如何设计便携式超声波水声声压计  2012/3/1

系统设计
设计目标要求:实现15-45kHz超声波声压、声强的测量。测量的范围是0-10个大气压(或声压级范围：30-120dB)。测量的误差为在总体的频率范围内大小3dB,对单一频率小于1dB。
CS-3型水听器的特性是在10-100kHz,其M参数的不一致性小于3dB。M参数是指水听器受单位声压的作用而产生的输出电压,单位是V/Pa。用分贝表示的M参数是：
M(dB )=20log(M/Mo),其中Mo为参考声压Mo=1V/礟a。
声强I=P2 /(r*C),其中P为声压,C为声速,r为密度。
为满足设计的目标,需进行测量误差分析。
对应于在为30-120dB的声压级,在流体中的声强为：I=P*V*cosy
自由场中声强为：I=P2/(r*C)
声强级的表达式为：I=10log(I/Io)
其中Io为10-12 (W/m2),在自由声场中声压级与声强级近似相等。
从而可得出(在近似测量中)声强级的不一致性对应于M参数的不一致性小于3dB。
从而得出：不必进行频率校正,声压、声强的不一致性可以满足要求。
由于一般测的是有效声压,为平均值,所以测量的精度相比起来比较容易实现。跟随、放大、滤波、峰值和频率检测,产生误差主要在滤波、峰值和频率检测。我们所设计的滤波通带不稳定度为1dB、峰值检测的误差小于1dB,但通过进行频率的检测,和时间的平均,进行软件和硬件的补偿可以使误差较好的满足要求。
根据上面的分析,考虑到超声波测量的特点,系统框图示于图1。其中预加重考虑隔直和系统频率特性。

图1 系统框图

图2 高通滤波电路

跟随器起隔离水听器和减小后端电路影响的作用。放大器与分压通过可控增益放大来实现,也可通过开关来实现测量范围的转换。带通滤波为测量特定频率的超声波声压的必需。峰值检测为测量和计算声压的原始数据,频率为提供频率数据和进行声压计算的频率校正。 
带通滤波电路
考虑系统对频率范围的不平度有较高的要求,采用巴特沃斯滤波器进行设计。带通由高通和低通级联实现。
考虑具体的要求截至频率定为10kHz。取高通的阶数为5,低通的阶数为6。图2是高通滤波电路。
峰值检波电路
图3是用集成放大器来实现峰值检波的电路。
过零检测电路
过零检测电路在输出需考虑与MSP430的接口问题,因而增加了接口转换电路(图4)。

图3 峰值检波电路