次声波检测装置的研制
次声波检测装置的研制
李晓，郑伟，陈洪波
中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 （221008）
E-mail：
摘 要：次声波是信息领域中值得研究的一种信号，次声波的信息获取需要相应的检测装置。本文介绍了以电容式次声波传感器检测次声波的原理、特性分析和信号处理方法，设计了以89S51单片机为核心的智能型次声波检测装置，对系统软硬件设计进行了详细的说明。该检测装置结构简单，灵敏度高，抗干扰能力强，可广泛应用于自然灾害和环境次声的探测与研究。
关键词：次声波；电容式次声传感器；检测 中图分类号：TP
0. 前言
声音是由物体振动而产生的弹性波，并能引起听觉的声波，只是它的大小取决于振动的频率和幅度。人耳所能接收的频率范围为20Hz～20kHz。凡超过20kHz的声音信号叫超声波， 而低于20Hz的声音信号称亚声波或次声波，次声波具有能量大、不易损失、易于接收等优点。传播距离也比一般的声波、光波和无线电波都远[1]。本文利用次声波产生的空气微压波动改变电容传感器参数来测量次声波，设计以单片机为核心部件的智能化次声检测仪。此装置结构简单，灵敏度高，抗干扰能力强，可广泛应用于自然次声（地震、火山喷发、流星爆炸、太阳磁暴、山体滑坡、台风、雷暴、晴空湍流、风暴等产生的次声）和人工次声（核爆、火箭发射、火炮、飞机、运载工具、电站、水坝、大桥、高楼、地铁、制冷机等产生的次声）的探测与研究。
1．电容式次声传感器
次声传感器，是以电筒传声器为核心构成的。其原理属于电容传感器，它将次声声能转换为可供放大、传输、记录或分析的电信号，输出的信号可以直接记录或是A/D转换后供计算机分析处理。频率响应为0.01～10Hz，灵敏度为400mv/Pa，噪声级低于最小基准噪声级（1Hz时约为5mPa）18dB，动态范围为108dB，工作温度范围-10℃～45℃之间。
图1 传感器频响曲线图
Fig1 Frequency response curve of the sensor
次声波传感器频率响应为劲度控制，系统的高频限由系统的劲度（弹性的倒数）控制。对于劲度控制系统，在第一共振频率以下，可以有平直的响应，其下限频率很容易做得很低，甚至为零赫兹；同时可以抑制较高频率声波的影响，可以控制声波上限在20赫兹[2]。根据对次声波的试验数据分析，研究通过调整劲度控制，使次声波传感器的频率范围在一定的范围内，从根本上消除其它非相关声波的干扰；此外，使膜片工作于弹性区，不会因为外界影响（如温度，时间等）改变其弹性，这样，即可以确保传感器的系统劲度恒定，从而确保其长期稳定性；为了抑制振动对次声波传感器的干扰，一方面研究次声波的最佳安装位置，使膜片与地平面垂直；另一方面还可以采用微振传感器进行补偿；使传感器有很好的抗干扰性能[3]。
在电容式次声传感器中，是采用调幅原理测量换能用电容传感器的慢变化。其方法是把电容传感器作为电容电桥的一臂，当输入一等幅高频电压时，输出端即可得到受电容变化调制的调幅波，调幅波经电压放大后送入调节器，就可得到低频电信号。电容电桥调幅原理等效电路图如图2所示，
图2 电容电桥调幅原理 Fig2 Capacitance bridge AM Principle
根据上图可以写出各参量的关系式：
U0=
U1(C0)22+ CC0 (1)
式中 U1——高频信号源电压 U0——输出端电压 C0——电容传感器的电容
c——由电压信号作用引起C0的变化量
从（1）式可以看出，U0与（△C/C0）的关系是非线性的。它与线性关系的偏差e为：
u(C0)e=142+ CC02
（2）
如设e与线性关系的比值为K，则得：
K=
(C0)≤(CC0)2+ CC02
（3）
根据（3）式可以决定，在允许-偏差范围内电容传感器的变化范围[4]。这一结论不仅在理论上解决了电容传感器的允许偏差范围，而且可提供在以后的调试时作为检测和调试的依据方法。
2．系统硬件设计
检测装置采用89S51单片机作为智能处理芯片，传感器检测到的信号经数模转换器后直接与单片机相连，由89S51进行数据处理。数模转化器采用ADC0809是8位MOS型逐次逼近式A/D转换器，具有速度快、灵敏度高的特点。用于实验的次声波检测记录仪的设计原理如图3，
图3 次声波检测记录仪设计原理图 Fig3 Infrasound detection recorder design schematics
本检测装置采用89S51单片机作为智能处理芯片，由于自然界中存在的大量次声和低频声波对系统有干扰，如大风等，因此本文将一个低通滤波电路接在图2所示的传感器电路后面，滤掉干扰声波，提高系统的信噪比。滤波有软件滤波和硬件滤波，本文选择硬件滤波。经滤波后的检测信号送往ADC0809的IN0通道进行模数转换，ADC0809直接与89S51接口进行数据传递，由89S51单片机实现数据处理，将处理结果放入外部存储器中，并在数码管上显示数值，考虑到输入电压异常波动会影响数码管显示，可在数模转换前加一个RC滤波，实验表明，加RC滤波以后数码管数据显示比不加RC滤波之前稳定了许多。本装置也可以实现监测功能，那就是再由单片机控制一个报警系统来实现[5]。 硬件电路原理：
图4 系统硬件原理图 Fig4 System hardware flow chart
3．系统软件设计
系统的软件设计主要是通过对单片机进行编程，进行数据的采集、转换处理和存储，通过设置和修改参数，进行不同的采集，存储和计算。由于ADC0809的转换时间即为100us，本系统选择通过采用定时中断T0定时1ms的方法设置模数通道的采样频率，即每经过1ms定时中断一次，同时显示模块自动刷新数据一次，并通过编程将ADC0809转换所得二进制数据转换成十进制数据，在数码管上动态循环扫描显示。 软件流程图如下图所示
图5 软件流程图 Fig5 Software flow chart
4．结束语
次声波在声学探测方面还是一个比较新的领域，本文在基于电容式次声传感器设计的次声波检测装置抗干扰能力强且稳定性比较好，既可以作为便携式次声检测仪使用，也可以作为次声探测系统的数据采集模块。装置中采用单片机进行数据处理，提高了检测精度，并使其功能多样化、智能化。
参考文献
[1] 童娜.次声的特点及其应用[J].声学技术,2003,22(3):199~202
[2] 王长海,韩奎侠,王飞.双电容式次声接收器的设计[J].核电子学与探测技术,2003,23(2):172~175 [3] 蒋灏,夏雅琴.地震预报中次声波声源方向的研究[D].北京:北京工业大学,2002 [4] 史习智.信号处理与软件计算[M].北京:高等教育出版社,2003 [5] 胡汉才.单片机原理及接口技术[M].北京:清华大学出版社,2004
The development of infrasound detection device
Li Xiao，Zheng Wei，Chen Hongbo
School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，
Xuzhou，Jiangsu，PRC (221008) Abstract
Infrasound is a signal worth studying in the field of information. The acquisition of acoustic information requires a corresponding detection device. This paper introduces the principle, character analysis and signal processing methods of infrasound based on a kind of capacitive infrasound sensor. This paper introduces a intelligent infrasound detection device at the core of 89S51, and gives the design of hardware and software system based on a kind of capacitive sensor in detail. The detection device can be applied to natural disasters and environmental infrasound detection and research for its simple structure,high sensitivity, and strong interference.
Keywords：infrasound；capacitive infrasound sensor；detection