一种智能环境噪声与振动监测装置及监测方法
【专利摘要】本发明提出一种智能环境噪声与振动监测装置及方法，在满足常用声级计或统计分析设备测量环境噪声及其道路交通噪声指标的同时，可以利用推荐设备或者系统在测出噪声的多个指标值的同时，换算出监测期间道路交通的等效车流量和车速等参数，将为道路交通噪声的现场调查提供很大的便利,同时,还可以依托FPGA嵌入式系统,不断延伸与环境噪声同步检测的其他功能,实现系统的智能化。
【专利说明】一种智能环境噪声与振动监测装置及监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及交通工程、环境工程交叉的【技术领域】，一种能够同时监控道路交通流 量、流速和噪声影响的环境监测系统，特别涉及一种智能环境噪声与振动监测装置及监测 方法。
【背景技术】
[0002] 为了研究高速公路、国省道公路、城市道路交通噪声的影响，在有关环境监测的 技术规范与方法中，除了必须监测环境噪声的20分钟以及连续24小时昼夜等效连续噪声 级、统计声级等影响与污染指标外，还需计量发生噪声当时的车流量和车速等交通状况指 标。而这一要求一般需要一些额外的设备，如录像设备、测速雷达等，导致了监测成本和复 杂性的增加；应用人工的方法数数计量车流量，随着要求监测时间变长，可造成人员工作量 过于沉重，而且无法测出变化中的道路平均车速。而路边交通噪声实际上与道路的车流量、 车速、车种、离开测点的距离等因素有关，并呈规律的量化关系，本发明提出通过这种关系 和路边噪声的测量值，来实现反演量化关系中参数的方法，可以实现对期望参数数值的推 断。同时，通过应用基于FPGA的可重构智能仪器的概念，针对目前环境噪声测试仪器在生 产定型后，可解决功能不能改变、维护费费用过高、资源浪费严重等问题。
[0003] 环境噪声的测量、评价和管理与控制包括了工业噪声、交通噪声、社会噪声以及施 工作业噪声等四大部分。随着城市规划的日趋合理，工厂企业被集中道路交通噪声评价是 环境噪声评价中的重要组成部分，其确定方法包括监测与预测的方法，实测的方法切实可 靠，但需避开人为、非关注因素的干扰。预测的方法一般针对尚处于规划阶段的项目，可以 预测的方法实现，即存在规律性的量化关系，只要模型和参数选着合理，预测结果相比实测 值可以达到相当地接近。
[0004] 目前，道路交通噪声预测模型，根据评价因子的不同，存在两大类模式，一类是美 国的FHWA的La6q评价量的交通噪声预测模型，由于我国的环境标准是以Lami为评价量，因此 在我国有较多的应用，包括我国交通部推荐的公路模式也是在该模型形式上的演化，可同 时适用于不同车流量条件；另一类是英国的Ln评价量的C0RTN88的交通噪声预测模型，主 要被英国、澳大利亚、新西兰等国所应用，这些国家的环境标准是以Lltl为评价量，主要适用 于大车流量和非连续小车流（通过修正的方法）。相比文献中大量研究和应用的各类道路 交通噪声预测方法和模型，两类模型结构简捷，多年被多国大量应用于实际道路交通噪声 的相关工作和检验，具有良好的可靠性。
[0005] 本发明将应用FHWA和CORTN模型，建立路边道路交通噪声与道路的车流量、车速、 车种、离开测点的距离等因素的量化规律关系，在监测道路交通噪声的同时，实现通过监测 值反演道路的车流量、车速的目标。所述方法通过一种智能环境噪声与振动监测装置予以 实现。进一步地，类比确定车流量车速的概念，还可开发其他的目标参数及功能。
【发明内容】
[0006] 针对上述技术缺陷，本发明应用FPGA技术，提出一种智能环境噪声与振动监测 装置及方法，在满足常用声级计或统计分析设备测量环境噪声及其道路交通噪声指标的同 时，可以利用推荐设备或者系统在测出噪声的多个指标值的同时，换算出监测期间道路交 通的等效车流量和车速等参数，将为道路交通噪声的现场调查提供很大的便利。同时，还 可以依托FPGA嵌入式系统，不断延伸与环境噪声同步检测的其他功能，实现系统的智能 化。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
[0008] -种智能环境噪声与振动监测装置，包括噪声传感器、振动传感器，采样电路以及 控制电路；所述采样电路对噪声传感器、振动传感器进行信号采样后将通过信号调理、模数 转换电路，将数字信号经过带cpu、内存和控制器的控制电路，分别输入FPGA电路和所述控 制电路，通信电路连接所述控制电路，所述通信电路集成有I/O接口与电路、RS23接口与电 路、USB接口与电路和无线通讯接口与电路；所述FPGA电路连接所述控制电路并受其控制。 [0009] 进一步的，还包括显示电路和输入电路，所述显示电路和输入电路连接控制电路。
[0010] 进一步的，所述FPGA电路包括信号处理任务集部和功能单元集部，所述信号处理 任务集部包括环境噪声评价量测量模块、频谱分析测量模块、道路交通噪声参数测量模块； 所述功能单元集部包括常规声级计算模块、时间平均声级计算LAeq模块、统计声级计算L 模块、倍频程分析模块、1/3倍频程分析模块、FFT模块、车流量测量模块、车速测量模块、分 类车种比例分析模块；所述环境噪声评价量测量模块用于计算常规声级、时间平均声级计 算LAeq、统计声级计算Ln的数据；所述频谱分析测量模块用于计算倍频程频谱、1/3倍频程 频谱、FFT频谱的数据；所述道路交通噪声参数测量模块用于测量计算车流量、车速、分类 车种比例等的数据。
[0011] 一种智能环境噪声与振动监测方法，包括如下步骤：
[0012] 41)采样数据并进行计算处理：
[0013] 定义A声级：用A计权网络测得的声压级，用LA表示，单位dBA
【权利要求】
1. 一种智能环境噪声与振动监测装置，其特征在于，包括噪声传感器、振动传感器，采 样电路以及控制电路；所述采样电路对噪声传感器、振动传感器进行信号采样后将通过信 号调理、模数转换电路，将数字信号经过带CPU、内存和控制器的控制电路，分别输入FPGA 电路和所述控制电路，通信电路连接所述控制电路，所述通信电路集成有I/O接口与电路、 RS23接口与电路、USB接口与电路和无线通讯接口与电路；所述FPGA电路连接所述控制电 路并受其控制。
2. 根据权利要求1所述的一种智能环境噪声与振动监测装置，其特征在于，还包括显 示电路和输入电路，所述显示电路和输入电路连接控制电路。
3. 根据权利要求1所述的一种智能环境噪声与振动监测装置，其特征在于，所述FPGA 电路包括信号处理任务集部和功能单元集部，所述信号处理任务集部包括环境噪声评价量 测量模块、频谱分析测量模块、道路交通噪声参数测量模块；所述功能单元集部包括常规声 级计算模块、时间平均声级计算LAeq模块、统计声级计算L模块、倍频程分析模块、1/3倍频 程分析模块、FFT模块、车流量测量模块、车速测量模块、分类车种比例分析模块。
4. 根据权利要求1所述的一种智能环境噪声与振动监测装置，其特征在于，所述环境 噪声评价量测量模块用于计算常规声级、时间平均声级LAeq、统计声级Ln参数的数据；所 述频谱分析测量模块用于计算倍频程频谱、1/3倍频程频谱、FFT频谱参数的数据；所述道 路交通噪声参数测量模块用于测量计算车流量、车速、分类车种比例参数的数据。
5. -种智能环境噪声与振动监测方法，其特征在于，包括如下步骤： 1)采样数据并进行计算处理： 设A声级：用A计权网络测得的声压级，用LA表示，单位dBA，按以下公式计算出每帧 的A计权声压级数值：
式中，Lpj为对应j中心频率的声级值，单位dB ;Aj为对应j中心频率的A计权修正值， 单位dB ;j为频谱的中心频率值，单位Hz ; 等效连续A声级为等效声级，用LAeq，T表示简写为Leq，单位dBA，等效声级表示为：
式中：La为t时刻的瞬时A声级，dB ;T为规定的测量时间，s ; 当采样测量，且采样的时间间隔一定时，公式（2)表示为：
式中：Lm为第i次采样测得的A声级，dB ;n为采样总数，单位个； 昼间等效声级、夜间等效声级：在昼间时段内测得的等效连续A声级称为昼间等效声 级，用Ld表示，单位dBA ;在夜间时段内测得的等效连续A声级称为夜间等效声级，用Ln表 示，单位dBA ; 昼间等效声级为：
式中：LAi为昼间第i小时的等效声级，dB ; 16为昼间规定的6:00?22:00测量时间， 单位h;夜间等效声级为：
式中：Liu为夜间第j小时的等效声级，dB ;8为夜间规定的22:00?次日6:00测量时 间，h ; 昼夜等效声级：考虑到噪声在夜间比昼间对人工干扰更大，故计算昼夜等效声级时，需 要将夜间等效声级加上IOdB后再计算；昼夜等效声级为：
对采集的数据进行统计，累积百分声级：、指占测量时间段一定比例的累积时间内A声 级的最小值，用!^表不，单位为dBA ; L1为在测量时间内有1 %的时间A声级超过的值，相当于噪声的最大峰值； L5为在测量时间内有5%的时间A声级超过的值，相当于噪声的次峰值； Lltl为在测量时间内有10%的时间A声级超过的值，相当于噪声的平均峰值； L5tl为在测量时间内有50%的时间A声级超过的值，相当于噪声的平均中值； L9tl为在测量时间内有90%的时间A声级超过的值，相当于噪声的平均本底值； L95为在测量时间内有95%的时间A声级超过的值，相当于噪声的次本底值； L99为在测量时间内有99%的时间A声级超过的值，相当于噪声的最小本底值； 求各测点每小时的评价参数!^、!^、!^、!^、!^、!^、!^、!^，将所有监测得的数据从大至 最小加以排列后取得； 标准偏差：样本数据相对于平均值的离散程度，即与平均值之方差，用S或SD表示，dB 其计算公式为：
式中：I为某组合某一样本的算术平均值，dB ;Li为某组合某一样本的第i个数据 值，dB ;n为采样数，单位为个； 在规定的测量时间段内或对某一独立噪声事件，测得的A声级最大值，用Lmax表示，单 位 dBA ; 每个测点测量20min等效声级Leq,记录累计百分声级Lp L5、L1(l、L5(l、L9(l、L 95、L99、Lmax、 Lmin和标准偏差SD，分类记录车流量； 所述分类车为根据大、中、轻型车辆类型的划分； 2)将处理后的采样数据提取被测道路车流量和车速： 建立标准的FHWA模型： 用下列公式（8)?（9)来表示：
式中，是i类汽车在时间t内的每小时等效声级，单位dB ; (Ltl)ei，是i类汽车的 平均声音辐射能，单位dB ;Ni(t)是i类汽车在时间T(Ih)内通过指定测试点的车流量；汽 车分类i包括：轻型车时，i = 1，中型卡车或公共汽车时，i = 2,大型或者重型汽车时，i = 3 ，是汽车噪声辐射的参考距离，取Dtl = 15m ;D，是车道中心线到测量点的垂直距离，单 位m ;Si(t)，汽车的平均速度，单位km/h ;TT，等效声级计算时间，Ih ;a，植被覆盖系数，它是 根据现场的地面条件，指观察点与道路之间地面覆盖物的声学吸收特性，a = O或a = 0. 5 ; 〇a，是给定长度的道路校正函数，m、V2是可视道路相对于道路垂直线的张角；AS是噪 音隔离因子，单位dB;
不同类型汽车i的L^1值参数是按照顺序叠加的，不同汽车分别有不同的L^1值，小车 用LeqAu表不，中型车用LeqMT表不，大车用Leqm表不； (L)EiQ即声源强度如下所示：
实际交通车流的等效声级模型是通过叠加各种的车流过后得出，如果车型分为轻型 汽车、中型货车和重型货车：
建立标准的CORTN模型： 用下列公式（11)?（14)表示： L10 (18h) = 26. 5+10 X Ig (q) +33 X Ig (v+40+500/v) +10 X Ig (l+5p/v) -68. 8 +0. 3XG+10Xlg(A/180)-10Xlg(D/13. 5) +FX5. 2Xlg((6H-l. 5)/(d+3. 5))+1. 65Xlg(P/R) +5. 57 X C (0. 77-lg (S/v)) -3. 4X (11) L10(Ih) = L10 (h)/18 (12) L10(20min) = L10 (Ih)/3 = L10(18h)/54 (13) L10(15min) = L10 (Ih)/4 = L10 (18h)/60 (14) 式中：q为18小时车流量，辆/h ;v为平均速度，km/h ;p为重车比例=f/q, %、f为重 车车流量，辆/h ;G为坡度，％ ;D = sqrt [ (d+3. 5)2+(h-0. 5)2]，m ;A为相对于测点道路长度 的张角，degs ;D为测点至道路外延的距离，m ;H为从声源传至受声点的平均有效高度，单 位为m;h为受声点相对于路面的高度，m;F为地面吸声系数，无量纲；r为中型重车占大型 重车的比例；S为路面标准直径厚度，mm ;C为路面尖叫系数，尖叫型路面取1，否则取0 ;X为 摩擦噪声系数，摩擦型路面取1，否则取〇,其中（11)式只适用于0.75 < [(d+5)/6]; 3)根据监测结果的 L1Q、LAeq、SD、Lp L5、L5Q、L9Q、L95、L99、L max 和 Lmin，利用标准的 FHWA 模 型,建立 LAeq(d) =f(q，v，p，r，d);利用标准的 CORTN 模型,建立 LA1Q(d) =g(q，v，p，r，d); 其中L背景嘆声取L95 ; 利用上述两个模型，得到道路车速V与车流量q。
6. 根据权利要求4所述的一种智能环境噪声与振动监测方法，其特征在于，当出现非 连续、中断车流条件下即小车流情况，50 <和〈200辆/h，或者1000 <和〈4000辆/18h，以 及D〈30m，标准的CORTN模型的Laici模型修正为： 对于小车流情形，需针对大车流情形下的Lltl (18h)，增加如下补充修正项：
式中，D是介于受声点和有效声源之间的最短斜距近似为有效车道至仪器监测点位的 直线距离。
7. 根据权利要求4所述的一种智能环境噪声与振动监测方法，其特征在于， 当有两台权利要求1所述的装置进行监测时，所述两台装置分别设置在距机动车道路 中心线dl和d2处，同步监测关注时段内、获得L1(l、LAeq、SD、 U、L5、L5Q、L9Q、L95、L99、L max和Lmin指标，根据监测结果，通过如下公式，计算得到道路车速 V与车流量q LAeq(di) = f (q, V, p, r, (I1), LAeq (d2) = f (q, v, p, r, d2)，lai〇 (di) = g(q, v, p, r, (I1), Laio (d2) = g (q, v, p, r, d2); L背景噪声$( L95。
【文档编号】G08G1/01GK104332050SQ201410582481
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】张继萍 申请人:浙江省环境保护科学设计研究院