摘 要

随着汽车工业的快速发展，汽车数量日益剧增，从而导致了城市中汽车噪声污染加重。汽车噪声不仅危害了人的身体健康，也影响了生活的质量。汽车车内噪声干扰着车主驾驶，影响了驾车的舒适性，危害了车主的身体健康，更严重的会导致交通事故。因此，测量车内噪声的大小和确定车内噪声的产生位置显得尤为重要。

本文主要研究了一种车内噪声测量模拟系统的设计，以实现噪声值的测量和噪声的定位。主要内容如下：

1.针对噪声测量与噪声定位，分析了噪声测量原理，确定了噪声的定位方案。声源定位是利用三个传感器离声源的距离不同，不同位置的传感器噪声值不同，从而大致确定声音的方位。

2.采取了以单片机为核心的硬件电路设计。针对硬件电路，对器件的型号进行了选择，同时设计了AD转换电路和显示电路。当噪声传感器接收到声音信号，声音信号经过AD转换电路，再送入到单片机处理，最后在LCD液晶屏上显示数据。

3.进行了以Labview为核心的上位机设计，同时编写了相应程序控制下位机的各个模块。下位机通过串口协议将数据发送到上位机中，上位机对数据进行处理、显示和存储。

本系统实现简单，噪声值测量精度高，也能基本确定声音的方位，基本上达到设计要求。

关键词：噪声测量；声源定位；单片机；虚拟仪器

Abstract

With the rapid development of the automotive industry, the number of automobiles has increased dramatically, which has led to increased noise pollution in the city. Car noise not only harms people's health, but also affects the quality of life. The car interior noise interferes with the owner's driving, which affects the comfort of the car and endangers the owner's health, and even more serious causes traffic accidents. Therefore, it is particularly important to measure the magnitude of noise in the vehicle and determine the location of noise in the vehicle.

This paper mainly studies the design of an in-car noise measurement simulation system to achieve noise value measurement and noise location. The main contents are as follows:

1. For noise measurement and noise location, the noise measurement principle was analyzed and the noise location scheme was determined. The sound source localization is to use three sensors to have different distances from the sound source, and the sensor noise values ​​at different positions are different, so as to roughly determine the sound azimuth.

2. Takes the hardware circuit design that takes the one-chip computer as the core. For the hardware circuit, the device model was selected, and the AD conversion circuit and the display circuit were designed. When the noise sensor receives the sound signal, the sound signal passes through the AD conversion circuit and is then sent to the single-chip processor for processing. Finally, the data is displayed on the LCD screen.

3. The host computer design with LabVIEW as the core was performed, and the corresponding programs were used to control the various modules of the lower computer. The lower computer sends the data to the upper computer through the serial protocol, and the upper computer processes, displays, and stores the data.

The system is simple to implement, the measurement accuracy of noise is high, and the orientation of the sound can be basically determined, basically meeting the design requirements.

Key Words：Noise measurement；sound-source positioning；MCU；virtual instrument

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究背景与意义 1

1.2 国内外的研究现状 1

1.3 汽车车内噪声源 2

1.4 课题研究的内容及章节安排 2

第2章 系统总体设计 4

2.1 系统方案设计与选择 4

2.2 系统总体框图 7

第3章 硬件电路设计 8

3.1元器件选型 8

3.1.1 传声器选型 8

3.1.2 A/D芯片选择 9

3.1.3 单片机的选型 11

3.1.4 显示模块选型 13

3.2 显示电路设计 15

3.3 STC自动烧录模块 16

第4章 软件设计 17

4.1 下位机软件设计 17

4.1.1 A/D转换程序流程图 18

4.1.2 串口程序设计流程图 20

4.1.3 LCD显示程序设计 21

4.2 上位机软件设计 22

第5章 系统测试与结果分析 27

5.1系统测试 27

5.2结果分析 28

第6章 总结与展望 29

6.1 设计总结 29

6.2 设计展望 29

参考文献 30

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

噪声是指不需要的声音。在当今世界，噪声已经成为了一种污染，严重地影响了人们的生活。控制噪声、保护环境已成为人们的共识。对噪声进行测量从而变得十分重要，因此噪声的测量在世界上具有举足轻重的地位。如果长时间受强噪音的刺激，将会导致听力丧失，甚至导致心血管系统、神经系统及内分泌系统等方面的疾病^[1]。

随着生活质量的提高，人们对汽车的要求也越来越高，因此每天影响着人们的汽车车内噪声也得到了更多的关注，毕竟人们每天与汽车打交道的时间很长。因此，车内噪声不仅成为车主头痛的对象，也是汽车厂商需要减少甚至消除的问题。汽车车内噪声影响着车主的身心健康，容易让人产生烦躁、疲劳、精神恍惚等情绪，当汽车行驶在马路上时，这些人的主观情绪往往是造成交通问题的原因。

为了人们的身心健康，对噪声进行测量就显得尤为重要。本设计是针对对噪声的大小与方位进行测量，当我们知道汽车车内噪声值的大小和方位时，可以判断此噪声是否会对人体造成伤害，并找到噪声产生的地方，进行相关处理，减少或消灭该噪声。

1.2 国内外的研究现状

国外在汽车噪声研究领域上领跑国内太多，噪声测量技术和噪声分析设备等都是比较先进的。声学在美国有较长的历史，拥有世界知名的声学专家，如Harris、Davis和Bolf等等。在几十所大学都开办了声学课，并从事大量的声学科研项目，至今已经培育了不少的声学人才，且美国声学学会是世界性的声学学会。日本由于经济的高速发展，人口的增长，车辆密度在日益增大，噪声污染十分严重，因此日本特别重视噪声污染问题，他们的噪声研究专家算是世界上高水平的，他们的各车辆制造厂家联合起来攻克减噪的技术难关，还经常派代表团到美国、西欧等国家调查车辆减噪的情况，因此目前日本的车辆车内减噪算是世界顶级的^[2]。目前，国外汽车噪声控制研究的重点已经转移到结构性振动噪声，所以，他们的研究进度是领先我们的。同时也加强了在轮胎噪声和发动机隔音罩的研究上，很多噪声控制的技术已经普遍应用于实际中。

国内的汽车噪声现阶段还在成长阶段，国内的声学人才通过各大学以及各种研究院的培养后也逐渐地崭露头角，为国内的交通噪声污染问题提供了巨大的帮助。国内各汽车厂商也不断向国外的先进厂商学习，不断完善了汽车车内噪声控制的研究方法。

总体而言，国内汽车噪声研究与国外相比还存在较大的差距，首先体现在噪声测量方法和噪声限值的法规上，国内对噪声污染的法规要求并没有国外的要求严格，国内噪声测量方法也大多集中在声强法识别汽车噪声^[3]。

1.3 汽车车内噪声源

根据声源的性质，汽车噪声可以大致上可以分为发动机燃烧噪声、空气动力性噪声、机构噪声和结构噪声^[5]。 具体概念如下;

发动机燃烧噪声：在汽车发动机缸内燃烧过程直接产生噪音。 空气动力性噪声：气体流动过程中产生的噪音，包括进气噪音和排气噪音。机构噪声：汽车内机构不稳定运作等造成的噪声。结构噪声：汽车内的结构受到激励，产生振动从而辐射出噪声，例如引擎盖和车身面板的噪音^[4]。

而影响汽车车内噪声的主要因素为：发动机噪音、胎噪和风噪。发动机产生的噪声是车内最主要的噪音来源，发动机产生的噪音与发动机的结构设计水平与厂家的制造工艺水平相关，越是高档的汽车，发动机一般上来说越好，噪声处理得越好，从而感受到的发送机噪音越小。一般的小汽车，尤其是开了好几年的车子，发动机噪音会逐渐增加。针对发动机噪声，可以利用一些简单的措施加以缓解：一些吸音材料可以粘在发动机罩下方，以吸收和消除来自发动机的大量噪音，同时抑制发动机罩的振动。胎噪包括驾驶期间轮胎与地面之间由轮胎胎面摩擦产生的声音、轮胎花纹中的气流与周围空气相互作用而产生的声音以及路况造成轮胎旋转振动的声音。无论什么类型的车辆，大多数车辆之间胎噪的差异不会很大。减少胎噪的最有效方法之一是尝试用特殊花纹和无声轮胎代替软胎。风噪声的原因在于，在车辆的高速行驶过程中，随着空气阻力增加，空气与车辆碰撞并压缩，并且在车辆的间隙和拐角处发生摩擦，导致噪音，所以风阻系数很小。风噪比较小。为了减少风噪声，可以试着在门内增加一层吸震橡胶和隔音棉，并且可以在天窗处更换密封胶带以获得更好的密封性能，以便观察它是否能够有效降低风噪声^[6]。

1.4 课题研究的内容及章节安排

采用软硬件结合的方式，巧妙结合单片机与虚拟仪器，设计一种车内噪声测量模拟系统。具体研究内容如下：

1. 分析汽车车厢内的噪声源，研究声源的测量与定位方法。
2. 以单片机为核心设计相应的噪声采集电路。
3. 以虚拟仪器为核心进行噪声数据的采集及定位处理。

章节安排如下：

第1章，绪论。介绍了课题研究背景及意义、汽车噪声国内外研究现状和汽车车内噪声源，最后介绍了本文的主要研究工作。

第2章，系统总体设计。分析了系统总体设计方案，研究了定位原理，并对比方案，进行方案的确定，介绍了系统的各模块功能。

第3章，硬件电路设计。介绍了本设计中元器件的选型和各元器件起到的作用，以及电路的设计。

第4章，软件设计。主要分析了下位机模数转换程序、串口程序和显示程序的软件流程图以及上位机的具体设计。

第5章，系统测试与结果分析。研究了系统的可行性与误差分析。

第6章，总结与展望。对系统的设计工作进行了总结，同时总结了硬件系统和上位机部分存在的不足之处，并给出了可改进的地方。

第2章 系统总体设计

系统总体上分为硬件部分和软件部分，硬件部分负责接收声音信号，软件部分负责处理信号。通过对车内噪声源的分析，可知噪声源是立体的，但是我的重点是分析噪声源从哪个区域传来的，因此将三维空间的定位简化为二维空间的定位。

2.1 系统方案设计与选择

为实现本设计的基本要求，我设计了如下两种方案：

方案1：根据声音强度检测来对声源定位，采用三个噪声传感器接收声音信号，不同距离的声源传到声音接收器的信号强度不同，根据信号强度进行AD采样，经过单片机和上位机处理，显示出不同的噪声值，比较出噪声值的大小，可辨别出哪一个传感器距离声源近，从而可以判断出声源方位。

如图2-1所示，三个传感器分别对应C1、C2和C3三个点。以等边三角形中心o为判断声源方位的起点。

C1

.0

C2

C3

图2-1 噪声传感器布位

当声源靠近C1时，C1处的噪声传感器接收到的声音信号最强，也就是声源此时在OC1这个方向上；同理，当声源靠近其他位置时也如此。

方案2：根据声音传输时间差来对声源进行定位，声音从声源传到三个不同接收器的时间不同，针对不同接收时间进行精确计算，以判断出声源距离不同接收器的位置差，进而对声源进行定位。下面分析一下基于时间差的声源定位系统^[7]。

图2-2平面声源定位

如图2-2所示，在平面上分布三个传感器A，B和C坐标分别为(-a，0)，(a，0)和(x₃,y₃) 。当声音在S(x，y)发出声音时，三个传感器将依次接收信号。假设信号到达A与 B的时间差为，到达A与C的时间差为，到达B与C的时间差为，则声源的位置应当在到A和B两点的距离差为的曲线和到A和C两点的距离差为的曲线上，确定两条曲线的交点就以确定声源所在的位置。显然，3个时间差可得出3条双曲线。因为实验中存在误差，所以三条条曲线不会在一个点上相交，而是两两相交存在三个交点。求解3个交点的坐标的推导过程如下。设A(-a，0)，B(a，0)，C（x₃,y₃），S(x，y)^[8]。

3条曲线的方程分别如下：

(2.1)

(2.2)

(2.3)

由式(2.1)可以得到：

(2.4)

由式(2.2)可以得到：

(2.5)

由式(2.4)和式(2.5)可以得到：

(2.6)

令：

(2.7)

式(2.6)简化为，将式代入(2.4)中得：

(2.8)

令：

(2.9)

将式(2.8)化简为：

(2.10)

方程有解的条件：

(2.11)

由于在求解过程中扩大了根的取值范围，因而舍去负根得：

(2.12)

方案2是通过时间差进行声源定位的，且时间差测量定位的准确性在很大程度上取决于到达时间的测量和传感器的准确性。虽然理论精确度高，但系统受限于器件，环境中存在较大干扰，且现实中声音到达不同接收器的时间很短，因此单片机很难处理时间差，所以是很难计算出时间差的，此方案十分难以实现。

而方案1相比于方案2就简单许多，把三个传感器排成正三角形，声源在三角形内的某一处位置时，离声源近的传感器接收的噪声强度最强，也就是声源在该传感器所在的方位，因此只要知道那个传感器的噪声值大，便能知道声源的大致方位。虽然这种定位方式粗略，但已经达到本设计的定位要求了。总体来说，该方案一在设计上容易实现，因此本设计采用方案1。

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