胡 寧

(中航工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，成都 610092)

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聲響式定時器校準技術(shù)研究

胡 寧

(中航工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，成都 610092)

校準聲響式定時器的停止時刻往往通過人為手動卡時的方式實現(xiàn)與標準設備的同步。本文提出利用聲電原理將聲響轉(zhuǎn)化為電信號達到測量標準與定時器停止時刻的同步，基于時頻測量的基本原理簡要介紹聲響式定時器校準的工作原理和校準方法。該校準方法僅是對聲響式校準的一種探索與嘗試。

拾音器；適配部件；時間閘門；時間測量標準儀

0 引言

聲響式定時器是時間控制的輔助設備，但對生產(chǎn)加工，材料處理等同樣具有重要意義。聲響式定時器的校準通常采用人工秒表卡時的方法，這種方法會引入較大的人為誤差。特別是在校準時間較長的情況下，校準人員容易疏忽秒表卡時，導致重新校準，增加了重復工作量和時間。聲響式定時器計時停止時會發(fā)出的聲響，因此，可以將該聲響信號轉(zhuǎn)化成電信號實現(xiàn)定時器與標準設備的同步。本文將闡述如何通過聲電信號實現(xiàn)時間測量標準儀和聲響式定時器計時停止時刻同步。

1 校準裝置工作原理

聲響式定時器標準裝置主要由隔音箱、拾音器、適配部件和時間測量標準儀組成，如圖1所示。

圖1 聲響式定時器校準裝置結(jié)構(gòu)框圖

隔音箱用于隔絕箱體外部聲響對箱體內(nèi)部的干擾，主要由箱體和隔音材料組成。材料隔音著眼于入射聲源另一側(cè)的透射聲能的大小，透射聲能越小越好。隔音材料可使透射聲能衰減到入射聲能的10-3～10-4或更小?？筛鶕?jù)測量環(huán)境、場地選擇適當?shù)母粢舨牧稀?/p>

拾音器在隔音箱內(nèi)，作為聲電轉(zhuǎn)化電路的第一級，其作用就是把聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號傳輸給放大器。拾音器主要有電容式拾音器和動圈式拾音器。電容式拾音器是以聲音通過空氣使震膜震動，改變上震膜和下金屬鐵片的距離，使其電容發(fā)生變化，形成電流阻抗。這種拾音器的輸出功率較大，靈敏度高，頻響范圍能達到20Hz～20kHz，但是容易受到周圍環(huán)境的干擾。

相對而言，動圈式拾音器是以聲音通過空氣使震膜震動，然后，在震膜上的線圈繞組和環(huán)繞在動圈上的磁鐵形成磁力場切割，產(chǎn)生微弱的電流。其本質(zhì)就是一塊電磁鐵，無論是整體式還是六點式的拾音器都是在永磁體上纏繞線圈制成的。拾音器里的永磁體一般用兩種材料來制作：磁鋼(即鋁鎳鈷合金)和陶瓷。磁鐵越大纏繞的線圈越多，拾音器的輸出功率就越大。通常這種拾音器功率比較小，頻響范圍比較差，一般只能達到50Hz～16kHz，但因為其靈敏度不高，受到的環(huán)境雜音干擾要小很多。

聲響信號經(jīng)過拾音器后轉(zhuǎn)化為微弱的電流信號，經(jīng)過適配部件中的放大器、比較器、帶通濾波器和控制器后形成控制信號，控制時間測量標準儀的時間閘門關(guān)閉時刻，即計時停止時刻。

2 適配部件工作原理

適配部件如圖1所示，主要有由放大器、比較器和控制電路組成。這里適配部件轉(zhuǎn)化的信號沒有音質(zhì)好壞的要求，只是停止計時的截止信號，因此沒有加入濾波器。如果在特殊場地，或噪音較大的場所使用可考慮在適配部件中加入濾波器。

2.1 增益放大器

拾音器輸出的毫伏信號范圍實測約為20～25mV，此電信號太小不能夠進行采樣，后級A/D轉(zhuǎn)換輸入信號的動態(tài)范圍為0～5V，聲音信號的范圍與采樣范圍的比較得出放大器的放大倍數(shù)應為200倍左右。此處將信號通過一增益為46dB的放大器，放大到伏特量級。為了將從拾音器獲得的微弱語音信號放大，采用兩極高輸入阻抗的同向放大器，電路原理圖如圖2所示，放大器A1和A2的放大倍數(shù)按下式計算:βA1=1+RF1/R3，βA2=1+RF2/R5。

圖2 同向放大器電路原理圖

2.2 控制電路

主要起開關(guān)控制作用，當其接收到匹配的信號后做出斷開或者閉合的動作?？刹捎秒娮娱_關(guān)類器件或者電磁鐵作為控制部件。圖3為電子開關(guān)適配電路圖。

圖3 電子開關(guān)適配電路圖

時間測量標準儀與聲響式定時器同步啟動，當聲響式定時器停止計時發(fā)出聲響，聲響信號通過拾音器、放大器、比較器后提供給電子開關(guān)適配電路，適配電路終端接入時間測量標準儀的兩個通道。有聲響信號時，比較器輸出“1”電平，三極管BE導通，適配電路中反相器前端為“0”電平，經(jīng)過反向后為“1”電平。此時，時間測量標準儀通道2的電平信號通過三態(tài)門TRI到達通道1，時間測量標準儀與聲響式定時器同步停止計時。反之，無聲響信號時三態(tài)門呈高阻狀態(tài)，時間測量標準儀通道2的電平信號無法到達通道1，時間測量標準儀持續(xù)計時。

3 時間測量標準儀工作原理

聲響式定時器通常校準時間TX較長，fX通常在赫茲以下級別，而時基頻率很容易達到kHz或MHz。此外，定時器待測信號不能在一次測量中周而復始的循環(huán)，不能作為計數(shù)信號。因此，聲響式定時器的校準只能采用測周原理。

時間測量標準儀采用測周的原理設計，核心部件由CPLD和單片機構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 時間測量標準儀結(jié)構(gòu)框圖

時間測量標準儀的標準計時信號由CPLD將標準晶振信號分頻得到。CPLD中邏輯電路由邏輯門電路構(gòu)成，其主要作用是形成時間閘門。時間閘門的開閉由該標準儀啟動計時信號和通道1的電平信號控制。啟動時，聲響式定時器與時間測量標準儀手動同步啟動，單片機接收到鍵盤啟動鍵信號后發(fā)送電平信號控制CPLD時間閘門打開。此時，時間閘門與時標信號(標準晶振經(jīng)過分頻后的信號)進行邏輯合成，由計數(shù)器對合成后的信號進行計數(shù)。停止時，聲響式定時器發(fā)出聲響信號，時間測量標準儀通道2的電平信號通過適配部件到達通道1，CPLD根據(jù)通道1的電平信號觸發(fā)時間閘門閉合，停止計數(shù)，計數(shù)數(shù)據(jù)將存儲在寄存器中。單片機從寄存器中讀取CPLD的測量數(shù)據(jù)進行運算、處理后通過顯示器顯示出來，實現(xiàn)時間閘門的時間測量。同時單片機對CPLD發(fā)出反饋信號，完成對CPLD計數(shù)清零、置位以及相關(guān)控制等操作。其中適配部件實質(zhì)上起到類似聲控開關(guān)的作用。

4 試驗結(jié)果

1)采用手動秒表卡時方式測量聲響式定時器，測量數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 測量數(shù)據(jù)

可以看出，在同一測量點的三次測量值極差為0.06～0.14s。手動秒表卡時校準方法的測量不確定度包含以下因素：1)由秒表引入的測量不確定度u1；2)啟動和停止時刻由人為因素引入的測量不確定度為u2；3)由秒表分辨率引入的測量不確定度為u3和由測量重復性引入的測量不確定度u4，取其較大值。

2)采用聲響式定時器校準裝置測量的數(shù)據(jù)如表2所示：

表2

對比表1和表2數(shù)據(jù)可以看出，聲響式定時器校準裝置的測量更穩(wěn)定，不確定度更優(yōu)。同時采用該校準裝置還能讓檢定人員在實際校準工作中擺脫錯過卡時時刻而造成重新檢定的困擾。

5 結(jié)論與展望

拾音器的選擇和適配部件的設計是該技術(shù)應用能否取得良好效果的關(guān)鍵所在。拾音器的選擇與環(huán)境場所密切相關(guān)，適配部件主要是將拾音器的信號轉(zhuǎn)化為控制電平，對于時間測量儀而言，它具有一個信號開關(guān)的作用，控制標準儀計時停止的時刻。適配部件的設計因標準設備的不同而不同，理論上具有電秒表測量功能的測量儀都可以配合類似設計的適配部件實現(xiàn)該校準技術(shù)的應用。

本文提出的校準技術(shù)是為了減小聲響式定時器校準過程中的人為因素，保證其校準準確性、可靠性而進行的一種探索和嘗試。該校準技術(shù)完成了停止時刻的自動同步，但是啟動同步仍然采用手動的方式。如何完成聲響式定時器的全自動測量還有進一步探索和討論的空間。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.17