声波在有限区域介质中传播的直达波信号声压的测量方法技术

本发明专利技术提供一种声波在有限区域介质中传播的直达波信号声压的测量方法，包括如下步骤：１）首先，在介质的有限区域中布放发射点和接收点，并固定两点之间的距离，当发射点产生出一定脉宽的连续脉冲波，接收点在介质有限区域形成稳定的声场后，开始采集由发射点发出的声压信号；２）然后，在介质的有限区域内重新布放发射点和接收点，并保持发射点和接收点相对距离不变，重复上一步的操作，如此反复Ｍ次，接收点采集到Ｍ个信号波的声压；３）最后，将接收点采集到的Ｍ个信号进行同步，然后叠加，将叠加后的波形进行平均得到所需要的直达波信号声压。利用本方法，即使在介质中的有限区域内存在着同频反射的声干扰，也可比较容易地将直达波提取出来。

Direct wave signal sound pressure measuring method for sound wave propagation in a limited area medium

Method for measuring direct wave signal sound pressure of the invention provides an acoustic wave propagation in a limited area of the medium, which comprises the following steps: 1) first of all, in the limited area of medium cloth emission point and the receiving point, and fixed the distance between two points, when the launching point produces a certain pulse width continuous pulse wave receiver point to form a stable sound field in the medium limited area, began collecting pressure signals sent by the launch point; 2) then put the launch point and the receiving point to cloth in a limited area within the medium, and keep the transmission point and the receiving point relative distance unchanged, repeat the step of the operation, so repeated M times, receiving collected M signal wave pressure; 3) finally, will be synchronized, receiving the collected M signals and then superimposed, the superimposed waveforms were averaged to obtain direct wave needed Signal sound pressure. By using the method, the direct wave can be extracted easily even in the limited region of the medium with the same frequency reflected sound interference.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种声场信号与信息处理技术，特别涉及一种无需考虑边界反射影 响的。
技术介绍
1.声波在有限区域介质中的传播声波从一介质传播到另一介质时，由于在不同介质中的声速与密度的不同，声波 会在介质的分界面上产生反射和折射。在介质内一定距离的有限区域中，声波由一 点传播至另一点，定义第一点为发射点，第二点为接收点。由发射点发出的声波直 接到达接收点的称之为直达波。声波到达介质分界面的波称之为入射波，被介质分 界面反射回来的称之为反射波，透射到另一介质内部的称之为折射波，又叫透射波。由声传播理论可知，介质的特性阻抗对波的反射影响很大，两介质的波阻抗值相 差愈大，其反射系数也愈大，反射波很强，反射能量很大；反之，两介质波阻抗值 愈接近，反射系数愈小，反射波很弱，入射声能大部分透入第二介质中。通俗地说，就是声波由声学性质为"软"的介质入射到"硬"的介质或由声学性 质为"硬"的介质入射到"软"的介质时，在两介质的分界面上几乎发生全反射。比如，空气对于水来说如同自由边界，声波由水中透过分界面进入空气中的能量 是微乎其微的。假设有某介质的有限区域为矩形六面体，且该介质与相接触的另一介质的特性 阻抗相差很大，如图l所示设A为发射点，B为接收点，它们处于介质中某位置。在不考虑介质六个界面的 二次反射时，接收点B可以在发射点A发出声信号以后接收来自7个不同声程的声 信号。它们分别是①直达声，声程为d;②介质表面反射声，来自6个面的反射声的声程为4~《，它们分别表示自上下表面，前后左右壁面的反射波声程。对于有限六面体区域中，音频范围内声波在介质中的混响时间比较长。也就是说， 在第一个脉冲声信号结束后，介质中将存在着各个面的一次反射或多次反射声信号，它们的存在将与后一个脉冲叠加在一起。先前发射的声信号的混响将干扰下一个脉 冲声信号的直达脉冲的读取。在这种情况下虽然可以降低脉冲的重复频率，使所有 的反射信号在声脉冲的间隔时间内贡献足够小，但这里存在一个信号分离的频率下 限和受到信号处理系统中脉冲记录设备的限制。另外的办法是增大介质的六面体尺 寸，以距离衰减来消除混响的影响或使介质内局部消声，减弱介质内界面的反射。 所谓局部消声，就是在介质界面的局部位置铺设消声器消除或减弱界面的反射声信 号，使混响信号迅速消失。这样，脉冲的重复频率可以提高，能使脉冲声信号的采 集和处理设备保持平稳。所谓全消声，是指在介质的所有边界界面上全部铺设消声 器，使得介质的各个界面对入射声没有反射。无疑，这相当于介质边界的无限延伸， 在这种具有无限边界的介质中可以获得理想的自由声场。但在实际中，完全理想化的消声器是不存在的，或者说铺设有消声器的介质不可 能做到完全消声。因为现在的消声器不能吸收全部入射声能，大多数消声器只是部 分的有效，特别是在低频段上，对单次反射只能部分衰减而不能完全消除，所以即 使边界都铺设消声器的介质空间也不能完全模拟无限远边界的声场条件。实际应用 的全消声介质中的连续波声场也是有起伏的，特别是在边界附近，低频比高频的驻 波比更大。2.测量中干扰的识别和排除方法在实际的信号处理中，干扰主要来自两个途径其一是声或振动的干扰，其二 是电或电磁的干扰。这两方面的主要干扰源又可分成以下四类(1) 周围环境的机、电无规噪声包括来自附近一些机电设备的无规噪声、振动和干扰；来自船舶、车辆等交通 运输设备的噪声和振动；来自介质中生物的噪声和介质流动的噪声等。这些噪声的 特点是，在时间上是无规的，在频率、幅度和相位上也是无规的。由于这类干扰噪 声和被测信号不会发生干涉，因此容易识别。甚至在未发射测量信号之前，就可在 接收系统观察到它的存在与否。(2) 有规的声、电信号源主要是电源基波及其谐波信号，这类干扰信号一般通过静电场和电磁场对测量信 号产生干扰。具体来说，电网运行不平衡，测量仪器太靠近稳压电源等电源设备， 电缆和导线屏蔽不良，测量系统接地不正确或接收传感器使用不当等，都可能产生 这类干扰。这种干扰在测量中最为常见，严重时比信号还大，可使测量无法正常进 行。介质中其他声学试验发出的声信号和介质中固定设备运行产生的周期性声信号，也可能成为有规的干扰信号。进行高频测量时，可能还会受到附近无线电台发出的电磁波的干扰。这些千扰信号的共同特点是具有一定的频率，因此识别比较容易， 有时通过示波器显示波形就可一目了然。(3) 与信号同频率的声、电干扰这类千扰主要包括电干扰信号和声干扰信号两种。电千扰信号来自测量信号的发 射系统，与被测信号具有相同频率。此种千扰主要是由于接收系统或发射系统接地 不正确所引起的，也可能是由于接收系统(尤其是前置放大器的输入端)对发射系 统中功率放大器的电磁场屏蔽不良所引起的。这种由发射系统串入接收系统的电干扰有时简称"串漏"。同频率声干扰主要是测量介质边界和介质中障碍物的反射声， 有时还可能是接收和发射传感器之间的反射声。对此类同频率的干扰信号，分离比较困难，由于与信号频率相同，用通常的滤波 或频率分析方法也无法消除，因此对测量影响比较大，必须认真对待。通常，识别 并消除此类干扰的最有效方法是采用脉冲测量技术。用脉冲信号测量时，可用示波 器显示接收传感器的开路电压信号，根据显示波形的时间序列可将有用的直达声脉 冲与电串漏干扰脉冲和反射干扰声脉冲区分开来。但当必须用正弦连续信号或长脉 冲信号测量时，将不可能从时间上直观的识别出干扰信号。这时可以根据同频率信 号相干涉的原理，通过扫频测量来识别千扰。(4) 介质中包含有其它介质发生谐振的干扰典型的如水中包含有气泡发生谐振的干扰。这里所指的气泡除了水中自由漂流或 粘附在水表面的球形气泡外，还包括洞穴、裂缝、沟槽、机械零部件等处的少量气 体。这些气泡在声场中受到声压的作用，当声压的频率达到它的谐振频率时，气泡 就强烈震荡起来，气泡的振荡又在相当大的范围内影响到测量声场。气泡的谐振频 率反比于气泡半径。气泡的二次辐射对水中声压的影响主要是在其谐振频率附近。 因此，测量频率远离气泡谐振频率时就不会受到它的影响。但在较宽频率范围内测 量传感器的频率响应是，有可能会受到它的影响。测量中有效排除干扰的方法如前所述，测量中可能遇到的干扰是多种多样的，对不同类型的干扰应该用不同 的办法排除。但在实际情况下，并不是所有的干扰都能够排除。例如，有时会遇到 两个以上不同类型的干扰，这时需要通过分析，选择一种折中的排除方案；有时不 得不考虑创造更好的测量条件和建立另外的测量方法，以求从根本上解决某些干扰 问题。在测量中通常使用的有效排除相应干扰的的方法有如下几种(1)正确选用测量传感器、正确构造测量系统和正确处理测量连接线这是减小或排除电源频率及其谐波干扰和电串漏干扰的有效方法。通常应选择 灵敏度高、阻抗低、绝缘电阻高、电缆不太长的传感器。传感器电缆应良好屏蔽， 其负极不要直接接地。接收系统和输入连线应有良好屏蔽。如电源和发射系统的功 率放大器有较强的电磁辐射，接收系统和连接线应远离它们。系统应有良好的接地， 并避免多点接地。(2) 选用合适的滤波器接收系统选用合适类型的滤波器可有效隔离电源频率干扰和周围无规噪声的干 扰以及有规振动声源的干扰。(3) 采用脉冲声测量技术这是排除电串漏干扰、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种声波在有限区域介质中传播的直达波信号声压的测量方法，所述有限区域呈多面体形状，该方法包括如下步骤：　１）首先，在介质的有限区域中布放发射点和接收点，并固定两点之间的距离，当发射点产生出一定脉宽的连续脉冲波，接收点在介质有限区域形成 稳定的声场后，开始采集由发射点发出的声压信号；　２）然后，在介质的有限区域内重新布放发射点和接收点，并保持发射点和接收点相对距离不变，重复上一步的操作，如此反复Ｍ次，接收点采集到Ｍ个信号波的声压；　３）最后，将接收点采集到的Ｍ个 信号进行同步处理，然后再叠加，将叠加后的波形进行平均得到所需要测量的直达波信号声压。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：莫喜平，吴本玉，崔政，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]