一種智能環(huán)境噪聲與振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置及監(jiān)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種智能環(huán)境噪聲與振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置及方法，在滿足常用聲級(jí)計(jì)或統(tǒng)計(jì)分析設(shè)備測(cè)量環(huán)境噪聲及其道路交通噪聲指標(biāo)的同時(shí)，可以利用推薦設(shè)備或者系統(tǒng)在測(cè)出噪聲的多個(gè)指標(biāo)值的同時(shí)，換算出監(jiān)測(cè)期間道路交通的等效車流量和車速等參數(shù)，將為道路交通噪聲的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查提供很大的便利,同時(shí),還可以依托FPGA嵌入式系統(tǒng),不斷延伸與環(huán)境噪聲同步檢測(cè)的其他功能,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化。
【專利說(shuō)明】一種智能環(huán)境噪聲與振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置及監(jiān)測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及交通工程、環(huán)境工程交叉的【技術(shù)領(lǐng)域】，一種能夠同時(shí)監(jiān)控道路交通流 量、流速和噪聲影響的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，特別涉及一種智能環(huán)境噪聲與振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置及監(jiān)測(cè) 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 為了研究高速公路、國(guó)省道公路、城市道路交通噪聲的影響，在有關(guān)環(huán)境監(jiān)測(cè)的 技術(shù)規(guī)范與方法中，除了必須監(jiān)測(cè)環(huán)境噪聲的20分鐘以及連續(xù)24小時(shí)晝夜等效連續(xù)噪聲 級(jí)、統(tǒng)計(jì)聲級(jí)等影響與污染指標(biāo)外，還需計(jì)量發(fā)生噪聲當(dāng)時(shí)的車流量和車速等交通狀況指 標(biāo)。而這一要求一般需要一些額外的設(shè)備，如錄像設(shè)備、測(cè)速雷達(dá)等，導(dǎo)致了監(jiān)測(cè)成本和復(fù) 雜性的增加；應(yīng)用人工的方法數(shù)數(shù)計(jì)量車流量，隨著要求監(jiān)測(cè)時(shí)間變長(zhǎng)，可造成人員工作量 過(guò)于沉重，而且無(wú)法測(cè)出變化中的道路平均車速。而路邊交通噪聲實(shí)際上與道路的車流量、 車速、車種、離開測(cè)點(diǎn)的距離等因素有關(guān)，并呈規(guī)律的量化關(guān)系，本發(fā)明提出通過(guò)這種關(guān)系 和路邊噪聲的測(cè)量值，來(lái)實(shí)現(xiàn)反演量化關(guān)系中參數(shù)的方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)期望參數(shù)數(shù)值的推 斷。同時(shí)，通過(guò)應(yīng)用基于FPGA的可重構(gòu)智能儀器的概念，針對(duì)目前環(huán)境噪聲測(cè)試儀器在生 產(chǎn)定型后，可解決功能不能改變、維護(hù)費(fèi)費(fèi)用過(guò)高、資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。
[0003] 環(huán)境噪聲的測(cè)量、評(píng)價(jià)和管理與控制包括了工業(yè)噪聲、交通噪聲、社會(huì)噪聲以及施 工作業(yè)噪聲等四大部分。隨著城市規(guī)劃的日趨合理，工廠企業(yè)被集中道路交通噪聲評(píng)價(jià)是 環(huán)境噪聲評(píng)價(jià)中的重要組成部分，其確定方法包括監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)的方法，實(shí)測(cè)的方法切實(shí)可 靠，但需避開人為、非關(guān)注因素的干擾。預(yù)測(cè)的方法一般針對(duì)尚處于規(guī)劃階段的項(xiàng)目，可以 預(yù)測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)，即存在規(guī)律性的量化關(guān)系，只要模型和參數(shù)選著合理，預(yù)測(cè)結(jié)果相比實(shí)測(cè) 值可以達(dá)到相當(dāng)?shù)亟咏?br> [0004] 目前，道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型，根據(jù)評(píng)價(jià)因子的不同，存在兩大類模式，一類是美 國(guó)的FHWA的La6q評(píng)價(jià)量的交通噪聲預(yù)測(cè)模型，由于我國(guó)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)是以Lami為評(píng)價(jià)量，因此 在我國(guó)有較多的應(yīng)用，包括我國(guó)交通部推薦的公路模式也是在該模型形式上的演化，可同 時(shí)適用于不同車流量條件；另一類是英國(guó)的Ln評(píng)價(jià)量的C0RTN88的交通噪聲預(yù)測(cè)模型，主 要被英國(guó)、澳大利亞、新西蘭等國(guó)所應(yīng)用，這些國(guó)家的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)是以Lltl為評(píng)價(jià)量，主要適用 于大車流量和非連續(xù)小車流（通過(guò)修正的方法）。相比文獻(xiàn)中大量研究和應(yīng)用的各類道路 交通噪聲預(yù)測(cè)方法和模型，兩類模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷，多年被多國(guó)大量應(yīng)用于實(shí)際道路交通噪聲 的相關(guān)工作和檢驗(yàn)，具有良好的可靠性。
[0005] 本發(fā)明將應(yīng)用FHWA和CORTN模型，建立路邊道路交通噪聲與道路的車流量、車速、 車種、離開測(cè)點(diǎn)的距離等因素的量化規(guī)律關(guān)系，在監(jiān)測(cè)道路交通噪聲的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)監(jiān)測(cè) 值反演道路的車流量、車速的目標(biāo)。所述方法通過(guò)一種智能環(huán)境噪聲與振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置予以 實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步地，類比確定車流量車速的概念，還可開發(fā)其他的目標(biāo)參數(shù)及功能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明應(yīng)用FPGA技術(shù)，提出一種智能環(huán)境噪聲與振動(dòng)監(jiān)測(cè) 裝置及方法，在滿足常用聲級(jí)計(jì)或統(tǒng)計(jì)分析設(shè)備測(cè)量環(huán)境噪聲及其道路交通噪聲指標(biāo)的同 時(shí)，可以利用推薦設(shè)備或者系統(tǒng)在測(cè)出噪聲的多個(gè)指標(biāo)值的同時(shí)，換算出監(jiān)測(cè)期間道路交 通的等效車流量和車速等參數(shù)，將為道路交通噪聲的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查提供很大的便利。同時(shí)，還 可以依托FPGA嵌入式系統(tǒng)，不斷延伸與環(huán)境噪聲同步檢測(cè)的其他功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能 化。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] -種智能環(huán)境噪聲與振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，包括噪聲傳感器、振動(dòng)傳感器，采樣電路以及 控制電路；所述采樣電路對(duì)噪聲傳感器、振動(dòng)傳感器進(jìn)行信號(hào)采樣后將通過(guò)信號(hào)調(diào)理、模數(shù) 轉(zhuǎn)換電路，將數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)帶cpu、內(nèi)存和控制器的控制電路，分別輸入FPGA電路和所述控 制電路，通信電路連接所述控制電路，所述通信電路集成有I/O接口與電路、RS23接口與電 路、USB接口與電路和無(wú)線通訊接口與電路；所述FPGA電路連接所述控制電路并受其控制。 [0009] 進(jìn)一步的，還包括顯示電路和輸入電路，所述顯示電路和輸入電路連接控制電路。
[0010] 進(jìn)一步的，所述FPGA電路包括信號(hào)處理任務(wù)集部和功能單元集部，所述信號(hào)處理 任務(wù)集部包括環(huán)境噪聲評(píng)價(jià)量測(cè)量模塊、頻譜分析測(cè)量模塊、道路交通噪聲參數(shù)測(cè)量模塊； 所述功能單元集部包括常規(guī)聲級(jí)計(jì)算模塊、時(shí)間平均聲級(jí)計(jì)算LAeq模塊、統(tǒng)計(jì)聲級(jí)計(jì)算L 模塊、倍頻程分析模塊、1/3倍頻程分析模塊、FFT模塊、車流量測(cè)量模塊、車速測(cè)量模塊、分 類車種比例分析模塊；所述環(huán)境噪聲評(píng)價(jià)量測(cè)量模塊用于計(jì)算常規(guī)聲級(jí)、時(shí)間平均聲級(jí)計(jì) 算LAeq、統(tǒng)計(jì)聲級(jí)計(jì)算Ln的數(shù)據(jù)；所述頻譜分析測(cè)量模塊用于計(jì)算倍頻程頻譜、1/3倍頻程 頻譜、FFT頻譜的數(shù)據(jù)；所述道路交通噪聲參數(shù)測(cè)量模塊用于測(cè)量計(jì)算車流量、車速、分類 車種比例等的數(shù)據(jù)。
[0011] 一種智能環(huán)境噪聲與振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟：
[0012] 41)采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算處理：
[0013] 定義A聲級(jí)：用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測(cè)得的聲壓級(jí)，用LA表示，單位dBA

【權(quán)利要求】
1. 一種智能環(huán)境噪聲與振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，包括噪聲傳感器、振動(dòng)傳感器，采 樣電路以及控制電路；所述采樣電路對(duì)噪聲傳感器、振動(dòng)傳感器進(jìn)行信號(hào)采樣后將通過(guò)信 號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)帶CPU、內(nèi)存和控制器的控制電路，分別輸入FPGA 電路和所述控制電路，通信電路連接所述控制電路，所述通信電路集成有I/O接口與電路、 RS23接口與電路、USB接口與電路和無(wú)線通訊接口與電路；所述FPGA電路連接所述控制電 路并受其控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能環(huán)境噪聲與振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，還包括顯 示電路和輸入電路，所述顯示電路和輸入電路連接控制電路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能環(huán)境噪聲與振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述FPGA 電路包括信號(hào)處理任務(wù)集部和功能單元集部，所述信號(hào)處理任務(wù)集部包括環(huán)境噪聲評(píng)價(jià)量 測(cè)量模塊、頻譜分析測(cè)量模塊、道路交通噪聲參數(shù)測(cè)量模塊；所述功能單元集部包括常規(guī)聲 級(jí)計(jì)算模塊、時(shí)間平均聲級(jí)計(jì)算LAeq模塊、統(tǒng)計(jì)聲級(jí)計(jì)算L模塊、倍頻程分析模塊、1/3倍頻 程分析模塊、FFT模塊、車流量測(cè)量模塊、車速測(cè)量模塊、分類車種比例分析模塊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能環(huán)境噪聲與振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述環(huán)境 噪聲評(píng)價(jià)量測(cè)量模塊用于計(jì)算常規(guī)聲級(jí)、時(shí)間平均聲級(jí)LAeq、統(tǒng)計(jì)聲級(jí)Ln參數(shù)的數(shù)據(jù)；所 述頻譜分析測(cè)量模塊用于計(jì)算倍頻程頻譜、1/3倍頻程頻譜、FFT頻譜參數(shù)的數(shù)據(jù)；所述道 路交通噪聲參數(shù)測(cè)量模塊用于測(cè)量計(jì)算車流量、車速、分類車種比例參數(shù)的數(shù)據(jù)。
5. -種智能環(huán)境噪聲與振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟： 1)采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算處理： 設(shè)A聲級(jí)：用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測(cè)得的聲壓級(jí)，用LA表示，單位dBA，按以下公式計(jì)算出每幀 的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)數(shù)值：
式中，Lpj為對(duì)應(yīng)j中心頻率的聲級(jí)值，單位dB ;Aj為對(duì)應(yīng)j中心頻率的A計(jì)權(quán)修正值， 單位dB ;j為頻譜的中心頻率值，單位Hz ; 等效連續(xù)A聲級(jí)為等效聲級(jí)，用LAeq，T表示簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)eq，單位dBA，等效聲級(jí)表示為：
式中：La為t時(shí)刻的瞬時(shí)A聲級(jí)，dB ;T為規(guī)定的測(cè)量時(shí)間，s ; 當(dāng)采樣測(cè)量，且采樣的時(shí)間間隔一定時(shí)，公式（2)表示為：
式中：Lm為第i次采樣測(cè)得的A聲級(jí)，dB ;n為采樣總數(shù)，單位個(gè)； 晝間等效聲級(jí)、夜間等效聲級(jí)：在晝間時(shí)段內(nèi)測(cè)得的等效連續(xù)A聲級(jí)稱為晝間等效聲 級(jí)，用Ld表示，單位dBA ;在夜間時(shí)段內(nèi)測(cè)得的等效連續(xù)A聲級(jí)稱為夜間等效聲級(jí)，用Ln表 示，單位dBA ; 晝間等效聲級(jí)為：
式中：LAi為晝間第i小時(shí)的等效聲級(jí)，dB ; 16為晝間規(guī)定的6:00?22:00測(cè)量時(shí)間， 單位h;夜間等效聲級(jí)為：
式中：Liu為夜間第j小時(shí)的等效聲級(jí)，dB ;8為夜間規(guī)定的22:00?次日6:00測(cè)量時(shí) 間，h ; 晝夜等效聲級(jí)：考慮到噪聲在夜間比晝間對(duì)人工干擾更大，故計(jì)算晝夜等效聲級(jí)時(shí)，需 要將夜間等效聲級(jí)加上IOdB后再計(jì)算；晝夜等效聲級(jí)為：
對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，累積百分聲級(jí)：、指占測(cè)量時(shí)間段一定比例的累積時(shí)間內(nèi)A聲 級(jí)的最小值，用!^表不，單位為dBA ; L1為在測(cè)量時(shí)間內(nèi)有1 %的時(shí)間A聲級(jí)超過(guò)的值，相當(dāng)于噪聲的最大峰值； L5為在測(cè)量時(shí)間內(nèi)有5%的時(shí)間A聲級(jí)超過(guò)的值，相當(dāng)于噪聲的次峰值； Lltl為在測(cè)量時(shí)間內(nèi)有10%的時(shí)間A聲級(jí)超過(guò)的值，相當(dāng)于噪聲的平均峰值； L5tl為在測(cè)量時(shí)間內(nèi)有50%的時(shí)間A聲級(jí)超過(guò)的值，相當(dāng)于噪聲的平均中值； L9tl為在測(cè)量時(shí)間內(nèi)有90%的時(shí)間A聲級(jí)超過(guò)的值，相當(dāng)于噪聲的平均本底值； L95為在測(cè)量時(shí)間內(nèi)有95%的時(shí)間A聲級(jí)超過(guò)的值，相當(dāng)于噪聲的次本底值； L99為在測(cè)量時(shí)間內(nèi)有99%的時(shí)間A聲級(jí)超過(guò)的值，相當(dāng)于噪聲的最小本底值； 求各測(cè)點(diǎn)每小時(shí)的評(píng)價(jià)參數(shù)!^、!^、!^、!^、!^、!^、!^、!^，將所有監(jiān)測(cè)得的數(shù)據(jù)從大至 最小加以排列后取得； 標(biāo)準(zhǔn)偏差：樣本數(shù)據(jù)相對(duì)于平均值的離散程度，即與平均值之方差，用S或SD表示，dB 其計(jì)算公式為：
式中：I為某組合某一樣本的算術(shù)平均值，dB ;Li為某組合某一樣本的第i個(gè)數(shù)據(jù) 值，dB ;n為采樣數(shù)，單位為個(gè)； 在規(guī)定的測(cè)量時(shí)間段內(nèi)或?qū)δ骋华?dú)立噪聲事件，測(cè)得的A聲級(jí)最大值，用Lmax表示，單 位 dBA ; 每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量20min等效聲級(jí)Leq,記錄累計(jì)百分聲級(jí)Lp L5、L1(l、L5(l、L9(l、L 95、L99、Lmax、 Lmin和標(biāo)準(zhǔn)偏差SD，分類記錄車流量； 所述分類車為根據(jù)大、中、輕型車輛類型的劃分； 2)將處理后的采樣數(shù)據(jù)提取被測(cè)道路車流量和車速： 建立標(biāo)準(zhǔn)的FHWA模型： 用下列公式（8)?（9)來(lái)表示：
式中，是i類汽車在時(shí)間t內(nèi)的每小時(shí)等效聲級(jí)，單位dB ; (Ltl)ei，是i類汽車的 平均聲音輻射能，單位dB ;Ni(t)是i類汽車在時(shí)間T(Ih)內(nèi)通過(guò)指定測(cè)試點(diǎn)的車流量；汽 車分類i包括：輕型車時(shí)，i = 1，中型卡車或公共汽車時(shí)，i = 2,大型或者重型汽車時(shí)，i = 3 ，是汽車噪聲輻射的參考距離，取Dtl = 15m ;D，是車道中心線到測(cè)量點(diǎn)的垂直距離，單 位m ;Si(t)，汽車的平均速度，單位km/h ;TT，等效聲級(jí)計(jì)算時(shí)間，Ih ;a，植被覆蓋系數(shù)，它是 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地面條件，指觀察點(diǎn)與道路之間地面覆蓋物的聲學(xué)吸收特性，a = O或a = 0. 5 ; 〇a，是給定長(zhǎng)度的道路校正函數(shù)，m、V2是可視道路相對(duì)于道路垂直線的張角；AS是噪 音隔離因子，單位dB;
不同類型汽車i的L^1值參數(shù)是按照順序疊加的，不同汽車分別有不同的L^1值，小車 用LeqAu表不，中型車用LeqMT表不，大車用Leqm表不； (L)EiQ即聲源強(qiáng)度如下所示：
實(shí)際交通車流的等效聲級(jí)模型是通過(guò)疊加各種的車流過(guò)后得出，如果車型分為輕型 汽車、中型貨車和重型貨車：
建立標(biāo)準(zhǔn)的CORTN模型： 用下列公式（11)?（14)表示： L10 (18h) = 26. 5+10 X Ig (q) +33 X Ig (v+40+500/v) +10 X Ig (l+5p/v) -68. 8 +0. 3XG+10Xlg(A/180)-10Xlg(D/13. 5) +FX5. 2Xlg((6H-l. 5)/(d+3. 5))+1. 65Xlg(P/R) +5. 57 X C (0. 77-lg (S/v)) -3. 4X (11) L10(Ih) = L10 (h)/18 (12) L10(20min) = L10 (Ih)/3 = L10(18h)/54 (13) L10(15min) = L10 (Ih)/4 = L10 (18h)/60 (14) 式中：q為18小時(shí)車流量，輛/h ;v為平均速度，km/h ;p為重車比例=f/q, %、f為重 車車流量，輛/h ;G為坡度，％ ;D = sqrt [ (d+3. 5)2+(h-0. 5)2]，m ;A為相對(duì)于測(cè)點(diǎn)道路長(zhǎng)度 的張角，degs ;D為測(cè)點(diǎn)至道路外延的距離，m ;H為從聲源傳至受聲點(diǎn)的平均有效高度，單 位為m;h為受聲點(diǎn)相對(duì)于路面的高度，m;F為地面吸聲系數(shù)，無(wú)量綱；r為中型重車占大型 重車的比例；S為路面標(biāo)準(zhǔn)直徑厚度，mm ;C為路面尖叫系數(shù)，尖叫型路面取1，否則取0 ;X為 摩擦噪聲系數(shù)，摩擦型路面取1，否則取〇,其中（11)式只適用于0.75 < [(d+5)/6]; 3)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的 L1Q、LAeq、SD、Lp L5、L5Q、L9Q、L95、L99、L max 和 Lmin，利用標(biāo)準(zhǔn)的 FHWA 模 型,建立 LAeq(d) =f(q，v，p，r，d);利用標(biāo)準(zhǔn)的 CORTN 模型,建立 LA1Q(d) =g(q，v，p，r，d); 其中L背景嘆聲取L95 ; 利用上述兩個(gè)模型，得到道路車速V與車流量q。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種智能環(huán)境噪聲與振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，當(dāng)出現(xiàn)非 連續(xù)、中斷車流條件下即小車流情況，50 <和〈200輛/h，或者1000 <和〈4000輛/18h，以 及D〈30m，標(biāo)準(zhǔn)的CORTN模型的Laici模型修正為： 對(duì)于小車流情形，需針對(duì)大車流情形下的Lltl (18h)，增加如下補(bǔ)充修正項(xiàng)：
式中，D是介于受聲點(diǎn)和有效聲源之間的最短斜距近似為有效車道至儀器監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的 直線距離。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種智能環(huán)境噪聲與振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于， 當(dāng)有兩臺(tái)權(quán)利要求1所述的裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，所述兩臺(tái)裝置分別設(shè)置在距機(jī)動(dòng)車道路 中心線dl和d2處，同步監(jiān)測(cè)關(guān)注時(shí)段內(nèi)、獲得L1(l、LAeq、SD、 U、L5、L5Q、L9Q、L95、L99、L max和Lmin指標(biāo)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過(guò)如下公式，計(jì)算得到道路車速 V與車流量q LAeq(di) = f (q, V, p, r, (I1), LAeq (d2) = f (q, v, p, r, d2)，lai〇 (di) = g(q, v, p, r, (I1), Laio (d2) = g (q, v, p, r, d2); L背景噪聲$( L95。
【文檔編號(hào)】G08G1/01GK104332050SQ201410582481
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】張繼萍 申請(qǐng)人:浙江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)設(shè)計(jì)研究院