Резистори 0,7..0,8

Конденсатори 0,7..0,8

Діоди 0,7..0,85

Приблизні значення номінальних коефіцієнтів надійності:

Резистори 1

Конденсатор 0,25..0,87

Комутуючі пристрої 2..5

Цифрові мікросхеми 10..30

В нашій схемі 43 резистори, 9 конденсаторів, 6 цифрових мікросхем, 18 діодів, 5 аналогових мікросхем. Підрахуємо ймовірність безвідмовної роботи:

Наробка на відмову складатиме:

Тобто 3887 годин.

2.8 Розробка принципової схеми джерела живлення і опис її роботи

У якості джерела живлення оберемо два літієво-іонні акумулятори GP623048L85 ємність 850 мА\год та напругою 3,7 В. Акумулятори необхідно з`єднати послідовно, щоб отримати напругу більшу, ніж 5 В. При цьому ємність залишиться незмінною, а напруга на виході становитиме 7,4 В. Для зменшення напруги до 5В включимо до схеми резистивний дільник, при цьому R44=148 Ом, R45=100 Ом. Отриману напругу 5В потрібно підтримувати на постійному рівні, для цього включимо в схему стабілітрон. Кнопковий вимикач замикає електричне коло, при цьому засвічує світлодіод VD4. При короткому замиканні (струм більше 6мА) перегорає запобіжник FU1. Принципіальна електрична схема джерела живлення наведена у Додатку 1 рис. 3.

2.9 Розрахунок вартості приладу

До складу схеми входять наступні елементи:

мікрофон МД-44 - 30 грн\шт;

3 транзистори КТ3102Е - 5 грн\шт;

43 резистори C2-33H - 0,25 грн\шт;

9 конденсаторів - 6 грн\шт;

4 операційних підсилювача - 8 грн\шт;

6-розрядний аналого-цифровий перетворювач К1107ПВ1 - 40 грн\шт;

8-розрядний реверсивний здвигів регістр К155ИР1 - 1 грн\шт;

перетворювач с двійкового у двійково-десятковий код К155ПР7 - 1 грн\шт;

1 дешифратори К514ИД1 для подання на семисегментний індикатор - 8 грн\шт;

два семисегментних індикатори АЛС324А - 2 грн\шт.

Загальна вартість приладу складатиме:

грн



Висновок

В ході курсового проекту ми розробили датчик рівня шуму. В аналітичній частині ми проаналізували відомі пристрої, та зробили висновок, що головним їх не достатком є відсутність можливості вимірювати рівень шуму від 5 до 20 Дб, що допоможе там визначити рівень шуму конкретної машини або пристрою. Розробивши технічні вимоги ми перейшли до спеціальної частини, де перш за все розробили структурну схему датчика, на якій показали джерело живлення, основн...