多频噪音与电离辐射检测系统

1、多频噪音与电离辐射检测系统参赛者：袁泽滨、王星熠、杨周强、翁晟皓（中国计量大学理学院，杭州310018）摘要:多频噪音与电离辐射检测系统在城市发展环境检测中起着至关重要的作用，其实质是运用通信技术和手段，感测、分析并整合一个环境中的各种声音和电离辐射有关的信息。对于声音，利用传感器收集周边声信号，通过信号分析模块分析信号.再通过数据处理模块计算分贝、频率大小，通过收发传至接受设备，从而使人接收到所需要的信息；对于电离辐射，通过盖革-弥勒管激发电信号，经过A/D转换就可直接在屏幕上显示数字。进而推进城市环境管理和健康运行，有利于创建资源节约型和环境友好型社会，有利于促进城市的和谐、可持续发展。关

2、键字:多频信号分析；电离辐射检测；传感器；信号处理；数据处理1研究背景1.1高低多频信号：在当代社会，声音是人们生活、学习与工作中一种常见的物理现象，生活中不可避免的各种多频声音（也称之为噪音）对人具有极大的危害。低频噪音不容易衰减，不易被水和空气吸收，波长往往很长，因此能绕开某些大型障碍物发生衍射。某些次声波能绕地球2至3周。在低频噪音中某些频率的次声波由于和人体器官的振动频率相近甚至相同，容易和人体器官产生共振，对人体有很强的伤害性，危险时可致人死亡。低频噪音会干扰人的神经系统正常功能，危害人体健康。一定强度的低频噪音，能使人头晕、恶心、呕吐、丧失平衡感甚至精神沮丧。研究认为，晕车、晕船的

3、原因之一就是车、船在运行时伴生的低频噪音引起的。住在十几层高的楼房里的人，遇到大风天气，往往感到头晕、恶心，这也是因为大风使高楼摇晃产生低频噪音的缘故。更强的低频噪音还能使人耳聋、昏迷、精神失常甚至死亡。 高频噪音虽然衰减的快但能量大，在近距离的情况下能直接对耳蜗造成不可挽救的损伤。抛开频率不讲，长期处于高分贝噪音环境下会损伤人们的语言听力且易激动、睡眠失调、头晕、记忆力减退、内分泌紊乱等。从物理学角度来讲，噪音主要是由于振幅和没有规律的频率所产生的，根据大家的日常生活来讲，只要是影响到人们生活的声音都属于噪音，根据频率的范围来说，低频噪音一般都 小于400Hz，中频噪音一般都在4001000

4、0Hz的范围内，高频噪音一般都在10000Hz以上。如今，噪声污染已经成为主要危害污染之一，精准掌握噪音的量值，及时反映噪声污染程度与范围，对管理和治理噪音、防止和利用噪音有极大的便利，因此噪音检测系统的设计不仅在噪音研究领域有重要的地位，还可以广泛用于人们日常生活的方方面面。所以，针对此类问题，设计一种能够测定一个地区噪声强度，反映噪音大小与频率的装置，帮助人们更好的管理和治理噪音，该装置包括三大部分：监测部分，中央控制系统和发射端。监测系统用于检测噪音并传输信号。中央控制系统用于接收信号后的信息处理，得出噪音的分贝大小高低频率占比和污染等级。发射端用于传出信号到用户手机客户端，实时通讯给用

5、户。近年来，在一些能够给人们提供极大便利或是完善甚至是解决生活中的不便的实用类装置一直备受瞩目，而它们的改善与制造绝大部分来源于生活，通过细致的观察与思考，发现并改善它的不足，并运用已有并且易获得的资源来将它的不足最小化和将它的优势最大化一直是人们追求的目标，而噪音的监测与处理也一直是人们关注的焦点问题，噪声检测装置有以下优势：1. 用户接受程度高，生产材料普遍易得，用生产成本低。2. 能较为精确的测定一个地区的噪声分贝和频谱，可以方便人们获知具体量值并方便了其治理，有助于决定处理噪声污染的方式。3. 此类装置还最大程度的节省了人力，只要在某地区装上该装置，就无需人到达此地即可知晓此地噪声大小

6、。4. 国家尚未对噪音进行高低频划分，从人被影响的角度上讲，分贝即使在合理范围内频率过低/高的声音信号同样会对人产生不良影响。1.2电离辐射：在2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，电离辐射（所有类型）在一类致癌物清单中。据目前所知，电离辐射是一种带电粒子流，由于带电，它所到之处很容易引起电离，根据能量和穿透性等特性可进行以下划分:射线有很强的电离本领，这种性质既可利用。也带来一定破坏处，对人体内组织破坏能力较大。由于其质量较大，穿透能力差，在空气中的射程只有几厘米，只要一张纸或健康的皮肤就能挡住。射线也是一种高速带电粒子，其电离本领比射线小得多，但

7、穿透本领比射线大，但与X、射线比射线的射程短，很容易被铝箔、有机玻璃等材料吸收。X射线和射线的性质大致相同，是不带电波长短的电磁波，因此把他们统称为光子。两者的穿透力极强，要特别注意对意外照射的防护。电离辐射的来源分为天然电离辐射和人工电离辐射。 天然电离辐射是人们一般很难躲避自然界的辐射源,如宇宙射线、陆地辐射、食入或吸入的长寿命放射性核素和氡同位素。我们不可避免地会食入或吸入放射性核素,因为日常生活中的饮用水、菜肴和空气中的尘埃中都含有一定量的放射性核素。在某些食物中的放射性核素中,钾40 的放射性最强,若大量食用这些物质,所受的辐射量将大大超过平均值。比如每周吃80 克贻贝,就会增加50

8、 %的食物辐射量。氡同位素来源于土壤、岩石,建材中的镭逸入空气中,会被我们吸入肺内造成辐射。室外的氡会飘散开来,但室内的氡浓度只会叠加。研究发现,室内的氡含量与肺癌密切关系。幸运的是,氡很容易被排除掉,只要打开排气扇,就可以将室内的氡吹走。人工电离辐射是人类社会的发展产生的,人工辐射源包括X 射线装置、电子加速器和核反应堆等。人工辐射源的运行,人工放射性核素的生产和使用均引起人工电离辐射。但它们与天然辐射源比较,对人体的危害性相对较低。如今我国城市化进展迅速，电离辐射污染这种新型污染由于看不见摸不着听不到的原因一直得不到重视而生活中因电离辐射引发的惨案时有报道。电离辐射对于民众来讲非常陌生通常

9、在生活中以核辐射为民众所知，而所谓的手机、电脑等辐射都是电磁辐射，这两者有着本质区别。电离辐射简单来讲就是指能引起被作用物质发生电离的射线或波，电离辐射能从原子层面破坏有机体，其损害健康的程度远远大于电磁辐射。2009年辐射统计图电离辐射检测系统的优势：(1)一个新兴且陌生的且对城市环境影响很大的量值，容易引起关注。(2)系统的感知能力完全取决于传感器，可以根据用户要求方便且随意更换低/高灵敏度传感器，提供的电离辐射值能更好为人们提供健康的生活环境。(3)系统拥有可设定阈值的蜂鸣器报警装置，第一时间将危险剂量辐射反馈到人。2科普宣传相比较于多频声音信号，电离辐射部分显然有着较为高的科普宣传价值

10、。自从日本核事故后，人们一直是对辐射抱有恐惧心态。因无知而产生的恐惧就会滋生谣言，几年前一则“吃盐能抵御核辐射”的谣言甚至引发了民众对盐的哄抢。实质上我们知道，盐就NaCl而言并不具有抵御核辐射的能力而是加碘盐中的稳定碘I进入人体后能抵御甲状腺对于碘131（核电站污染物之一）的吸收。所以，吃那么多盐不如吃一粒小碘片。对于辐射概念笼统来讲，民众更多知道的是电磁辐射（比如手机有辐射，电脑辐射等说法），两者是截然不同的但两者却是生活中常常能遇见的。就香烟为例，香烟也是存在微量电离辐射的。其主要污染物为钋210,极微量存在于烟草中，点燃香烟后会液化附着在烟雾微小颗粒上被吸入人体从而会在人肺中富集，根据

11、我小组统计的500组数据及相关网络数据，一天一包烟一年内 肺内富集的电离辐射辐射量可达到10-50musv（烟品质，吸烟地域通风情况都会产生影响），国家规定成年人一年内人可承受（即对大部分人群大概率不会造成危害）的电离辐射量为1msv。如若我们制作相关的科普手册，推广该装置同时宣传该方面的相关知识，对大众来讲一定情况下能消除不必要的顾虑，同时符合科教兴国国策营造科技强国氛围，推进大众对于近现代科技领域的了解。3城市噪音与电离辐射检测系统的工作原理3.1噪声的物理原理 1.频率：指1s内媒质质点振动的次数，f，单位（Hz）。在声频范围内，声波的频率越高，声音显得越尖锐，反之显得越沉闷。人耳可听频

12、率范围2020000赫兹，一般称为音频。低于20赫兹的为次声波，高于20000赫兹的为超声波。通常，频率f低于300Hz的声音称为低频声；频率f在3001000Hz的声音称为中频声；频率f高于1000Hz的声音称为高频声2.声压：是介质受到扰动后所产生的压强P的微小增量。在声波的传播过程中，媒质中各处由于压缩或膨胀运动存在着稠密和稀疏的交替变化，因而各处的压强也相应变化。设：没有声波作用时，媒质中的压强为P0，称为静态压强。当有声波传播时，媒质中某处的压强为P，则：压强的改变量（P-P0）称为声压，即声压p为：p=P=P-P0,单位：N/.媒质中任一点的声压都是随时间变化的，每一时刻的声压称为

13、瞬时声压，某段时间内瞬时声压的均方根值称为有效声压，即。对于简谐声波，有效声压等于瞬时声压的最大值除以，即关系。3.2电离辐射的物理原理G-M计数管工作原理：盖革-弥勒（G-M）计数管是在一密封的玻璃管内，中心张紧一根钨丝作为阳极，紧贴玻璃管(或金属)的内表面装一金属圆筒作为阴极。管内充以约10cm汞柱气压的惰性气体，如氩气或氖气。G-M管工作时，阳极上的直流高压由高压电源供给，于是在计数管内形成一个柱状对称电场带电粒子进入计数管，与管内气体分子发生碰撞，使气体分子电离即初电离（粒子不能直接使气体分子电离，但它在阴极上打出的光电子可使气体分子发生电离）初电离产生的电子在电场的加速下向阳极运动，

14、同时获得能量，当能量增加到一定值时，又可使气体分子电离产生新的离子对，这些新离子对中的电子又在电场中被加速再次发生电离碰撞而产生更多的离子对由于阳极附近很小区域内电场最强，则此区间内发生电离碰撞几率最大，从而倍增出大量的电子和正离子，这个现象称为雪崩雪崩产生的大量电子很快被阳极收集，而正离子由于质量大、运动速度慢，便在阳极周围形成一层“正离子鞘”，阳极附近的电场随着正离子鞘的形成而逐渐减弱，使雪崩放电停止此后，正离子鞘在电场作用下慢慢移向阴极，由于途中电场越来越弱，只能与低电离电位的猝灭气体交换电荷，之后被中和，使正离子在阴极上打不出电子，从而避免了再次雪崩而且在雪崩过程中，由受激原子的退激和

15、正负离子的复合而发射的紫外光光子也被多原子的猝灭气体所吸收这样，一个粒子入射就只能引起一次雪崩 计数管可看成是一个电容器，雪崩放电前加有高压因而在两极上有一定量的电荷存在，放电后电子中和了阳极上一部分电荷，使阳极电位降低，随着正离子向阴极运动，高压电源便通过电阻R向计数管充电，使阳极电位恢复，在阳极上就得到一个负的电压脉冲因此，一次雪崩放电就得到一个脉冲，即一个入射粒子入射只形成一个脉冲，脉冲幅度的大小由高压电源电压和电阻R决定，与入射粒子的能量和带电量无关计量单位的换算活度居里(Ci)贝克勒尔(Bq) 1Ci=3.7E+10 Bq；照射量伦琴(R) 库仑/千克(C/kg) 1R=2.5810

16、-4 C/kg；吸收剂量拉德(rad) 戈瑞(Gy) 1Gy=100 rad；剂量当量雷姆(rem) 希沃特(Sv) 1Sv=100 rem。本系统采用西弗（sv）作为单位。1sv代表1kg人体组织吸收1J的放射能量。3.3城市噪音与电离辐射检测系统工作流程图1 城市噪音与电离辐射检测系统工作流程图3.4电离辐射系统工作原理根据电离辐射的特性，采用盖革-弥勒管作为直接接触传感器，传感器感受到带电粒子通过时管内气体放电，电信号接入子系统后分3块芯片分别处理：1.将原始模拟信号ad转化为设定值cpm（每分钟的剂量值）和usv（微西弗）并近无损放大分流到两个不同芯片2.将此电信号数字化输出3.判断是

17、否超出阈值（预设cpm500）且做出是否有带点粒子通过传感器的响应（led灯闪一下并发出“哒一声”）最后在屏幕上输出可视化数字3.5频谱绘制原理在物理中可知，声音是有物体振动产生的声波，通过介质（固液气）传播且具有能量能被生物感官或者声学探测器感知。对于不同介质，声音传播速度（v）是不一样的，但是频率（f）始终是振动源频率所以由此可知振动频率经过传播并不会改变；不同材料所具有的振动频率也不相同，材料的密度成分结构力学特性等都对振动频率有很大影响；综述结合原理，可得不同材料发声的振动频率不同且经过介质传播后振动频率并不会改变。频谱: 声音的频率不同，给人耳的感觉是音调高低的不同。声乐有女高音，男

18、低音:噪声有尖 调的电锯声，也有低沉闷响的空调机噪声。声音的频谱:是用来描述声音的频率特性的。频谱图以频率或频带为横坐标，以声压级为纵坐标，描述声音变化规律，组成复音强度与 频率关系的图谱，叫频谱图。我们通过单片机来实现频谱的转换。我们基于快速傅里叶变换来求取频谱，快速傅里叶变换计算离散傅里叶变换的一种快速算法，简称FFT；快速傅里叶变换是1965年由J.W库利和T.W.图基提出的，fft能使计算机计算离散傅里叶变换所需的乘法次数大为减少，特别是被变换的抽样点数N越多，fft算法计算量的节省就越显著。基2时分蝶式算法是fft中较为普遍的实现算法。对于基2算法而言，是把序列每次一分为二，最后分割

19、成两点DFT，也可以采用别的分割法，每次一分为三，四，五等，就得到了基3，基4，基5等算法 。此为一段高低频混合噪音的频谱分析图，可见其分贝并不高(黄色为均值红色为峰值)，但听到后感觉非常难受（如果能听到的话）。3.6 FM通讯原理这一部分主要涉及以下几个概念：声波，电磁波，载波。声波：人耳可以听见的声音叫声波，人耳可以听见的声波的频率范围在20Hz-20,000Hz。声波在空气中传播衰减很大，传输的距离很近。无线电波：无线电波的频率远远高于人耳可听见的频率范围，传播的介质是电磁场。传输距离远。载波：人们为了使声音传的更远，就让声波信号搭上了无线电波信号这班“快车”，在专业术语中我们把这个“快

20、车”称为载波，那么又有一个问题需要我们考虑，我们是如果搭这班“快车”的呢，通常有两种方式可以采用，一个是调幅（AM），另一个就是调频（FM）。广播一般都是由各个电台负责发出的，我们用自己的收音机接收电台发出的信号，然后转换通过喇叭输出声音。下面就分别说一下发送和接收：发送：广播员负责产生声波（讲话改变空气中的压力（密度）产生），经过电声器件转换成声频电信号，并由声频放大器放大，振荡器产生高频等幅振荡信号。调制器使高频等幅振荡信号被声频信号所调制，已调制的高频振荡信号经放大后送入发射天线，转换成无线电波辐射出去。接收：无线广播的接收是由收音机实现的，收音机的接收天线收到空中的电波，调谐电路选中所

21、需频率的信号，检波器钭高频信号还原成声频信号（即解调），解调后得到的声频信号再经过放大获得足够的推动功率，最后经过电声转换还原出广播内容。3.7系统概要(1)噪声传感器的小型化依据传统噪声检测器的传感器电路进行小型化改进，保留噪声检测数据收发功能，降低成本。(2)噪声信号放大处理模块(3)电离辐射检测系统仅需接上传感器即可工作，成本可大可小测量精度能随环境需求而改变(4)数据处理器的设计与制作+信号处理采用合适材料设计一个大小合适的数据处理器箱体，且预留传感器备仓，电源接口和usb接口；信号处理方面采用单片机，输入输出设备和led显示屏实现。(5)电源：采用锂电池电源或碱性电池电源。 3.8技

22、术分析项目主要是设计并制作一套检测环境噪声与电离辐射的系统。预想是在一个特定的场合，将检测噪声的仪器安定好，实时检测噪声与电离辐射的数据，并将检测到的数据通过led屏实时显示出来。系统内部主要由传感器、音频放大器、小型功率放大器、交直流转换、V/F转换电路、单片机、3个不同功能芯片（sn74act4n，atmega328p-u，93m-dn1819-64）。当噪音信号被采集后，信号经过音频放大器被放大，然后半波整流、滤波，将信号变为直流脉冲动压信号，经过V/F转化器后输出频率信号变为TTL电平送给单片机。电离辐射的采集基于盖革管内的气体放电产生电信号，接入子系统后直接A/D转化为usv的量纲数

23、值(1) 声音信号采集单元。声音信号的采集使用传声器, 它的作用是将声音信号转化为电信号。当有声音产生时, 振动膜振动经过变换器, 转化为电信号的变化。在本系统中, 声音产生引起空气压力变化从而振动膜振动(2) 声音信号放大单元。电路设计过程中, 使用OP07, 它有很多优点, 工作电压范围较宽、有较少的外接元件、可调整电压增益、有较小的谐波失真。在生活中, 室内对讲机、小型马达驱动、录音机和收音机的音频放大等(3) 电压-频率转换电路（fft变换电路）。系统中V/F转换电路是依靠单片机构成的电路/频率转换电路。其主要通过算法来实现fft变换，相比于通过dds来扫频从而得到频谱图显然要在电路上

24、显得容易和简洁一些。(4) ad转换模块。得到频率信号后还需通过它才能在屏上有显示。其主要依靠PCF8591芯片实现，其功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换。PCF8591的最大转化速率由I2C总线的最大速率决定。(5) 电离辐射报警单元。原先在芯片93m上预设cpm阈值接收到信号后判断输出，且做出一次放电响应即led灯亮且伴有”哒”声，超出阈值及报警（led灯一直亮且不间断“嘀”声）(6) 电离辐射采集单元。盖革-弥勒管，带电粒子射入气体，在离子增殖过程中，受激原子退激，发射紫外光子，这些光子射到阴极上产生光电子，光电子向阳极漂移，又引起离子增殖，于是在

25、管中形成自激放电。为了使之能够计数，计数器中充有有机气体或卤素蒸气，能吸收光子，起到猝熄作用。(7) 电离辐射显示单元，主要处理芯片为328p，将接收的信号处理为数字信号，经过换算得到cpm值和usv值直接输出在屏幕上实现可视化4 创新特色41噪声检测模块设计本模块参考海洋浮标以锚定在海上的观测浮标为主体组成的海洋水文水质气象自动观测站工作方式，将噪声检测装置改小型化且具有收发信息功能，能按规定要求长期、连续地为噪声研究和城市噪声检测收集所需的音频信息。42电离辐射检测模块设计本模块参考多功能数控车床以不同需求而更换刀具的工作方式，可根据需求（成本、精度、量程）仅需更换传感器即可实现且该模块还

26、能用遥控器可根据需求和传感器特性自由调节测量的量值增加其适用范围与灵活性。43多方向信号接受设计我们设想通过将噪声频谱化，将其实时用lcd屏显示出来，能直观的反映出一个空间噪声的成分。44固定方式的便捷化利用各式各样路灯等铁制品，将传感器装上磁铁吸附从而实现定点检测。5 应用前景本项目提出的城市噪音电离辐射检测装置对于环境噪声和电离辐射的精确测量有着重要意义，这不仅能给人们平时的生活质量提供保障，而且在帮助部分需要控制周边环境的场所寻求好的工作环境方面有着至关重要的作用。在现今这个呼吁健康环保的时代，噪音无疑是常见污染中大敌之一，而对于电离辐射这个新兴概念群众的关注度正日益提高，在某些特殊时期

27、甚至因其不可直接观测性和可怕的危害性而引起恐慌。所以，人们对于一个安静舒适健康环境的追求就是我们对城市噪音与电离辐射检测的研究的动力，这对美丽和谐城市的建设有着促进意义。5.1国内噪音检测仪现状国内现目前存在的噪音检测装置，主要以分贝检测仪为主，当检测声音的大小时，通过声音传感器，产生不同的脉动信息，然后进行转换，换成不同大小的值，最后显示到显示屏上面。市面上存在的噪音检测仪大多是以现场测试为主要用途，需要在现场进行噪音检测和读数，不能实时检测和传递数据，此类噪音检测商品很难满足实时监控的需要；另外，目前普通噪音检测仪存在检测不用统一现象，同一种环境下，两种不同的检测装置读数存在差异，两种检测装置只能进行横向比较，但同一装置不能进行纵向比较，检测的数据存在瞬时性。此外，对于市面上的噪音检测装置在检测噪音时有所延迟，在特殊情况下，很难满足人们的需求。且仅给出数值不给出噪音的频谱在追求更健康的城市生活环