一种由系留气球搭载的噪声采集系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种噪声采集装置，具体涉及到一种采用系留气球作为搭载平台的空 中噪声采集系统。
【背景技术】
[0002] 城市道路系统的发展和交通车辆的剧增，逐步增大的城市噪声对人们的生活造成 了极大的干扰，严重影响了城市居民的生活质量，同时引起了诸多社会问题，因此城市噪声 越来越引起人们的重视。
[0003] 城市交通噪声来源呈现出多样且复杂的特点。除常见的机动车噪声外，近年来我 国逐步增多的轨道交通也成为一个重要的城市交通噪声源头。由于轨道交通车辆经过特定 轨道桥梁时会同时产生较大的轮轨噪声和结构振动噪声，其噪声声级高且传播远，对线路 周边生活居民影响极大。
[0004] 与平原地区不同，噪声在山区环境中的传播特性较复杂。声波在大气环境中的发 散传播将受到地形条件的影响，声波遇障碍物的反射可能引起声波的增强。由于山体的漫 反射，声波在绕射时就形成了多途径的传播。因此，山区环境中噪声的传播具有显著的空间 特点，对山区环境中的噪声级别需要在空间尺度上进行测量。
[0005] 针对平原环境的噪声级别测量方案不适用于山区环境。因交通线路的特点，平原 地区的道路线路较平直，无论地面道路还是高架桥梁，噪声的传播在线路方向具有一定的 相似性，因此只需选取线路某点进行二维断面上的噪声声级采集，一般采用搭设支架方式 采集线路周边一定高度范围内的噪声。而山区环境中噪声的三维空间分布较复杂，由于地 面起伏不平，空中测点到地面的距离很可能超过100米，因此无法采用搭设支架的方式进 行噪声采集。
【发明内容】
[0006] 本发明目的在于突破现有噪声测试方法在城市环境中应用的限制，提出一种由系 留气球搭载的噪声采集系统。有线噪声采集装置和无线噪声采集装置两种方案。
[0007] 本发明中涉及计算量表1 :
[0008] 表1 :涉及计算量清单表
[0009]
[0010] 其一：
[0011] -种由系留气球搭载的噪声采集系统，其特征在于：包括系留气球组、有线噪声采 集装置、全站仪空间定位系统、地面供电与信号采集系统。
[0012] 所述系留气球组由N个相同的系留气球构成，气球组的系留绳系成一个结点，使 气球组顶部在同一个水平面，从而尽可能降低各个方向的迎风面积，且保证气球提供升力 的可靠性，以减轻个别气球因漏气对整个系统造成的影响。
[0013] 所述有线噪声采集装置包括信标灯、声音采集仪器、万向棱镜、轻质支架和缆绳。 轻质支架的顶部与万向棱镜的主轴底部固定连接，万向棱镜的主轴顶部与固定支架连接， 声音采集仪器固定于支架的下部，上部固定放置信标灯。信标灯的顶部连接缆绳的下端，缆 绳的上端连接系留气球组的系留绳结点。
[0014] 声音采集仪器的电源线与电力供应导线相连，声音采集仪器的信号输出端与系留 缆绳的数据传输线连接，声音采集仪器将采集到的声音信号转变为电信号，通过数据传输 线传导至信号采集系统。信标灯是为了在夜间作业时容易被肉眼识别，有助于周边空中安 全，且便于全站仪定位时的目标搜寻。由于在风的作用下气球可能会产生不确定的竖向浮 动，为了避免这种上下浮动引起系绳松弛并导致过大的采集装置空间位置变化，整个噪声 采集装置通过缆绳连接搭载在系留气球组下方，从而保持系留气球组升力的稳定性并实现 缓冲作用。同时为了不影响真实噪声的采集，将整个噪声采集装置搭载在气球下方一定距 离处，一般取系留气球组围成圆盘的直径。
[0015] 为了固定噪声采集装置的位置，轻质支架的三脚分别与I、II和III系留缆绳连 接，其中I系留缆绳嵌入电力供应线，电力供应导线与地面系统的供电装置连接，给搭载在 系留气球组上的设备提供电能。II系留缆绳嵌入数据传输线，与地面系统的便携式电脑连 接，作为信号采集系统和噪声采集装置之间的数据传输通道，从而实现高空噪声采集与信 号传输的功能。所述信标灯的电源线与声音采集仪器的电源线通过导线连接，再通过导线 连接至I系留缆绳中的电力供应线。所述声音采集仪器的数据输出端通过导线与II系留 缆绳的数据传输线连接。
[0016] 所述全站仪空间定位系统包括全站仪、普通棱镜I、普通棱镜II和普通棱镜III。 I系留缆绳的末端与地面I固定点连接，I系留缆绳的长度为L1，在I固定点放置有系留底 座，支架上固定放置普通棱镜I。II系留缆绳的末端与地面II固定点连接，II系留缆绳的 长度为L2，在II固定点放置有系留底座，支架上固定放置普通棱镜II。III系留缆绳的末 端与地面III固定点连接，III系留缆绳的长度为L3，在III固定点放置有系留底座，支架 上固定放置普通棱镜III。
[0017] 噪声采集过程中必须将声音采集仪器放置在指定的空间位置，仅由三根系留缆绳 无法准确控制，因此需要全站仪进行协助指导定位。全站仪对万向棱镜以及普通棱镜I、 普通棱镜II和普通棱镜III进行测量，分别获得目标坐标（?, Yc，Z。）以及I固定点坐标 (X1, Y1, Z1)、II固定点坐标（X2, Y2, Z2)和III固定点坐标（X3, Y3, Z3)。第一步，根据声音采集 仪器所要达到的设计空间坐标和由现场实际情况确定出来的三个地面固定点坐标，计算出 三根系留缆绳的理论长度，以此来进行初步定位。第二步，使用全站仪测量噪声采集装置上 的万向棱镜的空间坐标，根据它与目标点的坐标偏差，再通过三根缆绳进行微调，从而达到 准确定位的目的。
[0018] 由于无法在系留缆绳表面用数字标记刻度，因此系留缆绳的表面采用多种颜色组 合标记来指示其长度。颜色标记通过用不同的颜色组合来代表不同的数字，以此来标识系 留绳索上的刻度值。这里采用肉眼比较容易识别的7种颜色（黑、白、红、蓝、黄、绿、紫）进 行组合，一共有A丨= 5〇4〇种组合方式。每个刻度标记间距为10cm，最大可标记504m的系绳 长度。
[0019] 所述地面供电与信号采集系统包括蓄电池和便携式电脑，蓄电池连接系留缆绳内 置的轻质导线，直流电能通过导线传输至噪声采集装置。便携式电脑连接系留缆绳内置的 数据线，接收并记录由噪声采集装置发送的信号。
[0020] 当测点高度小于50m时，采用有线噪声采集装置。
[0021] 系留气球搭载的噪声采集系统搭建包括以下步骤：
[0022] 1)布置测点；应用声学理论建立噪声测试区域的噪声预测模型，预测该区域的声 场分布情况，同时利用噪声预测模型和现场实际情况进行噪声测点布置。综合考虑数据线 对噪声信号的衰减、数据线的重量以及无线传输设备的重量，依据测点高度采用有线数据 传输系统或是无线数据传输系统。
[0023] 2)计算所需气球数量，首先计算系留气球组的总浮力F,&，系留气球组的总浮力F 是系留气球组搭载噪声采集装置的总质量M加上释放气球过程中地面操作人员的总拉力 fa，即= M+fa ;其次根据单个气球的额定充其量m计算出一个气球的额定浮力F = (P a -ΡΛ ) Xm，其中1?为空气密度，Pii为气球内所充氦气的密度；最后计算气球数量N，气球 总浮力F,&乘以安全系数S :，再除以单个气球额定浮力F，即为
。
[0024] 考虑到风对声音采集仪器和系留气球的影响，该采集装置只适合在风速小于5m/s 的情况下进行使用。当风速为5m/s，气球迎风面积为3m2 (估算得出），由公式
(C-风阻力系数，取0. 5 ; P -空气密度；V-风速；A-迎风面积）计算出风对气球的水平推 力为4.84N,当系留缆绳与地面夹角为60°时，则缆绳的最小牵引力Sfa=F/cos60° = 9. 68N，所以fa-般取ION左右。根据风的正态分布曲线，取95 %的保证率，同时考虑气球 的漏气等情况，安全系数取1. 3。
[0025] 3)现场安装，利用粘性材料将按照步骤2准备的气球组合，同时使气球组顶部在 同一个水平面；将系留气球组、缆绳、信标灯、声音采集仪器、万向棱镜和轻质支架依次固定 连接，轻质支架的三脚分别与I、Π 和III系留缆绳连接。
[0026] 4)获取地面固定点的空间坐标：首先根据目标测点和现场情况选定三个地面固 定点1、11和III。然后在1、11和III固定点处分别摆放系留底座，在I固定点处的系留底 座上安装普通棱镜I，在II固定点处的系留底座上安装普通棱镜II，在III固定点处的系 留底座上安装普通棱镜III。最后使用全站仪进行测量，获取I固定点空间坐标（X 1, Y1, Z1)、 II固定点空间坐标（x2, Y2, Z2)和III固定点空间坐标（X3, Y3, Z3)。
[0027] 5)计算三根系留缆绳的理论长度；根据目标测点和I、II和III固定点的空间 坐标计算出三根系留缆绳的理论长度，目标测点的空间位置坐标为（HZ。)，I地面固 定点的坐标为（XuYuZ 1), II地面固定点的坐标为（X2, Y2, Z2)，III地面固定点的坐标为 (X3, Y3, Z3)，则I固定点所要放出的缆绳长度：
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[0031]
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[0033] 6)将噪声采集装置升至目标测点，首先，根据三根系留缆绳的理论长度和1、11和 III地面固定点位置将系留气球组升入空中，使噪声采集装置初步达到目标测点附近；然 后，在使用全站仪对噪声采集装置上的万向棱镜进行定位，得到噪声采集装置的初始位置 坐标；最后，根据它与目标点的坐标偏差，再通过三根缆绳进行人工微调，从而使噪声采集 装置准确达到目标测点。
[0034] 7)进行噪声采集与数据存储；