專利名稱：一種低頻聲波自由場(chǎng)聲壓校準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聲場(chǎng)信號(hào)處理技術(shù)，尤其是一種低頻聲波自由場(chǎng)聲壓校準(zhǔn)方法。
背景技術(shù)：
1、自由場(chǎng)校準(zhǔn)自由場(chǎng)是自由聲場(chǎng)的簡(jiǎn)稱，是指聲源在均勻的、各項(xiàng)同性的無(wú)限媒質(zhì)中所產(chǎn)生的、 沒(méi)有反射聲和散射聲的聲場(chǎng)。在聲學(xué)校準(zhǔn)測(cè)試中，最常用的、最符合實(shí)際使用環(huán)境的聲場(chǎng)當(dāng)屬自由場(chǎng)。由于在不同介質(zhì)中的聲速和密度的不同，聲波在介質(zhì)的分界面上會(huì)產(chǎn)生反射與折射。有時(shí)即使存在反射聲和散射聲，但它們對(duì)于一定區(qū)域或在某一時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)聲源的原始輻射聲場(chǎng)沒(méi)有影響，該聲場(chǎng)也屬于自由場(chǎng)。邊界的聲反射或聲散射是破壞自由場(chǎng)條件的最主要因素，因?yàn)檫吔绲姆瓷渎暬蛏⑸渎暷軌蚺c聲源輻射的聲波疊加，從而完全改變聲源本身的輻射聲場(chǎng)。開(kāi)展自由場(chǎng)校準(zhǔn)必須克服聲場(chǎng)中的反射。為此在校準(zhǔn)設(shè)備中常使用脈沖信號(hào)技術(shù)，以便從發(fā)射器輻射出的直達(dá)信號(hào)與回聲信號(hào)可以在時(shí)域上分離出來(lái)。脈沖法的參數(shù)主要應(yīng)根據(jù)發(fā)射器與接收器在聲場(chǎng)中的幾何位置來(lái)確定，在CEI/IEC60565中有詳細(xì)的規(guī)定建議。然而傳統(tǒng)脈沖法的缺點(diǎn)是隨著頻率的降低，聲波波長(zhǎng)增大，脈沖法的效果也在下降甚至無(wú)法適用，這也造成了自由場(chǎng)校準(zhǔn)的頻率下限的限制。此外，還可以根據(jù)所要校準(zhǔn)聲壓的頻率降低選擇尺寸更大的區(qū)域進(jìn)行聲學(xué)校準(zhǔn)，如湖泊和海洋，以傳播衰減來(lái)消除反射聲信號(hào)的影響。但是湖泊和海洋實(shí)際上也是有邊界的，對(duì)于極低頻率的聲信號(hào)仍然無(wú)法適用。 同時(shí)，在湖泊和海洋上開(kāi)展聲壓校準(zhǔn)需要投入巨大的成本，還要受到氣候條件、外場(chǎng)環(huán)境以及水文條件的影響。另外還可以運(yùn)用消聲技術(shù)在有限區(qū)域的邊界上敷設(shè)消聲器，以模擬無(wú)限大區(qū)域自由場(chǎng)以便進(jìn)行聲學(xué)校準(zhǔn)。但在實(shí)際工程中，敷設(shè)消聲器的邊界不可能完全消聲， 特別對(duì)于低頻聲信號(hào)尤其如此。正因?yàn)槿绱?，目前在室?nèi)實(shí)驗(yàn)室中，低頻聲波自由場(chǎng)聲壓校準(zhǔn)的最低頻率受試驗(yàn)區(qū)域空間的限制，超出最低頻率下限的低頻頻段內(nèi)的自由場(chǎng)校準(zhǔn)尚無(wú)法在室內(nèi)試驗(yàn)區(qū)域中開(kāi)展。2、聲學(xué)校準(zhǔn)中的脈沖信號(hào)技術(shù)正弦脈沖信號(hào)是正弦連續(xù)信號(hào)被矩形脈沖信號(hào)調(diào)制而產(chǎn)生的信號(hào)。正弦脈沖信號(hào)中的基波頻率與正弦連續(xù)信號(hào)的頻率相等，正弦脈沖信號(hào)的脈沖寬度τ和重復(fù)周期T即為矩形脈沖的寬度和重復(fù)周期。在實(shí)際使用中，基波頻率就是測(cè)量頻率，τ和T可以任意調(diào)節(jié)。正弦脈沖信號(hào)也是聲學(xué)校準(zhǔn)測(cè)試中常用的測(cè)量信號(hào)。它的主要特點(diǎn)是信號(hào)出現(xiàn)的短暫性和重復(fù)性，利用它的這一特點(diǎn)可在非開(kāi)闊區(qū)域條件下得到短暫的又可重復(fù)的自由聲場(chǎng)。由于脈沖聲的短暫性和聲程長(zhǎng)度的不同，可清晰地區(qū)分出有用的直達(dá)聲信號(hào)脈沖和有害的電串漏脈沖及邊界、障礙物等反射聲干擾脈沖。這樣，通過(guò)對(duì)直達(dá)聲信號(hào)脈沖的測(cè)量就可完成自由場(chǎng)條件下的聲學(xué)量或電聲參數(shù)測(cè)量。
正弦脈沖信號(hào)的另一特點(diǎn)是它激勵(lì)一個(gè)諧振系統(tǒng)時(shí)，所產(chǎn)生的正弦脈沖波形具有暫態(tài)特性。脈沖開(kāi)始激勵(lì)系統(tǒng)時(shí)，輸入的能量并不是馬上就變成系統(tǒng)的有功振蕩能量，而是在系統(tǒng)中儲(chǔ)存起來(lái)，其表現(xiàn)形式為脈沖內(nèi)正弦信號(hào)幅度慢慢增大直至最大值，這一儲(chǔ)存過(guò)程稱為前部暫態(tài)階段。接下來(lái)就以最大值為振幅作穩(wěn)定的等幅度振蕩，直至激勵(lì)脈沖結(jié)束， 這一過(guò)程稱為穩(wěn)態(tài)振蕩階段。激勵(lì)脈沖結(jié)束后，輸出脈沖內(nèi)的正弦振蕩并不立即停止，而繼續(xù)以原頻率振蕩，但幅度慢慢減小直至為零，這種衰減振蕩形式是系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)的能量逐漸被釋放的結(jié)果，這一過(guò)程稱為尾部暫態(tài)階段。在理論上，前后兩個(gè)暫態(tài)階段中的振蕩幅值都隨時(shí)間呈指數(shù)變化，前者呈指數(shù)增大，后者呈指數(shù)衰減。在前部暫態(tài)階段中振蕩幅值ξ與時(shí)間t的關(guān)系為f =式中ξ m_穩(wěn)態(tài)時(shí)的振幅值；fQ-系統(tǒng)諧振頻率；Q0-諧振系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)。因?yàn)樵趯?shí)際的自由場(chǎng)測(cè)量中所用的區(qū)域很少是完全理想的，正弦脈沖信號(hào)就成為一般自由場(chǎng)測(cè)量所使用的主要信號(hào)。但在常規(guī)的聲學(xué)校準(zhǔn)測(cè)量中，這種信號(hào)的使用還受到多種條件的約束，且有些約束條件又是相互制約的。因此，必須注意正確使用這種信號(hào)，其中包括正確選擇脈沖寬度以及正確選擇脈沖重復(fù)周期T。常規(guī)聲學(xué)校準(zhǔn)中脈沖寬度τ的選擇有多個(gè)約束條件，正確的選擇是使τ滿足所有的條件。這些條件如下(1) τ必須足夠大，應(yīng)保證能在穩(wěn)態(tài)振動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。這是使信號(hào)在時(shí)間上達(dá)到穩(wěn)態(tài)對(duì)τ的要求。正弦脈沖信號(hào)輸入諧振系統(tǒng)時(shí)，其輸出脈沖的前部和尾部都有暫態(tài)現(xiàn)象。同樣，正弦脈沖激勵(lì)聲傳感器時(shí)，它的輸出聲脈沖也會(huì)有暫態(tài)現(xiàn)象。一般情況下，自由場(chǎng)測(cè)量的參數(shù)都是按穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)定義的，因此聲脈沖的暫態(tài)部分不能直接用于測(cè)量。這就要求τ至少應(yīng)大于前部暫態(tài)時(shí)間。可求得前部暫態(tài)階段結(jié)束的時(shí)刻為,。=IifcZ^L
η Λ式中η = ξ / ξ m-達(dá)到的振動(dòng)幅值相對(duì)于穩(wěn)定振動(dòng)幅值的百分?jǐn)?shù)?？梢钥闯觯瑢?duì)于不同的η值，可求得不同的時(shí)間、。實(shí)施穩(wěn)態(tài)信號(hào)測(cè)量時(shí)，要求的穩(wěn)態(tài)波形數(shù)視數(shù)據(jù)采集方法和采集設(shè)備而定。但根
據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)的推薦，至少需要兩周穩(wěn)態(tài)信號(hào)，這要求 2T~to+J其中f-測(cè)量頻率，即脈沖載波頻率。因此，在比較精確的測(cè)量中，需要有兩個(gè)以上達(dá)到99%穩(wěn)態(tài)值的波形數(shù)時(shí)，脈沖寬度必須滿足以下條件r》1.5 手+ 4
JO J(2) τ必須足夠大，應(yīng)保證脈沖對(duì)聲傳感器有足夠長(zhǎng)的作用時(shí)間，能使它各部分之間充分相互作用。這實(shí)際上是使聲傳感器空間上達(dá)到穩(wěn)態(tài)對(duì)τ的要求。為此，τ應(yīng)滿足以下條件
τ> 0+ —
c式中D_聲傳感器沿聲波傳播方向上的最大尺寸；C-自由場(chǎng)聲速。(3) τ必須足夠大，應(yīng)保證脈沖通過(guò)校準(zhǔn)系統(tǒng)(由放大器、濾波器等組成)時(shí)不變形。正弦脈沖信號(hào)是由一定頻率范圍內(nèi)的許多單頻信號(hào)組合成的。因此要使正弦脈沖通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)不變形，就必須確保脈沖通過(guò)時(shí)所有頻譜都不受損失，即通過(guò)系統(tǒng)前后的脈沖信號(hào)有同樣的頻譜圖。要使頻譜圖中的每條譜線全部通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)，τ必須與測(cè)量系統(tǒng)的帶寬Δf滿足如下關(guān)系如果允許脈沖通過(guò)時(shí)有微小的畸變，僅要求脈沖主帶寬內(nèi)的信號(hào)全部通過(guò)，則應(yīng)
滿足以下關(guān)系 2—(4) τ不能過(guò)大，應(yīng)保證脈沖寬度所對(duì)應(yīng)的有限區(qū)域介質(zhì)中行程小于直達(dá)聲程與最近反射聲程之差，以免來(lái)自邊界或障礙物的反射聲對(duì)直達(dá)聲產(chǎn)生干擾。這要求
Γ R-clτ<-
c式中R-來(lái)回反射聲程；d-直達(dá)聲程。(5) τ不能過(guò)大，應(yīng)保證在發(fā)射和接收傳感器的尺寸較大以致它們之間的聲反射不可忽略時(shí)，能夠避免反射的影響。這要求τ滿足
γπIdτ< —
c式中d_兩傳感器之間的間距。在常規(guī)聲學(xué)校準(zhǔn)中，應(yīng)根據(jù)所用儀器設(shè)備、校準(zhǔn)區(qū)域大小、消聲與否和傳感器的布置等情況，綜合考慮確定T值。在水聲測(cè)量中對(duì)T有兩種相反的要求，一方面要求T小些， 即重復(fù)頻率高些，以便易于采集、讀數(shù)或記錄；一方面要求T大些，使邊界反射聲或混響聲在下一脈沖到來(lái)之前能完全消失或衰減至允許值。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦T應(yīng)滿足以下條件Τ>、Τ6 式中Τ6(Γ水池的混響時(shí)間，即自脈沖結(jié)束至聲級(jí)衰減60dB的時(shí)間。3、聲學(xué)校準(zhǔn)測(cè)量中測(cè)試距離的確定在自由場(chǎng)中進(jìn)行聲傳感器校準(zhǔn)時(shí)，通常需要構(gòu)成傳感器對(duì)，其中一個(gè)傳感器發(fā)射聲波，另一個(gè)傳感器(接收器)接收聲波。由于必須滿足一定的聲場(chǎng)要求，這兩個(gè)傳感器之間的距離(也即測(cè)試距離)并不是任意的，必須等于或大于所允許的最近距離，此距離有時(shí)稱作“臨近區(qū)”。確定發(fā)射傳感器的允許最近測(cè)量距離的必要性，主要源于發(fā)射傳感器發(fā)送響應(yīng)定義中所提出的要求，即要求聲壓是球面發(fā)散波聲壓，其參考距離是距發(fā)射傳感器聲中心lm。 如果Im距離處的聲波不是球面發(fā)散波，則聲壓必須在滿足此要求的更大的距離上測(cè)量，然后按聲壓與距離成反比的規(guī)律，推算出Im距離處的聲壓。
確定接收器的允許最近測(cè)量距離的必要性，主要源于接收器的自由場(chǎng)電壓靈敏度的定義。這一定義要求輸入接收器的自由場(chǎng)聲壓必須為平面行波聲壓。但在自由場(chǎng)中是很難得到真正的平面波的。因此實(shí)際上總是要求接收器接收面截取球面波波陣面上很小一塊波面，用這一小波面近似等效為理想平面波波面。為了使所截取的波面很小，在接收面一定的情況下，球面波的曲率半徑必須很大，而這只有在遠(yuǎn)距離才能實(shí)現(xiàn)。根據(jù)聲互易原理，一個(gè)傳感器在發(fā)射狀態(tài)下所要求的最近測(cè)量距離與在接收狀態(tài)下所要求的最近測(cè)量距離是相同的。一個(gè)普遍適用的測(cè)量距離允許法則，即
L權(quán)利要求
1.一種低頻聲波自由場(chǎng)聲壓校準(zhǔn)方法，其特征在于包括如下步驟1)在有限區(qū)域中使用校準(zhǔn)支架布置發(fā)射傳感器與接收傳感器，確定二者之間的距離， 當(dāng)發(fā)射傳感器輻射出一定參數(shù)的脈沖信號(hào)后，待聲場(chǎng)穩(wěn)定，通過(guò)接收傳感器采集接收到的聲壓信號(hào)；2)改變校準(zhǔn)支架在校準(zhǔn)區(qū)域中的絕對(duì)位置，將校準(zhǔn)支架分別有關(guān)方向進(jìn)行移動(dòng)，移動(dòng)量必須滿足一定要求，而發(fā)射傳感器與接收傳感器仍位于校準(zhǔn)支架原位置上，二者之間的相對(duì)位置與距離不變，再次通過(guò)接收傳感器采集接收到的聲壓信號(hào)；3)將兩次采集的信號(hào)進(jìn)行同步疊加，將疊加后的信號(hào)進(jìn)行平均處理，即可得到所需的自由場(chǎng)聲壓信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低頻聲波自由場(chǎng)聲壓校準(zhǔn)方法，具體包括如下步驟1)在以長(zhǎng)L，寬W，深H矩形六面體為例的有限區(qū)域中，對(duì)發(fā)射傳感器與接收傳感器通過(guò)校準(zhǔn)支架加以固定，發(fā)射傳感器與接收傳感器以水平中心對(duì)稱地置于校準(zhǔn)區(qū)域的左右兩側(cè)，二者相互間的距離為d，距寬度方向一個(gè)側(cè)面的距離為W/2，距底面的距離為H/2 ；2)發(fā)射傳感器產(chǎn)生一定參數(shù)的脈沖信號(hào)，接收傳感器在發(fā)射傳感器發(fā)出聲信號(hào)后將先后接收到7個(gè)來(lái)自不同聲程的聲信號(hào)，分別是校準(zhǔn)區(qū)域中的直達(dá)聲，聲程為d ；校準(zhǔn)區(qū)域面與底反射聲，聲程為d2 = d3 = 2 [ (d/2)2+ (Η/2)2]1/2 ；校準(zhǔn)區(qū)域兩個(gè)端面反射聲，聲程為d4 = d5 = L ；校準(zhǔn)區(qū)域兩個(gè)側(cè)面的反射聲，聲程為d6 = d7 = 2[(d/2)2+(W/)2]"2，待聲場(chǎng)穩(wěn)定后， 如果僅考慮一次反射聲信號(hào)的影響，則接收器處采集獲得的聲壓信號(hào)應(yīng)是這7個(gè)聲信號(hào)之和，即產(chǎn)尸。+=令[ι+ 苧ζ(叫一…式中d-直達(dá)聲程，單位為m;Cli-不同反射聲程，單位為m;Ri-各反射面的反射系數(shù)；Pa"聲源等效到1米處的輻射聲壓，單位為1 ；Po"接收器接收的直達(dá)波聲壓，凡，單位為㈦.Pi-接收器接收的不同反射面的反射波聲壓，A單位為1 ；k-聲波波數(shù)，單位為m1;3)改變校準(zhǔn)支架在校準(zhǔn)區(qū)域中的絕對(duì)位置，將校準(zhǔn)支架向上或者向下移動(dòng)Ah，向前側(cè)面或后側(cè)面移動(dòng)△ ，向左端面或右端面移動(dòng)Δ1，而保持發(fā)射傳感器與接收傳感器之間的相對(duì)位置與距離不變?nèi)詾閐，其中，3個(gè)方向的移動(dòng)量需要滿足下列條件ifM-IRW^顯-I1^eH
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低頻聲波自由場(chǎng)聲壓校準(zhǔn)方法，其特征是所述校準(zhǔn)區(qū)域?yàn)榫匦瘟骟w。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低頻聲波自由場(chǎng)聲壓校準(zhǔn)方法，其特征是所述校準(zhǔn)區(qū)域的邊界是包括反射界面和敷設(shè)消聲器邊界的任意特性邊界。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低頻聲波自由場(chǎng)聲壓校準(zhǔn)方法，其特征是所述校準(zhǔn)支架不產(chǎn)生聲反射和聲散射，或者其影響小至可以忽略不計(jì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低頻聲波自由場(chǎng)聲壓校準(zhǔn)方法，其特征是所述發(fā)射傳感器與接收傳感器之間的距離應(yīng)該滿足發(fā)射傳感器和接收傳感器的遠(yuǎn)場(chǎng)條件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低頻聲波自由場(chǎng)聲壓校準(zhǔn)方法，其特征是所述發(fā)射傳感器輻射脈沖信號(hào)的參數(shù)需滿足發(fā)射傳感器穩(wěn)態(tài)振動(dòng)、在空間上達(dá)到穩(wěn)態(tài)以及聲脈沖信號(hào)通過(guò)校準(zhǔn)系統(tǒng)不變形的條件要求。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低頻聲波自由場(chǎng)聲壓校準(zhǔn)方法，其特征是所述聲場(chǎng)穩(wěn)定是指發(fā)射傳感器和接收傳感器均正常穩(wěn)定工作且發(fā)射傳感器輻射聲信號(hào)良好、接收傳感器接收到的信號(hào)滿足聲學(xué)校準(zhǔn)中信噪比要求。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低頻聲波自由場(chǎng)聲壓校準(zhǔn)方法，其特征是所述采集信號(hào)開(kāi)始時(shí)間的延時(shí)不大于發(fā)射傳感器發(fā)射出的聲波到達(dá)接收傳感器的時(shí)間，所述采集信號(hào)的總時(shí)間不小于采集到完整的直達(dá)波和足夠反射信號(hào)所需的時(shí)間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低頻聲波自由場(chǎng)聲壓校準(zhǔn)方法，其特征是所述兩次采集信號(hào)的基本參數(shù)設(shè)置必須完全一致。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低頻聲波自由場(chǎng)聲壓校準(zhǔn)方法，包括如下步驟1)在有限區(qū)域中使用校準(zhǔn)支架布置發(fā)射傳感器與接收傳感器，當(dāng)發(fā)射傳感器輻射出一定參數(shù)的脈沖信號(hào)后，通過(guò)接收傳感器采集接收到的聲壓信號(hào)；2)改變校準(zhǔn)支架在校準(zhǔn)區(qū)域中的絕對(duì)位置，而發(fā)射傳感器與接收傳感器仍位于校準(zhǔn)支架原位置上，二者之間的相對(duì)位置與距離不變，再次通過(guò)接收傳感器采集接收到的聲壓信號(hào)；3)將兩次采集的信號(hào)進(jìn)行同步疊加，將疊加后的信號(hào)進(jìn)行平均處理，即可得到所需的自由場(chǎng)聲壓信號(hào)。發(fā)明有益的效果是本方法實(shí)施操作簡(jiǎn)單方便，可以無(wú)需考慮邊界反射的影響，可以在聲波的低頻頻段有效抑制反射信號(hào)對(duì)于直達(dá)聲信號(hào)的影響，拓展室內(nèi)自由場(chǎng)聲壓校準(zhǔn)的頻率下限，方法可靠。
文檔編號(hào)H04B11/00GK102523057SQ201110444398
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者朱學(xué)文, 禹建, 費(fèi)騰 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所