一种低温低气压环境的声衰减系数测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于声波测量设备技术领域，具体地说，涉及一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置及测量方法，包括：设置在完全封闭的低温低压的环境模拟容器(6)内的发射换能器(1)、接收换能器(2)、第一固定支架(3)、第二固定支架(4)和第三固定支架(5)；设置在封闭的低温低压的环境模拟容器(6)外的信号发生器、放大电路和示波器，信号发生器和放大电路均与示波器连接；以及设置在上位机的数据处理模块；所述第三固定支架(5)呈水平放置，第三固定支架(5)的两端分别设有第一固定支架(3)和第二固定支架(4)，第一固定支架(3)上安装发射换能器(1)，第二固定支架(4)上安装接收换能器(2)。

【技术实现步骤摘要】
一种低温低气压环境的声衰减系数测量装置及测量方法
本专利技术属于地球高层大气和火星表面的声波测量设备
，具体地说，涉及一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置及测量方法。
技术介绍
低温低气压是一种特殊的大气环境，这种环境既存在于地球上空海拔20-100km的临近空间，也存在于距地球上亿公里之外的火星表面。环境发生变化，声波的传播性质也会改变。因此，在低温低气压的气体环境中的声衰减系数也会发生变化。对这样一种特殊的大气环境进行声衰减的研究，有助于提高我们对上述未知环境的声学方面的物理特性的认识，也为后续这部分环境中利用声学手段解决问题提供了基础。地球高层大气(临近空间)和火星表面大气层都是低温和极低气压的环境。极低压低温大气中的声衰减系数是全面认知地球和行星声学环境的基础，也是行星声探测应用的必要参数。声衰减系数作为气体介质的一个重要的声学参数，在一种气体中主要包括经典衰减与弛豫衰减。经典衰减是由于气体的粘滞性、热传导效应等引起的声波的能量的消耗，与声波的频率的平方成正比，与气体的温度和气压也有关系。弛豫衰减是由气体分子的振动弛豫效应引起的，不仅与气体环境(温度、湿度、气压)有关，还与声波频率之间存在着复杂的变化关系。对于声波衰减系数的测量起步相对较晚，且由于接收到的声波的幅度容易受到外界环境的影响，目前许多现有的测量方法对于声衰减系数的测量精度较低。常见的测量声衰减系数的方法主要包括：共振法、变程脉冲法、辐射力法和背向散射频谱法。但是，由于测量衰减的过程需要在密闭的低温低气压环境，因此这些需要通过移动声学换能器而改变声波接收的距离的方法并不能实现。如果在测量过程中打开或者关闭实验容器来改变声波传播的距离，则会破坏实验环境的一致性，不能保证不同距离的实验结果之间温度、气压等环境参数的一致，造成了声衰减系数的测量结果存在较大的误差。因此，国内尚未实现在低温低气压下的气体中的声衰减测量实验。
技术实现思路
为解决现有的测量方法存在的上述缺陷，本专利技术提出了一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置及测量方法，利用环境模拟容器模拟出低温低气压的气体环境条件，温度设置为-80℃-20℃低温区间，气体压强设置在600Pa-1atm的低气压区间，实现测量声衰减系数的目的。本专利技术提供的一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置，该装置包括：设置在完全封闭的低温低压的环境模拟容器内的发射换能器、接收换能器、第一固定支架、第二固定支架和第三固定支架；设置在封闭的低温低压的环境模拟容器外的信号发生器、放大电路和示波器，信号发生器和放大电路均与示波器连接；以及设置在上位机的数据处理模块；所述第三固定支架呈水平放置，第三固定支架的两端分别设有第一固定支架和第二固定支架，第一固定支架上安装发射换能器，第二固定支架上安装接收换能器；所述信号发生器发射触发信号，并将该触发信号传至发射换能器；将该触发信号转换为声波信号；该声波信号在环境模拟容器预先模拟的低温低气压环境的气体中传播，并将产生的直达波信号和二次反射回波信号传至接收换能器；所述接收换能器接收直达波信号和二次反射回波信号，并将该直达波信号和二次反射回波信号传至放大电路进行放大处理；所述数据处理模块根据发射换能器与接收换能器之间的距离，声反射率，以及放大处理后的直达波信号的电压幅值和放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值，计算声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数。作为上述技术方案的改进之一，所述数据处理模块具体包括：获取单元，用于获取经放大电路进行放大处理后的直达波信号和二次回波信号；处理单元，用于根据获取的放大处理后的直达波信号和二次回波信号，并利用公式(1)，获取声波信号在低温低气压环境的某一种气体中传播时的声衰减系数为：其中，a为声衰减系数；d为发射换能器与接收换能器之间的声波信号的传播距离；R为声波在接收换能器和低温低气压环境的某一种待测气体的气体接触面的反射率；UR为放大处理后的直达波信号的电压幅值；UR2为放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值。作为上述技术方案的改进之一，所述环境模拟容器，用于提供低温低气压的大气环境；其中，所述低温为-80℃-20℃；所述低气压为600Pa-1atm。作为上述技术方案的改进之一，所述发射换能器与接收换能器相对水平放置，二者之间的距离为0.15-0.25m。作为上述技术方案的改进之一，所述声波信号的频率为20-40kHz。本专利技术还提供了一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量方法，该方法包括：信号发射器产生触发信号，并将该触发信号传至发射换能器；发射换能器将该触发信号转换为声波信号；该声波信号在环境模拟容器预先模拟的低温低气压环境的气体中传播，并将产生的直达波信号和二次反射回波信号传至接收换能器；所述接收换能器接收直达波信号和二次反射回波信号，并将该直达波信号和二次反射回波信号传至放大电路进行放大处理；数据处理模块根据发射换能器与接收换能器之间的距离，声反射率，以及放大处理后的直达波信号的电压幅值和放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值，计算声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数。作为上述技术方案的改进之一，所述数据处理模块根据发射换能器与接收换能器之间的距离，声反射率，以及放大处理后的直达波信号的电压幅值和放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值，计算声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数；具体为：根据获取的放大处理后的直达波信号和二次回波信号，并利用公式(1)，获取声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数为：其中，a为声衰减系数；d为发射换能器与接收换能器之间的声波信号的传播距离；R为声波在接收换能器和低温低气压环境的某一种待测气体的气体接触面的反射率；UR为放大处理后的直达波信号的电压幅值；UR2为放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值。本专利技术相比于现有技术的有益效果在于：本专利技术的测量装置结构简单，不需要反复开启环境模拟器，保证不同距离的实验结果之间温度、气压等环境参数的一致，减小了声衰减系数的测量结果存在的误差；另外，本专利技术的测量方法，针对在-80～20℃的低温环境、气压为600Pa-1atm的低压环境的大气环境中测量声衰减系数，实现了在低温、低气压的环境中定量的测量出了更精确的声衰减系数，并得到了声衰减系数随气压降低而增大的结论。附图说明图1是本专利技术的一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置的结构示意图；图2是本专利技术的一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置中的直达波和二次反射回波示意图；图3是本专利技术的一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置的一个具体实施例的直达波和二次反射回波的时域波形示意图。附图说明：1、发射换能器2、接收换能器3、第一固定支架4、第二固定支架5、第三固定支架6、环境模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置，其特征在于，该装置包括：设置在完全封闭的低温低压的环境模拟容器(6)内的发射换能器(1)、接收换能器(2)、第一固定支架(3)、第二固定支架(4)和第三固定支架(5)；设置在封闭的低温低压的环境模拟容器(6)外的信号发生器、放大电路和示波器，信号发生器和放大电路均与示波器连接；以及设置在上位机的数据处理模块；/n所述第三固定支架(5)呈水平放置，第三固定支架(5)的两端分别设有第一固定支架(3)和第二固定支架(4)，第一固定支架(3)上安装发射换能器(1)，第二固定支架(4)上安装接收换能器(2)；/n所述信号发生器发射触发信号，并将该触发信号传至发射换能器(1)；将该触发信号转换为声波信号；/n该声波信号在环境模拟容器(6)预先模拟的低温低气压环境的气体中传播，并将产生的直达波信号和二次反射回波信号传至接收换能器(2)；所述接收换能器(2)接收直达波信号和二次反射回波信号，并将该直达波信号和二次反射回波信号传至放大电路进行放大处理；/n所述数据处理模块根据发射换能器与接收换能器之间的距离，声反射率，以及放大处理后的直达波信号的电压幅值和放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值，计算声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数。/n...

【技术特征摘要】
1.一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置，其特征在于，该装置包括：设置在完全封闭的低温低压的环境模拟容器(6)内的发射换能器(1)、接收换能器(2)、第一固定支架(3)、第二固定支架(4)和第三固定支架(5)；设置在封闭的低温低压的环境模拟容器(6)外的信号发生器、放大电路和示波器，信号发生器和放大电路均与示波器连接；以及设置在上位机的数据处理模块；
所述第三固定支架(5)呈水平放置，第三固定支架(5)的两端分别设有第一固定支架(3)和第二固定支架(4)，第一固定支架(3)上安装发射换能器(1)，第二固定支架(4)上安装接收换能器(2)；
所述信号发生器发射触发信号，并将该触发信号传至发射换能器(1)；将该触发信号转换为声波信号；
该声波信号在环境模拟容器(6)预先模拟的低温低气压环境的气体中传播，并将产生的直达波信号和二次反射回波信号传至接收换能器(2)；所述接收换能器(2)接收直达波信号和二次反射回波信号，并将该直达波信号和二次反射回波信号传至放大电路进行放大处理；
所述数据处理模块根据发射换能器与接收换能器之间的距离，声反射率，以及放大处理后的直达波信号的电压幅值和放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值，计算声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数。


2.根据权利要求1所述的用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置，其特征在于，所述数据处理模块具体包括：
获取单元，用于获取经放大电路进行放大处理后的直达波信号和二次回波信号；
处理单元，用于根据获取的放大处理后的直达波信号和二次回波信号，并利用公式(1)，获取声波信号在低温低气压环境的某一种气体中传播时的声衰减系数为：



其中，a为声衰减系数；d为发射换能器(1)与接收换能器(2)之间的声波信号的传播距离；R为声波在接收换能器(2)和低温低气压环境的某一种待测气体的气体接触面的反射率；UR为放大处理后的直达波信号的电压幅值；UR2为放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值。


3.根据权利要求1所述的用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈茹珊，李超，崔寒茵，林伟军，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11