一种隧道多断面声传输特性检测系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种隧道多断面声传输特性检测系统及方法，属于隧道噪声声传播特性测量【技术领域】。一种隧道多断面声传输特性检测系统，该系统包括主控计算机、主控制器、断面分控制器、无线外同步声波采集模块、无线接入点等；主控计算机与主控器、各个断面上的断面分控器以及各个采集点的无线外同步声波采集模块依次相连；所述无线接入点分别与无线外同步声波采集模块、主控计算机和移动声源相连。本发明还提供一种隧道多断面声传输特性检测方法。本发明采用分断面多点测量的方法，系统灵活，具有更强的实用性；基于无线接入点组建的WIFI网络，使安装工作避免了隧道多点测量有线电缆铺设困难和易产生干扰等问题；保证了噪声数据传输的可靠性、有效性。
【专利说明】一种隧道多断面声传输特性检测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明特别涉及一种隧道多断面声传输特性检测系统及方法，属于隧道噪声声传播特性测量领域。
【背景技术】
[0002]由于现有隧道拱形、圆形或矩形的半封闭空间结构，声音到达隧道界面会产生声反射，其直达声会与经壁面多次反射后的声波混叠，即不同频率、幅度和时间的声波在不同区域内进行叠加或消减，导致隧道内升压变大，形成了隧道内特殊的噪声规律，产生了较大的噪声值。这种噪声的强度远大于车辆经过自由场时产生的噪声强度，给司乘人员带来了不良影响。降低隧道噪声带来的危害，先要了解噪声在隧道内传播的规律，然后根据隧道内声传播的特性控制噪声。故隧道内声传播特性的研究是隧道降噪的关键技术之一。
[0003]隧道内噪声来源主要有车辆的发动机噪声和轮胎与路面摩擦带来的交通噪声以及通风机的噪声，要得到隧道内的声场结构，找出隧道内噪声的声传播特性，对不同位置的声场分布进行测量，就需在隧道内安装几十个甚至几百个探头进行测量。由于隧道内空间大，且要求测量的传播规律精确，同时还需测量车辆运动给声场结构带来的影响，而现有的测量设备多采用PC控制多通道设备进行测量，测量设备多为双声道或4声道设备，无法满足测量要求，即使目前可扩展至16或32声道，测量装置也无法实现隧道几十甚至上百点的测量。虽然可采用多个无线声波传感器进行声波采集，用MP3等设备记录声波，但无法达到同步采集的目的；且现有的测量设备多采用有线电缆连接，但对于隧道内多点测量来说，有线电缆的铺设不仅难度高，而且干扰性大。因此，要研究隧道内的声传播特性，就需要一种隧道内配合运动声源进行三维无线外多点同步声波采集的系统来进行的声传播特性检测。(本文中的英文缩写:1、WIFI，指能够将各类终端以无线方式互相连接的技术；2、A/D，指将模拟信号转换成数字信号。)
【发明内容】
[0004]本发明为克服现有技术无法多点同步采集，且多采用有线电缆进行信号传输，搭建困难，且干扰性大的不足，提供了一种隧道多断面声传输特性检测系统及方法。
[0005]一种隧道多断面声传输特性检测系统，该系统包括:主控计算机、主控制器、断面分控制器、无线外同步声波采集模块、无线接入点和移动声源；其中，
[0006]所述主控计算机，用于控制该系统的整体运行，且与主控器、断面分控器以及无线外同步采集前端中的同步控制器配合，共同控制无线外同步采集模块中无线外同步声波采集前端工作，发送相应的工作指令并接收采集到的数据，进行数据分析；
[0007]所述主控制器，用于接收从主控计算机发送的声波采集命令，之后通过网线通讯同步发送给各断面分控制器；
[0008]所述断面分控制器，用于接收主控制器发送的声波采集命令，控制其所在断面内的所有无线外同步声波采集模块工作；[0009]所述无线外同步声波采集模块，包括红外发射器、同步控制器和无线外同步声波采集前端三部分，用于每个采集点上的声波信号同步采集；
[0010]所述无线接入点，用于提供无线外同步声波采集前端与主控计算机建立无线连接时所用的无线基站，使无线外同步声波采集模块能通过无线网络将采集到的声波信号传送给主控计算机；用于提供移动声源与主控计算机建立无线连接时所用的无线基站，使主控计算机通过无线通讯给移动声源发送开始工作命令；
[0011]所述移动声源，用于在测试过程中模拟车辆在隧道中的发出的噪声频率和振幅相同的声音信号；
[0012]所述主控计算机与主控器、各个断面上的断面分控器以及各个采集点的无线外同步声波采集模块依次相连；
[0013]所述无线接入点分别与无线外同步声波采集模块、主控计算机和移动声源相连。
[0014]所述主控器由串口通讯电路、温度检测器、一号单片机、Α/D基准电压电路和一号网络通讯模块组成；其中，
[0015]所述一号单片机分别与串口通讯电路、温度检测器、Α/D基准电压电路和一号网络通讯模块相连；
[0016]所述串口通讯电路与主控计算机相连。
[0017]所述断面分控器由红外控制电路、二号单片机、充电电路、控制模块和二号网络通讯模块组成；其中，
[0018]所述二号单片机分别与红外控制电路、充电电路、控制模块和二号网络通讯模块相连；
[0019]所述二号网络通讯模块与一号网络通讯模块相连。
[0020]所述无线外同步声波采集模块由红外线发射器、无线外同步声波采集前端和同步控制器组成；其中，
[0021]所述无线外同步声波采集前端分别与无线接入点和同步控制器相连；
[0022]所述红外线发射器与红外控制电路相连；
[0023]所述同步控制器由光电耦合器、采集前端驱动电路和红外检测电路组成；其中，所述采集前端驱动电路分别与光电耦合器和无线外同步声波采集前端相连；
[0024]所述红外线检测电路与无线外同步声波采集前端相连。
[0025]所有无线接入点与无线外同步声波采集模块中的无线外同步声波采集前端、主控计算机一起组建成一个WIFI网络。
[0026]一种隧道多断面声传输特性检测方法，该方法包括以下步骤:
[0027]步骤1:搭建权利要求1所述一种隧道多断面声传输特性检测系统；
[0028]同时，以断面为一个基本单元，在每个断面的二维平面上均匀呈网状分布的安装无线外同步声波采集模块，然后在每个断面的一侧安装对应的断面分控制器和无线接入点，再将计算机、主控制器和电源安装好，最后将移动声源置于隧道入口处；
[0029]步骤2:主控计算机与移动声源以及无线外同步声波采集前端通过无线接入点组建无线连接；
[0030]步骤3:主控计算机输出测试用声波信号，并向移动声源发送开始工作命令，向主控制器发送声波采集命令；[0031]步骤4:主控制器接到声波采集命令后给计算机反馈，之后将该命令同步发送给各断面的断面分控制器；移动声源接收到开始工作命令后向隧道内移动发声并模拟车辆行进中的各种情况；
[0032]步骤5:断面分控制器接到命令后给主控制器反馈，并根据主控制器发来的命令，控制其所在断面内的各个红外发射器同步发射红外信号或通过有线连接的控制模块同步发送声波采集命令给同步控制器；
[0033]步骤6:无线外同步声波采集模块内的同步控制器检测到同步红外信号或接收到同步光电耦合信号，启动无线外同步声波采集模块中无线外同步声波采集前端开始多点同步采集信号；
[0034]步骤7:无线外同步声波采集前端同步启动，采集隧道内的声波信号，并将采集到的声波信号暂存在内部的存储器中；
[0035]步骤8:主控计算机通过与无线外同步声波采集前端建立的无线连接，读取各个采集前端内暂存的数据，并保存在主控计算机的存储器中；
[0036]步骤9:主控计算机根据无线外同步声波采集前端采集到的声波数据，对各个测量点的数据进行对比分析，实现对隧道内的声传播特性的研究。
[0037]本发明的有益效果:
[0038]1.本发明采用分断面多点测量的方法，从三维空间对隧道不同时刻不同位置的声波进行采集，不但克服了现有测量设备声道少不能满足隧道多点测量的缺点，而且系统灵活的组建方式也使系统可以灵活的进行三维空间测量体系组建，具有更强的实用性。
[0039]2.本发明使用基于无线接入点组建的WIFI网络，使安装工作避免了隧道多点测量有线电缆铺设的困难和易产生干扰的问题，更加方便、灵活；无线外同步隧道噪声采集模块具有数据缓冲功能，可在通讯拥堵情况时保证噪声数据传输的可靠性和有效性。
[0040]3.本发明采用红外信号发生器实现多个隧道噪声测量点的同步采集，解决了无线WIFI存在延时，不能实现同步采集功能的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1为本发明的结构布局图；
[0042]图2为本发明实施例的整体连接图；
[0043]图3为本发明无线外同步声波采集前端装置结构示意图；
[0044]图4为本发明的工作实施步骤示意图；
[0045]图5为本发明的采集设备工作流程图；
[0046]图6为本发明的移动声源工作流程图；
[0047]图中标号:1-断面；2_无线外同步声波采集模块；3_断面分控制器；4_无线接入点；5_移动声源；6_电源；7_主控制器；8_主控计算机。
【具体实施方式】
[0048]本发明提供了一种隧道内多断面声传输特性检测系统，下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0049]如图1所示，一种隧道多断面声传输特性检测系统，该系统包括:主控计算机、主控制器、断面分控制器、无线外同步声波采集模块、无线接入点和移动声源；其中，
[0050]所述主控计算机，用于控制该系统的整体运行，且与主控器、断面分控器以及无线外同步声波采集模块中的同步控制器配合，共同控制无线外同步声波采集模块中无线外同步声波采集前端同时开始工作，发送相应的工作指令并接收采集到的数据，进行数据分析；
[0051]所述主控制器，在本发明中整个系统中只设置一个，用于接收从主控计算机发送的声波采集命令，之后通过网线通讯同步发送给各断面分控制器；
[0052]所述断面分控制器，在每个测量断面设置一个，用于接收主控制器发送的声波采集命令，控制其所在断面内的所有无线外同步声波采集模块工作；
[0053]所述无线外同步声波采集模块，在每个测量断面根据实际的需要来设定需要安装的该模块的数目，用于隧道内声波信号的同步采集，包括红外发射器、同步控制器和无线外声波同步采集前端三部分；采集隧道内的声波信号，采用红外光信号同步，抗干扰能力强，保证采集的信号同步、精确，便于之后的信号分析工作；
[0054]所述无线接入点，用于提供无线外同步声波采集前端与主控计算机建立无线连接时所用的无线基站，使无线外同步声波采集模块能通过无线网络将采集到的声波信号传送给主控计算机；用于提供移动声源与主控计算机建立无线连接时所用的无线基站，使主控计算机通过无线通讯给移动声源发送开始工作命令；
[0055]所述移动声源，用于在测试过程中模拟车辆在隧道中的移动过程，声源本身具有播放短纯音的能力，安装移动装置后实现声源的静止或移动，解决了动态、静态两种情况下隧道内的声传播特性的测量。系统开始工作后，移动声源发出与车辆运行过程中发出的噪声频率和振幅相同的声音信号，以模拟噪声声波在隧道内的传播过程，在测量噪声本身传播特性的同时，也可测量多普勒效应对于噪声传播的影响；
[0056]所述主控计算机、主控器、各个断面上的断面分控器以及各个采集点的无线外同步声波采集模块依次相连；
[0057]所述无线接入点分别与无线外同步采集前端中无线外同步声波采集模块、主控计算机和移动声源建立无线通讯。
[0058]所述主控器由串口通讯电路、温度检测器、一号单片机、Α/D基准电压电路和一号网络通讯模块组成。其中，所述一号单片机与串口通讯电路，用于接收由主控计算机发送过来的命令，并在收到命令后给主控计算机反馈；所述一号单片机与温度检测器、Α/D基准电压电路分别相连，用于控制温度监测器和Α/D基准电压电路工作；所述一号单片机与一号网络通讯模块相连，用于与断面分控制器通过网线建立通讯；所述串口通讯电路与主控计算机相连。
[0059]所述断面分控器由红外控制电路、二号单片机、充电电路、控制模块和二号网络通讯模块组成。其中，所述二号单片机与红外控制电路相连，通过控制红外控制电路来使红外发射器发射红外线；所述二号单片机与充电电路相连，用于给断面分控制器充电；所述二号单片机与控制模块相连，作为红外控制模块出现异常情况的备用方案；所述二号单片机与二号网络通讯模块相连，用于接收主控制器发送的命令并予以反馈；所述二号网络通讯模块与一号网络通讯模块相连，与主控制器建立通讯。
[0060]所述无线外同步声波采集模块由红外线发射器、无线外同步声波采集前端和同步控制器组成；其中，所述同步控制器与无线外同步声波采集前端相连，用于控制断面内所有所述一号单片机与同步采集声波；所述红外线发射器与红外控制电路相连，接收断面分控制器发送的发射红外线的命令并发射红外信号；所述无线外同步声波采集前端与主控计算机通过无线接入点建立无线通讯，用于传输采集到的声波信号。
[0061]所述同步控制器由光电耦合器、采集前端驱动电路和红外检测电路组成；其中，所述红外线检测电路与无线外同步声波采集前端相连，用于控制无线外同步声波采集前端同步采集信号；所述光电耦合器分别与断面分控制器的控制模块和采集前端驱动电路连接；所述采集前端驱动电路分别与光电耦合器和无线外同步声波采集前端相连，用于红外信号检测出现异常的情况，断面分控制器通过有线连接的光电耦合器发送命令的方式，控制无线外同步声波采集前端采集声波信号。
[0062]所有无线接入点组建成一个WIFI网络。
[0063]系统实施例的整体布置图如图2所示，系统分断面、分网格进行搭建，每个断面I为一个基本测量单元，每个基本测量单元内包含一个断面分控制器3、几十个测量点和一个无线接入点4。测量点成网格状均匀分布在断面的二维平面上，每个测量点安装一套无线外同步声波采集模块2。
[0064]断面I内所有无线外同步声波采集模块2中的无线外同步声波采集前端、同步控制器和红外发射器分别与该断面内的断面分控制器3连接；
[0065]断面分控制器3与主控制器7连接；
[0066]主控制器7与主控计算机8连接；
[0067]主控计算机8与移动声源5通过无线接入点4建立无线连接；
[0068]主控计算机8与无线外同步声波采集模块2中的无线外同步声波采集前端通过无线接入点4建立无线连接。
[0069]如图3所示，无线外同步声波采集前端装置包括数字信号处理器、闪存芯片、音频Α/D转换器、无线模块、静态随机存储器、红外线接收模块、RS-232通讯接口通讯转化器、信号放大电路、声波采集麦克接口和耳机输出接口 ；其中:
[0070]所述数字信号处理器分别与闪存芯片、音频Α/D转换器、无线模块、静态随机存储器、红外线接收模块和RS-232通讯接口通讯转化器相连；
[0071]所述信号放大电路与音频Α/D转换器相连；
[0072]所述信号放大电路分别与声波采集麦克接口和耳机输出接口相连。
[0073]如图4所示，一种隧道多断面声传输特性检测方法，该方法包括以下步骤:
[0074]步骤1:搭建权利要求1所述一种隧道多断面声传输特性检测系统；
[0075]同时，以断面为一个基本单元，在每个断面的二维平面上均匀呈网状分布的安装无线外同步声波采集模块，然后在每个断面的一侧安装对应的断面分控制器和无线接入点，再将计算机、主控制器和电源安装好，最后将移动声源置于隧道入口处；
[0076]步骤2:主控计算机与移动声源以及无线外同步声波采集前端通过无线接入点组建无线连接；
[0077]步骤3:开始工作后，主控计算机输出测试用声波信号，并向移动声源发送开始工作命令，向主控制器发送声波采集命令；
[0078]步骤4:主控制器接到声波采集命令后给计算机反馈，之后将该命令同步发送给各断面的断面分控制器；移动声源接收到开始工作命令后向隧道内移动发声并模拟车辆行进中的各种情况；
[0079]步骤5:断面分控制器接到命令后给主控制器反馈，并根据主控制器发来的命令，控制其所在断面内的各个红外发射器同步发射红外信号或通过有线连接的控制模块同步发送声波采集命令给同步控制器；
[0080]步骤6:无线外同步声波采集模块内的同步控制器检测到同步红外信号或接收到同步光电耦合信号，启动无线外同步声波采集模块中无线外同步声波采集前端开始多点同步采集信号；
[0081]步骤7:无线外同步声波采集前端同步启动，采集隧道内的声波信号，并将采集到的声波信号暂存在内部的存储器中；
[0082]步骤8:主控计算机通过与无线外同步声波采集前端建立的无线连接，读取各个采集前端内暂存的数据，并保存在主控计算机的存储器中；
[0083]步骤9:主控计算机根据无线外同步声波采集前端采集到的声波数据，对各个测量点的数据进行对比分析，实现对隧道内的声传播特性的研究；
[0084]如图5所示，系统由主控计算机控制开始工作。开始后，主控计算机首先与无线外同步声波采集前端建立无线连接，然后主控计算机向主控制器发送声波采集命令，主控制器接收到命令后给主控计算机反馈，若主控计算机未接到反馈，会再次向主控制器发送声波采集命令；主控制器接收到该命令后，再向各断面分控制器同步发送，断面分控制器收到命令后会给主控制器反馈信号，若发送不成功，主控制器会向断面分控制器再次发送该命令；断面分控制器收到该命令后，控制其所在断面内的所有红外发射器同步发射红外信号或通过有线连接的控制模块发送声波采集命令，同步控制器中的红外检测电路检测的红外信号或采集前端驱动电路接收到光电耦合器发送的声波采集命令后，控制无线外同步声波采集前端开始同步采集声音信号；无线外同步声波采集前端启动，采集隧道内的声波信号，完成声波采集后将采集到的信号暂存在内部的存储器中；主控计算机通过与无线外同步声波采集前端建立的无线通讯，逐一读取无线外同步声波采集模块采集到的声波信号。
[0085]如图6所示，系统开始工作后，各模块接收到采集信号的命令，就控制移动声音开始工作。主控计算机首先与移动声源通过无线接入点建立无线连接，连接成功后主控计算机给移动声音发送开始工作命令，移动声源开始发出模拟车辆经过的声音并向隧道内开始移动。
[0086]本发明采用分断面多点测量的方法，从三维空间对隧道不同时刻不同位置的声波进行采集，克服了现有测量设备声道少不能满足隧道多点测量的缺点，系统灵活的组建方式也使系统可以灵活的进行三维空间测量体系组建，具有更强的实用性。同时，使用基于无线接入点组建的WIFI网络，使安装工作避免了隧道多点测量有线电缆铺设的困难和易产生干扰的问题，更加方便、灵活；无线外同步隧道噪声采集模块具有数据缓冲功能，可在通讯拥堵情况时保证噪声数据传输的可靠性和有效性。系统还采用红外信号发生器实现多个隧道噪声测量点的同步采集，解决了无线WIFI存在延时，不能实现同步采集功能的问题。
【权利要求】
1.一种隧道多断面声传输特性检测系统，其特征在于，该系统包括:主控计算机、主控制器、断面分控制器、无线外同步声波采集模块、无线接入点和移动声源；其中， 所述主控计算机，用于控制该系统的整体运行，同时与主控器、断面分控器以及无线外同步声波采集模块中的同步控制器配合，共同控制无线外同步声波采集模块中无线外同步声波采集前端工作，发送相应的工作指令并接收采集到的数据，进行数据分析； 所述主控制器，用于接收从主控计算机发送的声波采集命令，之后通过网线通讯同步发送给各断面分控制器； 所述断面分控制器，用于接收主控制器发送的声波采集命令，控制其所在断面内的所有无线外同步声波采集模块工作； 所述无线外同步声波采集模块，包括红外发射器、同步控制器和无线外同步声波采集前端三部分，用于每个采集点上的信号同步采集； 所述无线接入点，用于提供无线外同步声波采集前端与主控计算机建立无线连接时所用的无线基站，使无线外同步声波采集模块能通过无线网络将采集到的声波信号传送给主控计算机；用于提供移动声源与主控计算机建立无线连接时所用的无线基站，使主控计算机通过无线通讯给移动声源发送开始工作命令； 所述移动声源，用于在测试过程中模拟车辆在隧道中的发出的噪声频率和振幅相同的声音信号； 所述主控计算机与主控器、各个断面上的断面分控器以及各个采集点的无线外同步声波采集模块依次相连； 所述无线接入点分别与无线外同步声波采集模块、主控计算机和移动声源相连。
2.根据权利要求1所述一种隧道多断面声传输特性检测系统，其特征在于，所述主控器由串口通讯电路、温度检测器、一号单片机、Α/D基准电压电路和一号网络通讯模块组成；其中， 所述一号单片机分别与串口通讯电路、温度检测器、Α/D基准电压电路和一号网络通讯模块相连； 所述串口通讯电路与主控计算机相连。
3.根据权利要求1所述一种隧道多断面声传输特性检测系统，其特征在于，所述断面分控器由红外控制电路、二号单片机、充电电路、控制模块和二号网络通讯模块组成；其中， 所述二号单片机分别与红外控制电路、充电电路、控制模块和二号网络通讯模块相连； 所述二号网络通讯模块与一号网络通讯模块相连。
4.根据权利要求1所述一种隧道多断面声传输特性检测系统，其特征在于，所述无线外同步声波采集模块由红外线发射器、无线外同步声波采集前端和同步控制器组成；其中， 所述无线外同步声波采集前端分别与无线接入点和同步控制器相连； 所述红外线发射器与红外控制电路相连； 所述同步控制器由光电耦合器、采集前端驱动电路和红外检测电路组成；其中，所述采集前端驱动电路分别与光电耦合器和无线外同步声波采集前端相连； 所述红外线检测电路与无线外同步声波采集前端相连。
5.根据权利要求1所述一种隧道多断面声传输特性检测系统，其特征在于，所述所有无线接入点与无线外同步声波采集模块中的无线外同步声波采集前端、主控计算机共同组建成一个WIFI网络。
6.一种隧道多断面声传输特性检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤1:搭建权利要求1所述一种隧道多断面声传输特性检测系统； 同时，以断面为一个基本单元，在每个断面的二维平面上均匀呈网状分布的安装无线外同步声波采集模块，然后在每个断面的一侧安装对应的断面分控制器和无线接入点，再将计算机、主控制器和电源安装好，最后将移动声源置于隧道入口处； 步骤2:主控计算机与移动声源以及无线外同步采集前端通过无线接入点组建无线连接； 步骤3:主控计算机输出测试用声波信号，并向移动声源发送开始工作命令，向主控制器发送声波采集命令； 步骤4:主控制器接到声波采集命令后给计算机反馈，之后将该命令同步发送给各断面的断面分控制器；移动声源接收到开始工作命令后向隧道内移动发声并模拟车辆行进中的情况； 步骤5:断面分控制器接到命令后给主控制器反馈，并根据主控制器发来的命令，控制其所在断面内的各个红外发射器同步发射红外信号或通过有线连接的控制模块同步发送声波采集命令给同步控制器； 步骤6:无线外同步声波采集模块内的同步控制器检测到同步红外信号或接收到同步光电耦合信号，启动无线外同步声波采集模块中无线外同步声波采集前端开始多点同步采集信号； 步骤7:无线外同步声波采集前端同步启动，采集隧道内的声波信号，并将采集到的声波信号暂存在内部的存储器中； 步骤8:主控计算机通过与无线外同步声波采集前端建立的无线连接，读取各个采集前端内暂存的数据，并保存在主控计算机的存储器中； 步骤9:主控计算机根据无线外同步声波采集前端采集到的声波数据，对各个测量点的数据进行对比分析； 这样，就实现了对隧道内的声传播特性的研究。
【文档编号】G01H17/00GK103499388SQ201310495550
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】张雪峰, 胡秉谊, 白璐, 魏庆朝, 倪永军, 田新 申请人:北京交通大学