Luận văn thạc sĩ vật lý kỹ thuật thiết kế và chế tạo máy đo độ ồn dựa trên cảm biến âm microphone electret design and make a sound level meter by using a transducer electret microphone

Luận văn thạc sĩ vật lý kỹ thuật trình bày thiết kế và chế tạo máy đo độ ồn sử dụng cảm biến âm microphone electret, ứng dụng trong đo lường tiếng ồn chính xác.

• Tác giả: Nguyễn Trọng Liêm
• Người hướng dẫn: Tiến Sỹ Lý Anh Tú
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
• Đề tài: Thiết kế và chế tạo máy đo độ ồn sử dụng cảm biến âm microphone electret
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Thiết kế máy đo độ ồn

Luận văn tập trung vào thiết kế máy đo độ ồn sử dụng cảm biến âm microphone electret. Phần này trình bày các bước thiết kế từ lý thuyết đến thực tiễn, bao gồm việc lựa chọn linh kiện, tính toán mạch điện, và tối ưu hóa hệ thống. Cảm biến âm thanh được sử dụng là microphone electret, một loại cảm biến phổ biến nhờ độ nhạy cao và khả năng lọc nhiễu tốt. Thiết kế này nhằm tạo ra một thiết bị đo độ ồn có độ chính xác cao, giá thành thấp, và dễ dàng tích hợp với các hệ thống khác.

1.1. Lý thuyết thiết kế

Phần lý thuyết thiết kế bao gồm các nguyên lý cơ bản về âm học và đo lường âm thanh. Luận văn giải thích cách sóng âm lan truyền, các đặc tính của sóng âm, và cách đo lường chúng. Cảm biến âm thanh microphone electret được phân tích kỹ lưỡng về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, và các thông số kỹ thuật quan trọng như độ nhạy, đáp ứng tần số, và nhiễu. Các phương trình sóng âm cũng được trình bày để hỗ trợ việc thiết kế mạch điện.

1.2. Tính toán mạch điện

Phần này trình bày chi tiết việc tính toán các thành phần mạch điện, bao gồm mạch khuếch đại, mạch lọc, và mạch xử lý tín hiệu. Vi xử lý ATMEGA 8-bit được sử dụng để xử lý tín hiệu từ cảm biến âm thanh, với tốc độ xử lý lên đến 16MHz. Mạch điện được mô phỏng bằng phần mềm Proteus để đảm bảo tính chính xác trước khi chế tạo. Các thông số kỹ thuật của máy đo, như độ chính xác và phạm vi đo, cũng được tính toán và tối ưu hóa.

II. Chế tạo máy đo độ ồn

Phần chế tạo tập trung vào việc hiện thực hóa thiết kế thành một sản phẩm thực tế. Chế tạo máy đo độ ồn bao gồm việc lắp ráp các linh kiện, kiểm tra và hiệu chỉnh hệ thống. Luận văn sử dụng các linh kiện xuyên lỗ, điều này làm tăng kích thước của mạch điện nhưng giảm chi phí sản xuất. Máy đo được thiết kế để kết nối với máy tính qua cổng RS232, cho phép lưu trữ và phân tích dữ liệu theo thời gian thực.

2.1. Lắp ráp và kiểm tra

Quá trình lắp ráp bao gồm việc gắn cảm biến âm thanh, mạch khuếch đại, và vi xử lý vào một bảng mạch. Sau khi lắp ráp, hệ thống được kiểm tra để đảm bảo các thành phần hoạt động đúng như thiết kế. Các bài kiểm tra bao gồm đo độ chính xác, kiểm tra đáp ứng tần số, và đánh giá nhiễu. Kết quả kiểm tra cho thấy máy đo có độ chính xác ±3 dB, thấp hơn so với các thiết bị thương mại (±1 dB), nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu cơ bản.

2.2. Hiệu chỉnh và tối ưu

Phần hiệu chỉnh tập trung vào việc tối ưu hóa mạch khuếch đại sau cảm biến âm thanh để cải thiện độ chính xác. Các thông số như độ lợi và băng thông được điều chỉnh để giảm sai lệch. Luận văn cũng đề xuất các cải tiến trong tương lai, như sử dụng linh kiện SMD để giảm kích thước mạch điện và tăng độ chính xác. Máy đo được đánh giá là có giá thành thấp, chỉ bằng ¼ đến ½ so với các thiết bị thương mại, và có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực như giám sát môi trường và công nghiệp.

III. Ứng dụng và đánh giá

Luận văn đánh giá hiệu quả của máy đo độ ồn trong các ứng dụng thực tế. Thiết bị được sử dụng để đo độ ồn trong môi trường công nghiệp và đô thị, với kết quả cho thấy khả năng đo lường chính xác trong dải tần số từ 20 Hz đến 10 kHz. Công nghệ cảm biến âm thanh sử dụng microphone electret được đánh giá là phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ nhạy cao và giá thành thấp. Luận văn cũng đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, như tích hợp thêm các tính năng tự động hóa và kết nối không dây.

3.1. Kết quả đo lường

Kết quả đo lường cho thấy máy đo có độ chính xác ±3 dB, thấp hơn so với các thiết bị thương mại (±1 dB). Tuy nhiên, máy đo vẫn đáp ứng được yêu cầu cơ bản trong việc giám sát độ ồn. Các thử nghiệm được thực hiện trong môi trường công nghiệp và đô thị, với kết quả cho thấy khả năng đo lường ổn định trong dải tần số từ 20 Hz đến 10 kHz. Kỹ thuật đo lường âm thanh được sử dụng trong luận văn được đánh giá là hiệu quả và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi.

3.2. Đánh giá và hướng phát triển

Luận văn đánh giá máy đo là một giải pháp hiệu quả về chi phí cho các ứng dụng giám sát độ ồn. Các ưu điểm bao gồm giá thành thấp, khả năng kết nối với máy tính, và tốc độ xử lý cao. Tuy nhiên, máy đo còn một số hạn chế như độ chính xác chưa cao và kích thước lớn. Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm sử dụng linh kiện SMD, tích hợp thêm các tính năng tự động hóa, và kết nối không dây để tăng tính linh hoạt và hiệu quả của thiết bị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- NGUYỄN TRỌNG LIÊM THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY ĐO ĐỘ ỒN TRÊN CƠ SỞ CẢM BIẾN ÂM – MICROPHONE ELECTRET (Design and make a sound level meter by using a transducer- electret microphone) Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật Mã số: 11124635 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2014 Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014 Công trình được hoàn thành tại: Trƣờng Đại Học Bách Khoa - ĐHQG- HCM. Cán bộ hướng dẫn khoa học: Lý Anh Tú, Tiến Sỹ Lê Cao Đăng, Thạc Sỹ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1:.

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM, ngày tháng năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635 T-2 GVHD: TS Lý Anh Tú ThS. Lê Cao Đăng Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Trọng Liêm MSHV: 11124635 Ngày, tháng, năm sinh: 31-10-1983 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật Mã số : I. TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế và chế tạo máy đo độ ồn dựa trên cảm biến âm microphone electret NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tổng quan lý thuyết về âm học và độ ồn - Tổng quan lý thuyết về cảm biến âm - Thiết kế và chế tạo máy đo độ ồn - Kết quả và đánh giá II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10-02-2014 III.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04-08-2014 IV.CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS.S LÊ CAO ĐĂNG Tp. HCM, ngày 04 tháng 08 năm 2014 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƢỞNG KHOA….……… (Họ tên và chữ ký) HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635 T-3 GVHD: TS Lý Anh Tú ThS. Lê Cao Đăng Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ dạy và giúp đỡ tận tình của các thầy cô giảng dạy sau đại học - Trường đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh. Tôi xin đặc biệt cảm ơn thầy Lý Anh Tú, thầy Lê Cao Đăng, và các giảng viên bộ môn Vật lý kỹ thuật y sinh đã tận tình hướng dẫn truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu giúp tôi có đầy đủ kiến thức và nghị lực để hoàn thành luận văn này.

Đồng thời những kiến thức và kinh nghiệm đó sẽ hữu ích cho tôi sau này trong cuộc sống. Và xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và những người thân trong gia đình đã tin yêu và cho tôi sức mạnh tinh thần, vật chất trong quá trình học tập nghiên cứu. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều trong việc thực hiện luận văn, song không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô và các bạn.HCM, ngày 04 tháng 8 năm 2014 Học viên Nguyễn Trọng Liêm HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635 T-4 GVHD: TS Lý Anh Tú ThS. Lê Cao Đăng Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014 TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung chính của luận văn sẽ trình bày sơ lược về âm học, tìm hiểu về cảm biến âm - microphone electrets, thiết kế và chế tạo máy đo cường độ âm.

Do đó mục tiêu của luận văn nghiên cứu hai phần. Thứ nhất là nghiên cứu đầu vào của lĩnh vực đo âm: đó là cảm biến âm hay microphone electret và đặc tính microphone này. Đây là microphone rất phổ biến ngày nay nhờ khả năng lọc và có độ chính xác cao. Thứ hai là ứng dụng microphone trong thiết kế và chế tạo máy đo độ ồn.

Luận văn đã đạt được kết quả của yêu cầu đề ra là chế tạo máy đo độ ồn. Tuy nhiên kết quả chưa đạt được như mong muốn, độ chính xác của máy đo chưa cao, sai lệch khoảng ±3 dB so với độ lệch ± 1 dB của các máy đo khác trên thị trường. Đó chính là nhược điểm của máy đo. Sự khiếm khuyết này là nhỏ và có thể khắc phục được bằng cách tối ưu mạch khuếch đại sau microphone.

Một nhược điểm nhỏ khác của máy đo là dùng linh kiện xuyên lỗ nên làm tăng kích thước của mạch điện. Bên cạnh đó máy cũng có những ưu điểm đáng kể như mạch sử dụng vi xử lý gọn, tốc độ xử lý cao (vi xử lý có tốc độ lên đến 16MHz) nên có khả năng đo được độ ồn ở tần số cao hơn 10 kHz (và tùy thuộc vào đáp ứng của microphone). Ưu điểm thứ 2 là mạch có khả năng kết nối máy tính và lưu dữ liệu theo thời gian thực. Ưu điểm cuối cùng là giá thành chỉ bằng ¼ đến ½ giá các máy đo phổ thông khác trên thị trường.

HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635 T-5 GVHD: TS Lý Anh Tú ThS. Lê Cao Đăng Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014 ABSTRACT The main contents of the thesis are to present acoustic fundamental, way to design and how to calculate and make a sound pressure level. Via the speech, principle of sound sensor (electret microphone) also is presented. Thereby, target main of the thesis includes two parts, first is to study how a sound sensor, microphone electret works and its features.

This is very popular microphone due to ability to filter, high accuracy, light and compact. Second task is to implement the sensor to design and produce a sound pressure level. This thesis has achieved the required result set is to create a noise measurement. However, the result hasn’t achieved as good as originally expected, the meter accuracy is not good enough, an offset of ±3 dB compared to ±1 dB of other sound meters on market.

This defect is minor and can be overcome by optimizing the microphone’s amplifier later on. Another disadvantage of the device is using via- hole components that increase size of the circuit. Besides, there are some significant advantages of the tool as circuit uses compact, high-speed processor (speed up to 16 MHz) and be capable of measuring noise at frequency higher than 10 kHz (and depend on response of microphone as well). Second advantage is capable of connecting to personal computer and log data in real time.

Last thing is its price much cheaper from one-fourth to one-half compared to common sound meter device. HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635 T-6 GVHD: TS Lý Anh Tú ThS. Lê Cao Đăng Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của thầy TS. Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào.

Học viên Nguyễn Trọng Liêm. HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635 T-7 GVHD: TS Lý Anh Tú ThS. Lê Cao Đăng Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014 MỤC LỤC PHẦN 1: TỔNG QUAN CHƢƠNG 1: ÂM HỌC VÀ TIẾNG ỒN. Tổng quan về âm học.

Âm thanh và tiếng ồn. Lược sử âm học. Những đặc tính của sóng âm. Nguồn âm vá sóng âm tương ứng.

Các hiện tượng chính trong âm học. Các phương trình của sóng âm. Khái niệm độ ồn. Năng lượng âm.

Công suất âm. Tiếng ồn và con ngƣời. Tai người. Tương quan giữa tai và âm thanh.

Ảnh hưởng tiếng ồn đến tâm lý. Bênh về tai. Các phương pháp đo độ ồn. Ưu và nhược điểm.

Máy đo độ ồn ở Việt Nam .30 CHƢƠNG 2: CẢM BIẾN ÂM. Cấu tạo và nguyên lý của microphone. Nguyên lý hoạt động. Thông số quan trọng của microphone.

Độ nhạy của microphone .34 HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635 T-8 GVHD: TS Lý Anh Tú ThS. Lê Cao Đăng Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014 2. Tần số đỉnh. Delta LF – roll off.

Đáp ứng tần số .36 PHẦN 2: THIẾT KẾ MÁY ĐO ĐỘ ỒN CHƢƠNG 3: LINH KIỆN CHÍNH DÙNG CHO THIẾT KẾ. Kích thước của microphone. Đáp ứng tấn số của microphone. Đặc tính nhiễu của microphone.

Vi xử lý dùng cho máy đo độ ồn là ATMEGA 8 bit. Cấu trúc ATmega8159. Bộ nhớ chương trình. Ngắt trên AVR.

Chuyển đổi ADC trên AVR. Giao tiếp RS-232. Ưu điểm của giao diện nối tiếp RS232. Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232.

Các mức điện áp đường truyền. Cổng RS232 trên PC. Quá trình dữ liệu. Sơ đồ ghép nối RS232.

Phần mền giao tiếp.56 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG. Mạch mô phỏng bằng phần mềm proteus 8. Giao diện với máy tính qua cổng COM.61 HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635 T-9 GVHD: TS Lý Anh Tú ThS. Lê Cao Đăng Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014 6.

Các thông số của máy đo .63 CHƢƠNG 5: THIẾT KẾ CHƢƠNG TRÌNH. Giải thuật giao diện. Giải thuật cho vi xử lý .66 CHƢƠNG 6: KẾT QUẢ ĐO VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ. Kết quả đo đạc.

Đánh giá kết quả đo .70 CHƢƠNG 7: KẾT LUẬN. Kết quả đạt được. Hướng phát triển .73 Tài liệu tham khảo. Danh mục linh kiện.

Code nạp cho vi xử lý. Code của giao diện và kết nối máy tính. Mạch thực tế và cách dùng .111 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .113 HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635 T-10 GVHD: TS Lý Anh Tú ThS. Lê Cao Đăng Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014 PHẦN 1: TỔNG QUAN CHƢƠNG 1: ÂM HỌC VÀ TIẾNG ỒN Âm học là một ngành khoa học về âm thanh và là một ngành của vật lý học.

Âm học bao gồm các lĩnh vực như nguồn phát âm, sự truyền âm, phát hiện và đo âm. Âm học là lĩnh vực rất quan trọng vì nó liên quan trực tiếp đến thính giác của con người. Mục tiêu của luận văn nghiên cứu hai phần: Thứ nhất là nghiên cứu đầu vào của lĩnh vực đo âm, đó là cảm biến âm hay microphone electret và đặc tính microphone này. Đây là microphone rất phổ biến ngày nay nhờ khả năng lọc tố và có độ chính xác cao.

Thứ hai là ứng dụng microphone trong thiết kế và chế tạo máy đo độ ồn I.