基于工程设计的消音系统设计

引 言

风机、水泵等各类声源设备在运行时，噪音的声压级很大，这对周围的生活环境和工作环境影响重大。通过研究调查表明，该类噪音主要集中在低频、中频范围内，大约为50 Hz ～ 500 Hz。因此，该消音系统主要利用电子设备产生一个与原来声压大小相等、相位相反的声波，使其在一定频率范围内与原来的声场相抵消。这种消音系统是一套由传声器、放大器、相移装置、功率放大器和扬声器等组成的仪器装置。应用相移器进行第一级消音，该相移器主要由相移模块组成， 以 IAP15F2K61S2 单片机为核心及外围A/D 和D/A 模块等电子电路组成第二级消音装置。这两级消音系统的设计主要包括软件设计和硬件电路设计两部分，最后通过仿真实验进行性能调试，最终证实该系统具有良好的消音效果，体现了其较好的应用价值。

消音系统设计

设计原理分析

本系统消音设计依托声波的干涉现象进行理论建模。当频率相同、振动方向平行、相位相同或相位差恒定的两列波相遇，使其中某些地方振动始终加强，而使另一些目的地振动始终减弱。若能达到两波相位差 φ=（2k+1）π，并且当这两波的波程差 ξ=（2k+1）π/2 时，波的振动出现始终减弱的现象。实现消音效果时尽量需要满足 φ=（2k+1）π，ξ=（2k+1） π/2 两个条件。

系统架构

系统的设计主要包括软件程序设计和硬件电路设计两大主体部分。采用多模块结合的分支汇合技术，使系统设计结构更加简单明了，合理高效。系统模型主要由噪音发生源模块、反相器模块、单片机处理模块等组成。其中噪声源发生模块相当于机器运行时的声源，传音器对噪声进行样本拾取，通过反相器模块的放大和自适应调试，输出一级消音的频率带次级声源，再经过单片机处理模块调节参考信号增益和误差信号增益，从而达到噪音各频率段出现明显衰减的效果，实现最终的消音目的。图 1 所示为系统简单架构图。

2 硬件部分

IAP15F2K61S2 单片机核心模块的外围模块包括电源模块、信号放大模块、信号反相模块、AD 模块、DA 模块等功能模块，该消音器系统硬件结构框图如图 2 所示。

以下为系统硬件结构分析：

(1) 电源模块。使用 LM7812、LM7805线性稳压芯片转换得到的直流电压存在杂波，会对本系统造成干扰。所以曾经尝试使用开关电源芯片以消除电压杂波对本系统消音效果的影响，但效果不明显。综合考虑，决定采用电路较为简单的LM78XX 系列线性稳压芯片来构成电源模块。

(2) 声音传感器。该部分主要由传声器和超声波传感器组成，其功能是对声波的采集和处理后的反馈信号进行输出。

(3) 反相器模块。该模块的工作电压为直流 12V电压， 声音传感器采集的信号经过一级放大器放大后再经过移相器产生一个与噪音信号相位相反，幅值相同的交流信号，进行第一次消音。

(4) 单片机处理模块。该模块由单片机控制，包含放大器、A/D 和D/A 模块，信号通过另一放大器进行一级放大，之后传入A/D模块，使模拟信号转化为数字信号，经单片机处理后（详细处理见下面程序设计部分），产生相位相反，幅值相同的数字信号经D/A模块输出，转化为模拟信号进入管道， 进行第二次消音。

通过以上描述可见，在硬件部分设计中，采用分支模块单独调试后，再进行系统合并，整体运行调试，有利于对消音系统产生过程的进一步剖析，便于设计过程的操作和对过程中所遇障碍的分析，是比较科学高效的方法。

3 软件部分

本系统的总体架构程序流程图如图 3 所示。结合硬件部分设计程序，图 4 所示为单片机最小系统原理图。

4 仿真实验与结果分析

为了测试本文设计的消音系统在实现消音过程中的性能，进行了实验仿真。本实验分析使用 Protues、Cool Edit Pro 数 字编辑器等软件，消音系统采用 220 V 电压供电，工作电流为 1.5 A，仿真中参数设置主要为噪声源频率、噪声源幅值、经 消音后的噪声幅值。仿真的实验参数见表 1 所列。

根据上述仿真环境和参数设计，进行仿真测试，得到最终的消音结束波形界面，消音前后的波形如图 5 与图 6 所示。

从实验可见，采用本文设计的消音系统，最终可达到消 音的效果，改善机器工作时的噪音环境，该系统造价低实用 性强，可以投入使用。

5 结 语

本文提出的是基于工程设计的消音系统设计方法。目 的是实现高效消音系统的整体设计，而本系统的设计主要 包括软件程序设计和硬件电路设计两大部分，并通过仿真 实验进行其消音性能的验证。最终的实验结果表明，采用 IAP15F2K61S2 单片机为核心，结合相移器二级消音的系统， 能够有效降低机器工作时的噪音，保持自身工作状态平稳运行， 各功能模块相互配合良好，可实现自适应消音效果。本设计性 能优越，系统结构简单，性价比较高，具有较好的应用价值。