基于單片機設(shè)計的便攜式超聲波水聲聲壓計設(shè)計

　　隨著水下超聲波技術(shù)的發(fā)展,在很多應(yīng)用場所提出了測試其聲強的需要。我們采用CS-3型水聽器設(shè)計便攜式超聲波聲壓計。

　　系統(tǒng)設(shè)計

　　設(shè)計目標(biāo)要求:實現(xiàn)15-45kHz超聲波聲壓、聲強的測量。測量的范圍是0-10個大氣壓(或聲壓級范圍：30-120dB)。測量的誤差為在總體的頻率范圍內(nèi)大小3dB,對單一頻率小于1dB。

　　CS-3型水聽器的特性是在10-100kHz,其M參數(shù)的不一致性小于3dB。M參數(shù)是指水聽器受單位聲壓的作用而產(chǎn)生的輸出電壓,單位是V/Pa。用分貝表示的M參數(shù)是：

　　M(dB )=20log(M/Mo),其中Mo為參考聲壓Mo=1V/礟a。

　　聲強I=P2 /(r*C),其中P為聲壓,C為聲速,r為密度。

　　為滿足設(shè)計的目標(biāo),需進(jìn)行測量誤差分析。

　　對應(yīng)于在為30-120dB的聲壓級,在流體中的聲強為：

　　I=P*V*cosy

　　自由場中聲強為：

　　I=P2/(r*C)

　　聲強級的表達(dá)式為：

　　I=10log(I/Io)

　　其中Io為10-12 (W/m2),在自由聲場中聲壓級與聲強級近似相等。

　　從而可得出(在近似測量中)聲強級的不一致性對應(yīng)于M參數(shù)的不一致性小于3dB。

　　從而得出：不必進(jìn)行頻率校正,聲壓、聲強的不一致性可以滿足要求。

　　由于一般測的是有效聲壓,為平均值,所以測量的精度相比起來比較容易實現(xiàn)。跟隨、放大、濾波、峰值和頻率檢測,產(chǎn)生誤差主要在濾波、峰值和頻率檢測。我們所設(shè)計的濾波通帶不穩(wěn)定度為1dB、峰值檢測的誤差小于1dB,但通過進(jìn)行頻率的檢測,和時間的平均,進(jìn)行軟件和硬件的補償可以使誤差較好的滿足要求。

　　根據(jù)上面的分析,考慮到超聲波測量的特點,系統(tǒng)框圖示于圖1。其中預(yù)加重考慮隔直和系統(tǒng)頻率特性。

　　 圖1 系統(tǒng)框圖

　　 圖2 高通濾波電路