噪聲傳感器計劃任務(wù)書

編號 類別 2012 年科研開發(fā)項目計劃任務(wù)書礦用噪聲聲級傳感器的研制***項目名稱申報部門起止時間礦用噪聲聲級傳感器的研制***國內(nèi)外概況、水平和發(fā)展趨勢及專利情況【應(yīng)分國內(nèi)外兩種情況進(jìn)行描述。描述時盡可能詳細(xì)到國內(nèi)外的具體產(chǎn)品名稱、生產(chǎn)企業(yè)、技術(shù)指標(biāo)、市場占有率、存在的技術(shù)問題及其原因、目前的技術(shù)研發(fā)方向、擁有的專利情況等。立項開發(fā)后擬達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)與目前各企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的分析對比，知識產(chǎn)權(quán)情況描述（含專利、論文、論著、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程、規(guī)范等）】：當(dāng)今社會噪聲污染日趨嚴(yán)重，尤其是輻射強(qiáng)、危害大的地下封閉的采礦環(huán)境污染更嚴(yán)重。據(jù)調(diào)查，全國煤礦有近70%的設(shè)備超過國家規(guī)定的90dB（A）標(biāo)準(zhǔn)，特別是井下噪聲有強(qiáng)度大、聲級高、聲源多、干擾時間長、反射能力強(qiáng)、衰減慢等特點(diǎn)，長期接噪聲使人注意力分散，反應(yīng)遲鈍，不安全因素增加，嚴(yán)重的還引起心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)及消化系統(tǒng)疾病，甚至聽力下降和職業(yè)性耳聾。噪聲已被公認(rèn)為是煤礦井下主要職業(yè)病危害之一。國外對噪聲危害非常重視，如澳大利亞將采掘工作面噪聲控制在90dB以下。安全規(guī)程規(guī)定全班噪聲平均不許超過85dB，最高（短時）不許超過140dB。噪聲控制有專門監(jiān)察員，企業(yè)開工1年必須提供全面噪聲環(huán)境監(jiān)測報告，以后每5年報告1次。近年來，隨著《中華人民共和國職業(yè)病防治法》、《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》的出臺，我國對煤礦噪聲危害開始重視起來，但我國目前還沒有煤礦井下用于噪聲監(jiān)測的儀器，對煤礦噪聲危害的調(diào)查多集中在煤炭生產(chǎn)的地面企業(yè)，對于煤礦井下噪聲危害調(diào)查的相對較少。因此，急需開發(fā)一種煤礦井下在線監(jiān)測噪聲的儀器，及時有效的了解作業(yè)場所的環(huán)境噪聲，不僅是噪聲防治的依據(jù)，也可為下一步建立礦工職業(yè)健康評價體系提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)，對保護(hù)煤礦工人的身心健康具有十分重要的意義。噪聲測量儀器1、聲級計聲級計是噪聲測量中最基本、最常用的儀器。其工作原理是聲壓由傳聲器膜片接收后，將聲壓信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)前置放大器作阻抗變換后送到輸入衰減器，由于表頭指示范圍一般只有20dB，而聲音范圍變化可高達(dá)140dB，甚至更高，所以必須使用衰減器來衰減較強(qiáng)的信號。再由輸入放大器進(jìn)行定量放大。放大后的信號由計權(quán)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計權(quán)，它的設(shè)計是模擬人耳對不同頻率有不同靈敏度的聽覺響應(yīng)。在計權(quán)網(wǎng)絡(luò)處可外接濾波器，這樣可做頻譜分析。輸出的信號由輸出衰減器減到額定值，隨即送到輸出放大器放大。使信號達(dá)到相應(yīng)的功率輸出，輸出信號經(jīng)RMS檢波后（均方根檢波電路）送出有效值電壓，推動電表，顯示所測的聲壓級分貝值。根據(jù)該精度聲級計可分為兩類：一類是普通聲級計，它對傳聲器要求不太高。動態(tài)范圍和頻響平直范圍較狹，一般不與帶通濾波器相聯(lián)用；另一類是精密聲級計，其傳聲器要求頻響寬，靈敏度高，長期穩(wěn)定性好，且能與各種帶通濾波器配合使用，放大器輸出可直接和電平計錄器、錄音機(jī)相聯(lián)接，可將噪聲訊號顯示或貯存起來。近年來有人又將聲級計分為四類，即0型、l型、2型和3型。它們的精度分別為土0.4dB、±0.7dB、±1.0dB和±1.5dB。儀器上有阻尼開關(guān)能反映人耳聽覺動態(tài)特性，快擋“F”用于測量起伏不大的穩(wěn)定噪聲。如噪聲起伏超過4dB可利用慢擋“S”，有的儀器還有讀取脈沖噪聲的“脈沖”檔。聲級計的示值表頭刻度方式，通常采用由-5（或-10）到0，以及0到10，跨度共15（或20）dB。一種普通聲級計的外形圖如此所示。2、 聲級頻譜儀噪聲測量中如需進(jìn)行頻譜分析，通常在精密聲級配用倍頻程濾波器。根據(jù)規(guī)定需要使用十檔，即中心頻率為31.5、63、125、250、500、1K、2K、4K、8K、16K。3、 錄音機(jī)有些噪聲現(xiàn)場，由于某些原因不能當(dāng)場進(jìn)行分析，需要儲備噪聲情號，然后帶回實(shí)驗(yàn)室分析，這就需要錄音機(jī)。供測量硼錄音機(jī)不同于家用錄音機(jī)，其性能要求高得多。它要求頻率范圍寬（一般為20?15000）Hz，失真小（小于3%），信噪比大（35dB以上），此外，還要求頻響特性盡可能平直，動態(tài)范圍大等。4、 記錄儀記錄儀是將測量的噪聲聲頻信號隨時間變化記錄下來，從而對環(huán)境噪聲做出準(zhǔn)確評價，記錄儀能將交變的聲譜電信號作對數(shù)轉(zhuǎn)換，整流后將噪聲的峰值，均方根值（有效值）和平均值表示出來。5、 實(shí)時分析儀時分析儀是一種數(shù)字式譜線顯示儀，能把測量范圍的輸入信號在短時間內(nèi)同時反映在一系列信號通道示屏上，通常用于較高要求的研究、測量。目前使用尚不普遍。考慮到國家環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)和煤礦企業(yè)噪聲評價中均已測量聲壓作為噪聲等級標(biāo)準(zhǔn)。因此，本項目開發(fā)的噪聲監(jiān)測儀器將選用測量噪聲中最常用的聲級計。目前國內(nèi)生產(chǎn)聲級計的廠商主要有杭州愛華儀器有限公司和國營紅聲器材廠，但其生產(chǎn)的聲級計均為便攜式儀器，不能連續(xù)監(jiān)測，另外還不具備井下防爆合格證。本項目將按照聲級計的工作原理，借鑒地面用聲級計的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，研制井下在線式噪聲傳感器，增加通訊功能，與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，使其能實(shí)時在線監(jiān)測環(huán)境噪聲。主要研究、試驗(yàn)內(nèi)容、目標(biāo)、技術(shù)關(guān)鍵及主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，項目欲解決的技術(shù)問題【詳細(xì)描述達(dá)到擬定的技術(shù)指標(biāo)需要解決的技術(shù)關(guān)鍵及其研究試驗(yàn)內(nèi)容。目標(biāo)要具體，包括階段目標(biāo)和最終目標(biāo)】：一、 主要研究內(nèi)容1、 噪聲檢測基本原理及技術(shù)；2、 噪聲檢測電路的研究。二、 主要試驗(yàn)內(nèi)容1、 噪聲檢測探頭結(jié)構(gòu)與噪聲關(guān)系試驗(yàn)；2、 噪聲檢測儀校準(zhǔn)試驗(yàn)。三、 目標(biāo)通過項目研究，開發(fā)出一種礦用在線式噪聲聲級傳感器。四、 關(guān)鍵技術(shù)本項目的關(guān)鍵技術(shù)包括：1、 噪聲檢測技術(shù)；2、 噪聲檢測儀的校正技術(shù)；3、 網(wǎng)絡(luò)化通信接口技術(shù)。五、 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)1、 靈敏度：40mV/Pa；頻率范圍：20Hz?8kHz。2、 測量范圍：40?130dBA（以2X10-5Pa為參考）3、 頻率范圍：20Hz?8kHz4、 頻率計權(quán)：A計權(quán)5、 時間計權(quán)：F（快），S（慢）6、 參考方向：為電容傳聲器的軸向7、 準(zhǔn)確度：符合GB/T3785-1983和IEC61672-1:20022級8、 顯示：4位匚￡。，直接顯示測量的Lp、Lmax。9、 工作電壓：5VDC，電流＜100mA。10、 使用條件：氣溫：0°C?+40°C相對濕度：25%?95%；達(dá)到的技術(shù)水平，經(jīng)濟(jì)、社會效益及推廣應(yīng)用的前景分析具體的創(chuàng)新點(diǎn)、先進(jìn)性競爭力；產(chǎn)業(yè)化前景等】：項目開發(fā)研制出礦用在線式噪聲聲級傳感器，將采用高精密的傳聲器，將聲音轉(zhuǎn)換成電信號，再選用低噪聲的前置放大器變換阻抗，使傳聲器與衰減器匹配，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部頻率計權(quán)，送顯示電路顯示，并輸出與煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)相適應(yīng)的信號，完成煤礦井下環(huán)境噪聲的在線監(jiān)測。項目開發(fā)出的礦用在線式噪聲聲級傳感器將填補(bǔ)目前國內(nèi)煤礦井下噪聲監(jiān)測儀器的空白，其技術(shù)水平將達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。礦用在線式噪聲聲級傳感器的研制成功，將使管理人員快速有效的掌握煤礦井下作業(yè)環(huán)境噪聲狀況，采取相應(yīng)的預(yù)防和治理措施，減輕噪聲對人體產(chǎn)生的職業(yè)危害，同時也為建立礦工職業(yè)健康評價體系提供詳實(shí)數(shù)據(jù)。因此，礦用在線式噪聲聲級傳感器的研究成功和推廣應(yīng)用將帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。隨著國家相關(guān)法律的出臺，國家對職業(yè)病危害的高度重視，噪聲監(jiān)測與防治將成為每座礦的重要任務(wù)之一，因此，礦用在線式噪聲聲級傳感器成功后將具有廣闊的市場前景。采用的研究、試驗(yàn)方法和技術(shù)路線【詳細(xì)描述擬采取的技術(shù)路線、技術(shù)方法、技術(shù)原理、

技術(shù)驗(yàn)證手段等。包括工藝流程】：一、采用的研究、試驗(yàn)方法了最大限度地減少研究經(jīng)費(fèi)，并滿足煤礦井下用噪聲傳感器使用要求，在研制過程中將借鑒地面用聲級計中的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，剖析地面用聲級計中采用的準(zhǔn)確度高的傳聲系統(tǒng)和檢波系統(tǒng)，并增加網(wǎng)絡(luò)通訊電路，使其適應(yīng)煤礦井下的使用環(huán)境。具體方案如圖所示。圖1總體方案圖圖1總體方案圖井下工業(yè)一1完善1性實(shí)驗(yàn)1改進(jìn)1先對噪聲檢測基本原理及技術(shù)進(jìn)行初步研究和探討；然后根據(jù)上述理論研究結(jié)果，并結(jié)合地面用聲級計設(shè)計的一些經(jīng)驗(yàn)，確定礦用在線式噪聲聲級傳感器的檢測電路，設(shè)計相關(guān)軟硬件，加工兩臺樣機(jī)；最后，再在國家檢測中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢驗(yàn)。國家檢測中心實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)合格后，在現(xiàn)場做工業(yè)性試驗(yàn)，以檢驗(yàn)所研制的兩套樣機(jī)的實(shí)際應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)問題加以改進(jìn)，直至達(dá)到本計劃任務(wù)書提出的目標(biāo)要求。二、技術(shù)路線1、噪聲檢測探頭結(jié)構(gòu)與噪聲關(guān)系特性研究常見的傳聲器有晶體式、駐極體式、動圈式和電容式數(shù)種。其中晶體式和駐極體式主要用于麥克風(fēng)，動圈式和電容式主要用于噪聲檢測。動圈式傳聲器由振動膜片、可動線圈、永久磁鐵和變壓器等組成。振動膜片受到聲波壓力以后開始振動，并帶動著和它裝在一起的可動線圈在磁場內(nèi)振動以產(chǎn)生感應(yīng)電流。該電流根據(jù)振動膜片受到聲波壓力的大小而變化。聲壓越大，產(chǎn)生的電流就越大，聲壓越小，產(chǎn)生的電流也越小。電容式傳聲器主要由金屬膜片和靠得很近的金屬電極組成，實(shí)質(zhì)上是一個平板電容。金屬膜片與金屬電極構(gòu)成了平板電容的兩個極板，當(dāng)膜片受到聲壓作用時，膜片便發(fā)生變形，使兩個極板之間的距離發(fā)生了變化，于是改變了電容量，位測量電路中的電壓也發(fā)生了變化，實(shí)現(xiàn)了將聲壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕淖饔?。電容式傳聲器是聲學(xué)測量中比較理想的傳聲器，具有動態(tài)范圍大、頻率響應(yīng)平直、靈敏度高和在一般測量環(huán)境下穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用廣泛。由于電容式傳聲器輸出阻抗很高，因而需要通過前置放大器進(jìn)行阻抗變換，前置放大器裝在聲級計內(nèi)部靠近安裝電容式傳聲器的部位。本項目擬對這兩種探頭進(jìn)行試驗(yàn)研究，找到一種檢測范圍大、抗干擾強(qiáng)的、靈敏度高的傳感器結(jié)構(gòu)。

2、傳感及檢測技術(shù)研究通過合理化電路設(shè)計，對檢測電路進(jìn)行優(yōu)化，以提高靈敏度。擬對單端采樣和差分采樣電路進(jìn)行試驗(yàn)研究。分析其輸出與噪聲聲級的關(guān)系。其原理框圖如下:差分采樣模式單端采樣模式差分采樣模式單端采樣模式圖2檢測電路模式3、 后處理技術(shù)研究由于聲級計中的頻率計權(quán)網(wǎng)絡(luò)有A、B、C三種標(biāo)準(zhǔn)計權(quán)網(wǎng)絡(luò)。A網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對等響曲線中40方純音的響應(yīng)，它的曲線形狀與340方的等響曲線相反，從而使電信號的中、低頻段有較大的衰減。B網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對70方純音的響應(yīng)，它使電信號的低頻段有一定的衰減。C網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對100方純音的響應(yīng)，在整個聲頻范圍內(nèi)有近乎平直的響應(yīng)。本項目擬選用A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，對信號進(jìn)行頻率計權(quán)。4、 礦用在線式礦用噪聲傳感器硬件設(shè)計根據(jù)項目總體設(shè)計方案，結(jié)合地面用聲級計設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，其總體硬件設(shè)計如圖所示：圖3圖3硬件設(shè)計由