便携式超声波水声声压计设计

随着水下超声波技术的发展,在很多应用场所提出了测试其声强的需要。我们采用CS-3型水听器设计便携式超声波声压计。

系统设计

设计目标要求:实现15-45kHz超声波声压、声强的测量。测量的范围是0-10个大气压(或声压级范围：30-120dB)。测量的误差为在总体的频率范围内大小3dB,对单一频率小于1dB。

CS-3型水听器的特性是在10-100kHz,其M参数的不一致性小于3dB。M参数是指水听器受单位声压的作用而产生的输出电压,单位是V/Pa。用分贝表示的M参数是：

M(dB )=20log(M/Mo),其中Mo为参考声压Mo=1V/礟a。

声强I=P2 /(r*C),其中P为声压,C为声速,r为密度。

为满足设计的目标,需进行测量误差分析。

对应于在为30-120dB的声压级,在流体中的声强为：I=P*V*cosy

自由场中声强为：I=P2/(r*C)

声强级的表达式为：I=10log(I/Io)

其中Io为10-12 (W/m2),在自由声场中声压级与声强级近似相等。

从而可得出(在近似测量中)声强级的不一致性对应于M参数的不一致性小于3dB。

从而得出：不必进行频率校正,声压、声强的不一致性可以满足要求。

由于一般测的是有效声压,为平均值,所以测量的精度相比起来比较容易实现。跟随、放大、滤波、峰值和频率检测,产生误差主要在滤波、峰值和频率检测。我们所设计的滤波通带不稳定度为1dB、峰值检测的误差小于1dB,但通过进行频率的检测,和时间的平均,进行软件和硬件的补偿可以使误差较好的满足要求。

根据上面的分析,考虑到超声波测量的特点,系统框图示于图1。其中预加重考虑隔直和系统频率特性。

图1 系统框图

图2 高通滤波电路

跟随器起隔离水听器和减小后端电路影响的作用。放大器与分压通过可控增益放大来实现,也可通过开关来实现测量范围的转换。带通滤波为测量特定频率的超声波声压的必需。峰值检测为测量和计算声压的原始数据,频率为提供频率数据和进行声压计算的频率校正。

带通滤波电路

考虑系统对频率范围的不平度有较高的要求,采用巴特沃斯滤波器进行设计。带通由高通和低通级联实现。

考虑具体的要求截至频率定为10kHz。取高通的阶数为5,低通的阶数为6。图2是高通滤波电路。

峰值检波电路

图3是用集成放大器来实现峰值检波的电路。

过零检测电路

过零检测电路在输出需考虑与MSP430的接口问题,因而增加了接口转换电路(图4)。

图3 峰值检波电路

图4 过零检测电路

系统接口

本系统用TI公司MSP430微控制器的P6端口的12位A/D转换进行峰值测量,利用P1口的定时捕获/比较进行频率测量。在MSP430硬件的设计上提供晶振、复位、时钟电路以及JTAG,完成整体设计。根据硬件,设计相关的软件进行声压测量。

结语

本声压计的设计采用了功耗极低的MSP430微控制器,用简单和便宜的集成运放和比较器实现较为复杂的超声波的信号调理电路设计,满足了设计的要求。