CN106018550A - 一种声学特性测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声学特性测量装置及方法，测量装置包括上位机、采样管、声学换能器、水听器组、声波仪；声波仪接收上位机发送的根据当前输入的测试波类型生成的携带有测试波类型的第一信号，并根据第一信号生成相应的测试波形信号发送给声学换能器；声学换能器将测试波形信号转化为相应的第一声波并射入采样管中的待测样品中；水听器组中的各个水听器采集第一声波通过待测样品后形成的声波并生成相应信号发送至声波仪；声波仪进行放大处理后发送至上位机；上位机对当待测样品为液体或沉积物时声波仪发送的放大信号进行解析并计算液体中沉积物的声学特性。基于上述测量装置保证了在对液体中沉积物声学特性进行测量时结果的准确度。

Description

一种声学特性测量装置及方法

技术领域

本发明涉及声学探测技术领域，尤其涉及一种声学特性测量装置及方法。

背景技术

广阔的江河湖海中布满沉积物，沉积物的声学特性是研究存在于水中的沉积物的最有效的方法。以海底沉积物为例，其是海洋物理和工程研究的重要对象，其声学特性研究一直备受国内外学者的重视，是船舰航行、潜艇潜行、海底资源探测、海洋工程作业等必须知道和了解的特性。海底沉积物声学特性包含两个主要的特性参数：声速和声衰减，其中，声速反应出声波在海底传播的快慢程度，声衰减反映出海底底质对声波传播或地震波作用距离的影响。

目前对液体中沉积物的声学测量方法主要有声学遥测、原位测量和采样测量三种方法，其中，声学遥测方法需要原位测量方法和采样测量方法获取的声学特性作为分析依据和评判标准。对液体中沉积物进行原位测量需要专用的原位声学测量仪器，而当前的原位测量仪器测量的频率有限，无法实现多种声学特性测量的需要并且存在采样和二次作业的问题，因此原位声学测量方法虽然精度高但是成本高、耗时高、研究局限性大。因此，通过采样测量方法采集沉积物样品，然后在实验室进行测量成为广泛应用的方法。

在实验室测量过程中，对于声衰减系数的测量普遍采用同轴间距测量法。同轴间距测量法需要分割样品、移动换能器，这就破坏了样品的主体结构。另外，当前的声衰减系数测量方法均未验证在液体中的扩散损失，由于无法消除扩散所带来的误差，因此会产生较大误差。对于声速的测量普遍采用一发一收，由于存在多途路径声波的干扰和起跳点误差，从而引起声速测量结果的不准确。

有鉴于此，现有的技术方案在对液体中沉积物声学特性进行测量时，无法保证测量结果的准确度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种声学特性测量装置及方法，以解决现有的技术方案在对液体中沉积物声学特性进行测量时，无法保证测量结果的准确度的问题。技术方案如下：

一种声学特性测量装置，包括：

上位机；

设置于测量支架上，用于放置待测样品的采样管；

水平放置于所述测量支架上的声学换能器，所述声学换能器的输出端与所述采样管中所述待测样品的端面耦合相连；

水听器组，所述水听器组竖直设置于所述测量支架上且所述水听器组中各个水听器的采样端插入于所述采样管的径向端，其中，所述水听器组中至少包含并排设置且间隔预设距离的第一水听器和第二水听器；

声波仪，所述声波仪的第一接收端和第一输出端与所述上位机相连，第二输出端与所述声学换能器的输入端相连，第二接收端与所述水听器组中各个水听器的输出端相连；

所述声波仪接收所述上位机发送的根据当前输入的测试波类型生成的携带有测试波类型的第一信号，并根据所述携带有测试波类型的第一信号生成相应的测试波形信号发送给所述声学换能器；所述声学换能器将所述测试波形信号转化为相应的第一声波并射入所述采样管中的所述待测样品中；

当所述待测样品为液体时，所述水听器组中的各个水听器采集所述第一声波通过所述液体后形成的第二声波，并生成相应的第二信号发送至所述声波仪；所述声波仪将所述第二信号进行放大处理，并生成第三信号发送至所述上位机；

当所述待测样品为沉积物时，所述水听器组中的各个水听器采集所述第一声波通过所述沉积物后形成的第三声波，并生成相应的第四信号发送至所述声波仪；所述声波仪将所述第四信号进行放大处理，并生成第五信号发送至所述上位机；

所述上位机对所述第三信号和所述第五信号进行解析，并计算所述液体中所述沉积物的声学特性。

优选的，所述水听器组包括：针式水听器组。

优选的，所述上位机包括：

用于存储所述水听器组中各个水听器之间的所述预设距离、所述第三信号和所述第五信号的存储器；

用于对所述第三信号和所述第五信号进行解析并计算所述液体中所述沉积物的声学特性的处理器。

优选的，所述处理器具体包括：

波形处理器，用于解析所述第三信号和所述第五信号，得到相应的声学波形，判断所述声学波形中起跳点的位置，并选取以起跳点为基准开始的预设n个周期的波形作为有效波，获取所述有效波在第一预设特征点的采样数和在第二预设特征点的声压幅值，其中，n的取值范围为大于0的整数，具体为3，所述第一预设特征点包括零点、峰值点和/或峰谷点，所述第二预设特征点为所述峰值点；

第一计算器，用于基于所述第三信号对应的有效波在所述第一预设特征点的采样点数，计算所述液体中的第一时间差其中，下标j表示所述第一水听器，下标k表示所述第二水听器，a为所述第三信号对应的有效波中零点采样点数ZP的总数，b为所述第三信号对应的有效波中峰值点采样点数PP的总数，c为所述第三信号对应的有效波中峰谷点采样点数DP的总数,T_S为获取采样点数的周期；

第二计算器，用于根据所述第一时间差Δt₁，计算所述液体中的声延时Δt₀＝c_w0/d₀-Δt₁，其中，c_w0为标准声速，d₀为所述第一水听器和所述第二水听器之间的所述预设距离；

第三计算器，用于依据所述第三信号对应的有效波在所述第二预设特征点的声压幅值，计算所述液体中的第一声衰减系数其中，APP_i为所述第三信号对应的有效波中第i个所述第二预设特征点的声压幅值；

第四计算器，用于基于所述第五信号对应的有效波在所述第一预设特征点的采样点数，计算所述沉积物中的第二时间差其中，m为所述第五信号对应的有效波中零点采样点数ZP的总数，n为所述第五信号对应的有效波中峰值点采样点数PP的总数，l为所述第五信号对应的有效波中峰谷点采样点数DP的总数；

第五计算器，用于根据所述第五信号对应的有效波在所述第二预设特征点的声压幅值，计算所述沉积物中的第二声衰减系数其中，APP_i为所述第五信号对应的有效波中第i个所述第二预设特征点的声压幅值；

第六计算器，用于基于所述声延时Δt₀和所述第二时间差Δt₂，计算所述液体中所述沉积物的声学特性中的声速c_p＝d₀/(Δt₂-Δt₀)；

第七计算器，用于依据所述第一声衰减系数α₁和所述第二声衰减系数α₂，计算所述液体中所述沉积物的声学特性中的声衰减系数α_p＝α₂-α₁。

优选的，所述声波仪具体用于：

当当前输入的测试波类型为脉冲波，所述声学换能器为预设频率的窄频声学换能器时，接收所述上位机发送的根据当前输入的脉冲波类型生成的携带有脉冲波类型的第一信号，并根据所述携带有脉冲波类型的第一信号生成脉冲波形信号发送给所述窄频声学换能器。

优选的，所述声波仪具体用于：

当当前输入的测试波类型为正弦波，所述声学换能器为宽频声学换能器时，接收所述上位机发送的根据当前输入的正弦波类型生成的携带有正弦波类型的第一信号，并根据所述携带有正弦波类型的第一信号生成正弦波形信号发送给所述宽频声学换能器。

一种声学特性测量方法，应用于上述任意一个方案所述的测量装置，所述测量装置包括上位机、采样管、声学换能器、水听器组和声波仪，其中，所述水听器组中至少包含并排设置且间隔预设距离的第一水听器和第二水听器，所述测量方法包括：

所述声波仪接收所述上位机发送的根据当前输入的测试波类型生成的携带有测试波类型的第一信号，并根据所述携带有测试波类型的第一信号生成相应的测试波形信号发送给所述声学换能器；

所述声学换能器将所述测试波形信号转化为相应的第一声波并射入所述采样管中的所述待测样品中；

当所述待测样品为液体时，所述水听器组中的各个水听器采集所述第一声波通过所述液体后形成的第二声波，并生成相应的第二信号发送至所述声波仪；

所述声波仪将所述第二信号进行放大处理，并生成第三信号发送至所述上位机；

当所述待测样品为沉积物时，所述水听器组中的各个水听器采集所述第一声波通过所述沉积物后形成的第三声波，并生成相应的第四信号发送至所述声波仪；

所述声波仪将所述第四信号进行放大处理，并生成第五信号发送至所述上位机；

所述上位机对所述第三信号和所述第五信号进行解析，并计算所述液体中所述沉积物的声学特性。

优选的，所述上位机对所述第三信号和所述第五信号进行解析，并计算所述液体中所述沉积物的声学特性，包括：

解析所述第三信号和所述第五信号，得到相应的声学波形；

判断所述声学波形中起跳点的位置，并选取以起跳点为基准开始的预设n个周期的波形作为有效波，其中，n的取值范围为大于0的整数，具体为3；

获取所述有效波在第一预设特征点的采样数和在第二预设特征点的声压幅值，其中，所述第一预设特征点包括零点、峰值点和/或峰谷点，所述第二预设特征点为所述峰值点；

基于所述第三信号对应的有效波在所述第一预设特征点的采样点数，计算所述液体中的第一时间差

其中，下标j表示所述第一水听器，下标k表示所述第二水听器，a为所述第三信号对应的有效波中零点采样点数ZP的总数，b为所述第三信号对应的有效波中峰值点采样点数PP的总数，c为所述第三信号对应的有效波中峰谷点采样点数DP的总数,T_S为获取采样点数的周期；

根据所述第一时间差Δt₁，计算所述液体中的声延时Δt₀＝c_w0/d₀-Δt₁，其中，c_w0为标准声速，d₀为所述第一水听器和所述第二水听器之间的所述预设距离；

依据所述第三信号对应的有效波在所述第二预设特征点的声压幅值，计算所述液体中的第一声衰减系数其中，APP_i为所述第三信号对应的有效波中第i个所述第二预设特征点的声压幅值；

基于所述第五信号对应的有效波在所述第一预设特征点的采样点数，计算所述沉积物中的第二时间差

其中，m为所述第五信号对应的有效波中零点采样点数ZP的总数，n为所述第五信号对应的有效波中峰值点采样点数PP的总数，l为所述第五信号对应的有效波中峰谷点采样点数DP的总数；

根据所述第五信号对应的有效波在所述第二预设特征点的声压幅值，计算所述沉积物中的第二声衰减系数其中，APP_i为所述第五信号对应的有效波中第i个所述第二预设特征点的声压幅值；

基于所述声延时Δt₀和所述第二时间差Δt₂，计算所述液体中所述沉积物的声学特性中的声速c_p＝d₀/(Δt₂-Δt₀)；

依据所述第一声衰减系数α₁和所述第二声衰减系数α₂，计算所述液体中所述沉积物的声学特性中的声衰减系数α_p＝α₂-α₁。

优选的，当当前输入的测试波类型为脉冲波，所述声学换能器为预设频率的窄频声学换能器时，所述声波仪接收所述上位机发送的根据当前输入的测试波类型生成的携带有测试波类型的第一信号，并根据所述携带有测试波类型的第一信号生成相应的测试波形信号发送给所述声学换能器，具体包括：

所述声波仪接收所述上位机发送的根据当前输入的脉冲波类型生成的携带有脉冲波类型的第一信号，并根据所述携带有脉冲波类型的第一信号生成脉冲波形信号发送给所述窄频声学换能器。

优选的，当当前输入的测试波类型为正弦波，所述声学换能器为宽频声学换能器时，所述声波仪接收所述上位机发送的根据当前输入的测试波类型生成的携带有测试波类型的第一信号，并根据所述携带有测试波类型的第一信号生成相应的测试波形信号发送给所述声学换能器，具体包括：

所述声波仪接收所述上位机发送的根据当前输入的正弦波类型生成的携带有正弦波类型的第一信号，并根据所述携带有正弦波类型的第一信号生成正弦波形信号发送给所述宽频声学换能器。

相较与现有技术，本发明实现的有益效果为：

以上本发明所提供的一种声学特性测量装置及方法，测量装置包括上位机、采样管、声学换能器、水听器组、声波仪；声波仪接收上位机发送的根据当前输入的测试波类型生成的携带有测试波类型的第一信号，并根据第一信号生成相应的测试波形信号发送给声学换能器；声学换能器将测试波形信号转化为相应的第一声波并射入采样管中的待测样品中；水听器组中的各个水听器采集第一声波通过待测样品后形成的声波并生成相应信号发送至声波仪；声波仪进行放大处理后发送至上位机；上位机对当待测样品为液体或沉积物时声波仪发送的放大信号进行解析并计算液体中沉积物的声学特性。基于上述测量装置保证了在对液体中沉积物声学特性进行测量时结果的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一公开的一种声学特性测量装置结构示意图；

图2为本发明实施例二公开的一种声学特性测量装置结构示意图；

图3为本发明实施例二公开的另一种声学特性测量装置中处理器的结构示意图；

图4为本发明实施例三公开的一种声学特性测量方法流程图；

图5为本发明实施例四公开的一种声学特性测量方法中部分流程图；

图6为本发明场景示例一公开的一种声学特性测量装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例公开的一种声学特性测量装置，其结构示意图如图1所示，声学特性测量装置100包括：

上位机101；

设置于测量支架上，用于放置待测样品的采样管102；

水平放置于测量支架上的声学换能器103，声学换能器103的输出端与采样管102中待测样品的端面耦合相连；

水听器组104，水听器组104竖直设置于测量支架上且水听器组104中各个水听器的采样端插入于采样管102的径向端，其中，水听器组中至少包含两个并排设置且间隔预设距离的第一水听器(图1中未示出)和第二水听器(图1中未示出)；

声波仪105，声波仪105的第一接收端和第一输出端与上位机101相连，第二输出端与声学换能器103的输入端相连，第二接收端与水听器组104中各个水听器的输出端相连；

声波仪105接收上位机101发送的根据当前输入的测试波类型生成的携带有测试波类型的第一信号，并根据携带有测试波类型的第一信号生成相应的测试波形信号发送给声学换能器103；声学换能器103将测试波形信号转化为相应的第一声波并射入采样管102中的待测样品中；

当待测样品为液体时，水听器组104中的各个水听器采集第一声波通过液体后形成的第二声波，并生成相应的第二信号发送至声波仪105；声波仪105将第二信号进行放大处理，并生成第三信号发送至上位机101；

当待测样品为沉积物时，水听器组104中的各个水听器采集第一声波通过沉积物后形成的第三声波，并生成相应的第四信号发送至声波仪105；声波仪105将第四信号进行放大处理，并生成第五信号发送至上位机101；

上位机101对第三信号和第五信号进行解析，并计算液体中沉积物的声学特性。

在本发明实施例公开的技术方案中，水听器组104中的各个水听器由测量支架装夹固定和调节，通过保持间隔距离和插入高度的稳定，保证了各次测量的接收状态的一致性。

需要说明的是，水听器组104包括但不局限于针式水听器组(图1中未示出)；上位机101包括但不局限于电脑、笔记本、平板或其他终端，具体视实际情况而定；液体包括海水或淡水或其他测试液体，具体视实际情况而定；沉积物包括：海底沉积物或江河湖底等沉积物或土壤或其他具有软性的可将水听器插入其中的沉积物形状材料。

还需要说明的是，上述测量过程中待测样品的类型并不一定先为液体，后为沉积物，也可以先对沉积物进行测量，后对液体进行测量。

由此可见，本发明采用上位机、采样管、声学换能器、水听器组和声波仪构成声学特性测量装置。声波仪基于上位机发送的携带有测试波类型的第一信号生成相应的测试波形信号发送给声学换能器；声学换能器将测试波形信号转化为相应的第一声波并射入采样管中的待测样品中；水听器组采集第一声波通过待测样品后形成的声波并生成相应信号发送至声波仪；上位机对当待测样品为液体或沉积物时声波仪发送的放大信号进行解析并计算液体中沉积物的声学特性。基于上述声学特性测量装置保证了在对液体中沉积物声学特性进行测量时结果的准确度。

实施例二

基于上述本发明实施例一公开的声学特性测量装置和附图1，本发明实施例二还公开一种声学特性测量装置，其结构示意图如图2所示，上位机101具体包括：存储器201和处理器202，其中，

存储器201，用于存储水听器组中各个水听器之间的预设距离、第三信号和第五信号；

处理器202，用于对第三信号和第五信号进行解析并计算液体中沉积物的声学特性。

结合上述本发明实施例二公开的声学特性测量装置和附图2，本发明实施例二还公开一种声学特性测量装置，处理器202结构示意图如图3所示，处理器202包括：波形处理器301、第一计算器302、第二计算器303、第三计算器304、第四计算器305、第五计算器306、第六计算器307和第七计算器308，其中，

波形处理器301，用于解析第三信号和第五信号，得到相应的声学波形，判断声学波形中起跳点的位置，并选取以起跳点为基准开始的预设n个周期的波形作为有效波，获取有效波在第一预设特征点的采样数和在第二预设特征点的声压幅值，其中，n的取值范围为大于0的整数，具体为3，第一预设特征点包括零点、峰值点和/或峰谷点，第二预设特征点为所述峰值点；

第一计算器302，用于基于第三信号对应的有效波在第一预设特征点的采样点数，计算液体中的第一时间差其中，下标j表示第一水听器，下标k表示第二水听器，a为第三信号对应的有效波中零点采样点数ZP的总数，b为所述第三信号对应的有效波中峰值点采样点数PP的总数，c为第三信号对应的有效波中峰谷点采样点数DP的总数,T_S为获取采样点数的周期；

第二计算器303，用于根据第一时间差Δt₁，计算液体中的声延时Δt₀＝c_w0/d₀-Δt₁，其中，c_w0为标准声速，d₀为第一水听器和第二水听器之间的预设距离；

第三计算器304，用于依据第三信号对应的有效波在所述第二预设特征点的声压幅值，计算液体中的第一声衰减系数其中，APP_i为第三信号对应的有效波中第i个第二预设特征点的声压幅值；

第四计算器305，用于基于第五信号对应的有效波在第一预设特征点的采样点数，计算沉积物中的第二时间差其中，m为第五信号对应的有效波中零点采样点数ZP的总数，n为第五信号对应的有效波中峰值点采样点数PP的总数，l为第五信号对应的有效波中峰谷点采样点数DP的总数；

第五计算器306，用于根据第五信号对应的有效波在第二预设特征点的声压幅值，计算沉积物中的第二声衰减系数其中，APP_i为第五信号对应的有效波中第i个第二预设特征点的声压幅值；

第六计算器307，用于基于声延时Δt₀和第二时间差Δt₂，计算液体中沉积物的声学特性中的声速c_p＝d₀/(Δt₂-Δt₀)；

第七计算器308，用于依据第一声衰减系数α₁和第二声衰减系数α₂，计算液体中沉积物的声学特性中的声衰减系数α_p＝α₂-α₁。

需要说明的是，本发明实施例公开的上述波形处理器和各计算器可作为集成电路设置于该处理器中。

由此可见，本发明实施例中上位机通过存储器存储测量过程中的预设参数、产生的信号和计算程序；通过处理器中的波形处理器和各计算器对预设参数、产生的信号进行解析并计算声学测量结果。基于上述声学特性测量装置保证了在对液体中沉积物声学特性进行测量时结果的准确度。

实施例三

基于上述本发明各实施例提供的声学特性测量装置，本实施三则对应公开了上述声学特性测量装置的声学测量方法，流程图如图4所示，声学测量方法包括：

S401，声波仪接收上位机发送的根据当前输入的测试波类型生成的携带有测试波类型的第一信号，并根据携带有测试波类型的第一信号生成相应的测试波形信号发送给声学换能器；

S402，声学换能器将测试波形信号转化为相应的第一声波并射入采样管中的待测样品中；

S403，当待测样品为液体时，水听器组中的各个水听器采集第一声波通过液体后形成的第二声波，并生成相应的第二信号发送至声波仪；

S404声波仪将第二信号进行放大处理，并生成第三信号发送至上位机；

S405，当待测样品为沉积物时，水听器组中的各个水听器采集第一声波通过沉积物后形成的第三声波，并生成相应的第四信号发送至声波仪；

S406，声波仪将第四信号进行放大处理，并生成第五信号发送至上位机；

S407，上位机对第三信号和第五信号进行解析，并计算液体中沉积物的声学特性。

由此可见，本发明采用上位机、采样管、声学换能器、水听器组和声波仪构成声学特性测量装置。声波仪基于上位机发送的携带有测试波类型的第一信号生成相应的测试波形信号发送给声学换能器；声学换能器将测试波形信号转化为相应的第一声波并射入采样管中的待测样品中；水听器组采集第一声波通过待测样品后形成的声波并生成相应信号发送至声波仪；上位机对当待测样品为液体或沉积物时声波仪发送的放大信号进行解析并计算液体中沉积物的声学特性。基于上述声学特性测量装置保证了在对液体中沉积物声学特性进行测量时结果的准确度。

实施例四

基于上述本发明实施例三公开的一种声学特性测量方法，如图4所示出的步骤S407中，上位机对第三信号和第五信号进行解析，并计算液体中沉积物的声学特性的具体执行过程，如图5所示，包括如下步骤：

S501，解析第三信号和所述第五信号，得到相应的声学波形；

S502，判断声学波形中起跳点的位置，并选取以起跳点为基准开始的预设n个周期的波形作为有效波，其中，n的取值范围为大于0的整数，具体为3；

S503，获取有效波在第一预设特征点的采样数和在第二预设特征点的声压幅值，其中，第一预设特征点包括零点、峰值点和/或峰谷点，第二预设特征点为峰值点；

S504，基于第三信号对应的有效波在第一预设特征点的采样点数，计算液体中的第一时间差Δt₁；

在S504中，计算第一时间差Δt₁采用公式(1)：

${\mathrm{\Δt}}_1=\{\frac{\underset{i=1}{\overset{a}{\mathrm{\Σ}}}\[{\left({\mathrm{ZP}}_i\right)}_j-{\left({\mathrm{ZP}}_i\right)}_k\]}{a}+\frac{\underset{i=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}\[{\left({\mathrm{PP}}_i\right)}_j-{\left({\mathrm{PP}}_i\right)}_k\]}{b}+\frac{\underset{i=1}{\overset{C}{\mathrm{\Σ}}}\[{\left({\mathrm{DP}}_i\right)}_j-{\left({\mathrm{DP}}_i\right)}_k\]}{c})T_S---\left(1\right)$

其中，下标j表示第一水听器，下标k表示第二水听器，a为第三信号对应的有效波中零点采样点数ZP的总数，b为第三信号对应的有效波中峰值点采样点数PP的总数，c为第三信号对应的有效波中峰谷点采样点数DP的总数,T_S为获取采样点数的周期；

S505，根据第一时间差Δt₁，计算液体中的声延时Δt₀＝c_w0/d₀-Δt₁，其中，c_w0为标准声速，d₀为第一水听器和所述第二水听器之间的预设距离；；

S506，依据第三信号对应的有效波在第二预设特征点的声压幅值，计算液体中的第一声衰减系数α₁；

在S506中，计算液体中的第一声衰减系数α₁采用公式(2)：

${\mathrm{\α}}_1=\frac{\underset{i=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}\frac{20\lg \[{\left({\mathrm{APP}}_i\right)}_j/{\left({\mathrm{APP}}_i\right)}_k\]}{d_0}}{b}---\left(2\right)$

其中，APP_i为第三信号对应的有效波中第i个第二预设特征点的声压幅值；

S507，基于第五信号对应的有效波在第一预设特征点的采样点数，计算沉积物中的第二时间差Δt₂；

在S507中，计算第二时间差Δt₂采用公式(3)：

${\mathrm{\Δt}}_2=\{\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\[{\left({\mathrm{ZP}}_i\right)}_j-{\left({\mathrm{ZP}}_i\right)}_k\]}{m}+\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\[{\left({\mathrm{PP}}_i\right)}_j-{\left({\mathrm{PP}}_i\right)}_k\]}{n}+\frac{\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\[{\left({\mathrm{DP}}_i\right)}_j-{\left({\mathrm{DP}}_i\right)}_k\]}{l}\}{T}_S---\left(3\right)$

其中，m为第五信号对应的有效波中零点采样点数ZP的总数，n为第五信号对应的有效波中峰值点采样点数PP的总数，l为第五信号对应的有效波中峰谷点采样点数DP的总数；

S508，根据第五信号对应的有效波在第二预设特征点的声压幅值，计算沉积物中的第二声衰减系数α₂；

在S508中，计算沉积物中的第二声衰减系数α₂采用公式(4)：

${\mathrm{\α}}_2=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{20\lg \[{\left({\mathrm{APP}}_i\right)}_j/{\left({\mathrm{APP}}_i\right)}_k\]}{d_0}}{n}---\left(4\right)$

其中，APP_i为第五信号对应的有效波中第i个第二预设特征点的声压幅值；

S509，基于声延时Δt₀和第二时间差Δt₂，计算液体中沉积物的声学特性中的声速c_p；

在S509中，计算液体中沉积物的声学特性中的声速c_p采用公式(5)：

c_p＝d₀/(Δt₂-Δt₀) (5)

S510，依据第一声衰减系数α₁和第二声衰减系数α₂，计算液体中沉积物的声学特性中的声衰减系数α_p；

在S510中，计算液体中沉积物的声学特性中的声衰减系数α_p采用公式(6)：

α_p＝α₂-α₁ (6)

本发明实施例公开的声学特性测量方法，上位机可对接收到第三信号和第五信号进行解析并计算液体中沉积物的声学特性。基于上述声学特性测量方法消除了声波在液体中的扩散损失，保证了在对液体中沉积物声学特性进行测量时结果的准确度。

基于上述本发明实施例公开的声学特性测量装置和方法，以下通过具体的应用场景示例进一步进行说明：

示例一

为测量海底沉积物的声学特性的应用场景，其中，如图6所示，上位机为计算机601，测量支架包括支架602、支撑块603、连接杆604和底座605，水听器组包含第一针式水听器6061和第二针式水听器6062，采样管607设置于支架602上，声学换能器608通过支撑块603水平放置在支架602上且与采样管607中待测样品的端面耦合相连，第一针式水听器6061和第二针式水听器6062通过机械固紧装置设置在连接杆604上，以保证间隔距离和采样端插入采样管607径向端的稳定性。

结合上述本发明实施例公开的声学特性测量方法，具体的声学特性测量过程如下：

声波仪609接收计算机601发送的根据当前输入的测试波类型生成的携带有测试波类型的第一信号，并根据携带有测试波类型的第一信号生成相应的测试波形信号发送给声学换能器608；

此时进行第一次测量，采样管607中的待测样品为海水；

声学换能器608将测试波形信号转化为相应的第一声波并射入采样管607中的海水；

第一针式水听器6061采集第一声波通过海水后形成的第二声波并生成第二信号发送至声波仪609，第二针式水听器6062采集第二声波通过海水后形成的第三声波并生成第三信号发送至声波仪609；

声波仪609将第二信号和第三信号进行放大处理，并生成第四信号发送至计算机601。

此时进行第二次测量，采样管607中的待测样品为沉积物；

声学换能器608将测试波形信号转化为相应的第一声波并射入采样管607中的沉积物；

第一针式水听器6061采集第一声波通过沉积物后形成的第四声波并生成第五信号发送至声波仪609，第二针式水听器6062采集第四声波通过沉积物后形成的第五声波并生成第六信号发送至声波仪609；

声波仪609将第五信号和第六信号进行放大处理，并生成第七信号发送至计算机601。

计算机601对第四信号和第七信号进行解析，并计算海水中沉积物的声学特性。

需要说明的是，上述第一次测量和第二次测量中待测样品的类型并不一定先为海水，后为沉积物，也可以先对沉积物进行测量，后对海水进行测量。

本发明实施例公开的声学特性测量方法，消除了测试波在海水中的扩散损失，保证了在对海水中沉积物声学特性进行测量时结果的准确度。

示例二

基于上述示例一的声学特性测量过程，若上位机当前输入的测试波类型为脉冲波，此时声学换能器为预设频率的窄频声学换能器(例如研究100kHz时海底沉积物的声学特性，采用100kHz，频带为±5kHz窄频换能器)时，水听器组中包含第一水听器和第二水听器，其中，第一水听器或第二水听器的频宽范围为20Hz～180kHz。

结合上述本发明实施例公开的声学特性测量方法，具体的声学特性测量过程如下：

声波仪接收上位机发送的根据当前输入的脉冲波类型生成的携带有脉冲波类型的第一信号，并根据携带有脉冲波类型的第一信号生成脉冲波形信号发送给窄频声学换能器；

此时进行第一次测量，采样管中的待测样品为液体；

窄频声学换能器将脉冲波形信号转化为预设频率的脉冲波并射入采样管的液体中；

第一水听器和第二水听器分别采集预设频率的脉冲波通过液体后形成的第一脉冲波和第二脉冲波，并生成相应的第二信号和第三信号发送至声波仪；

声波仪将第二信号和第三信号进行放大处理得到第四信号并发送至上位机。

此时进行第二次测量，采样管中的待测样品为沉积物；

窄频声学换能器将脉冲波形信号转化为预设频率的脉冲波并射入采样管的沉积物中；

第一水听器和第二水听器分别采集预设频率的脉冲波通过沉积物后形成的第三脉冲波和第四脉冲波，并生成相应的第五信号和第六信号发送至声波仪；

声波仪将第五信号和第六信号进行放大处理得到第七信号并发送至上位机。

上位机对第四信号和第七信号进行解析，并计算液体中沉积物的声学特性。

需要说明的是，上述第一次测量和第二次测量中待测样品的类型并不一定先为液体，后为沉积物，也可以先对沉积物进行测量，后对液体进行测量。

本发明实施例公开的声学特性测量方法，消除了脉冲波在液体中的扩散损失，保证了在对液体中沉积物声学特性进行测量时结果的准确度，同时计算了预设频率下液体中沉积物的声学特性。

示例三

基于上述示例一的声学特性测量过程，若上位机当前输入的测试波类型为正弦波，此时声学换能器为宽频声学换能器(例如研究80kHz～160k频带内的沉积物的声学特性，采用120kHz，频带为±40kHz宽频声学换能器)时，水听器组包含第一水听器和第二水听器，其中，第一水听器或第二水听器的频宽范围为20Hz～180kHz。

结合上述本发明实施例公开的声学特性测量方法，具体的声学特性测量过程如下：

声波仪接收上位机发送的根据当前输入的正弦波类型生成的携带有正弦波类型的第一信号，并根据携带有正弦波类型的第一信号生成正弦波形信号发送给宽频声学换能器；

窄频声学换能器将正弦波形信号转化为正弦波并射入采样管的待测样品中；

此时进行第一次测量，采样管中的待测样品为液体；

第一水听器和第二水听器分别采集正弦波通过液体后形成的第一正弦波和第二正弦波，并生成相应的第二信号和第三信号发送至声波仪；

声波仪将第二信号和第三信号进行放大处理得到第四信号并发送至上位机。

此时进行第二次测量，采样管中的待测样品为沉积物；

窄频声学换能器将脉冲波形信号转化为预设频率的脉冲波并射入采样管的沉积物中；

第一水听器和第二水听器分别采集正弦波通过沉积物后形成的第三正弦波和第四正弦波，并生成相应的第五信号和第六信号发送至声波仪；

声波仪将第五信号和第六信号进行放大处理得到第七信号并发送至上位机。

上位机对第四信号和第七信号进行解析，并计算液体中沉积物的声学特性。

需要说明的是，上述第一次测量和第二次测量中待测样品的类型并不一定先为液体，后为沉积物，也可以先对沉积物进行测量，后对液体进行测量。

本发明实施例公开的声学特性测量方法，消除了正弦波在液体中的扩散损失，保证了在对液体中沉积物声学特性进行测量时结果的准确度，同时通过调节宽频声学换能器的频率可计算不同频率下液体中沉积物的声学特性。

以上对本发明所提供的一种声学特性测量装置及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种声学特性测量装置，其特征在于，包括：

上位机；

设置于测量支架上，用于放置待测样品的采样管；

水平放置于所述测量支架上的声学换能器，所述声学换能器的输出端与所述采样管中所述待测样品的端面耦合相连；

水听器组，所述水听器组竖直设置于所述测量支架上且所述水听器组中各个水听器的采样端插入于所述采样管的径向端，其中，所述水听器组中至少包含并排设置且间隔预设距离的第一水听器和第二水听器；

声波仪，所述声波仪的第一接收端和第一输出端与所述上位机相连，第二输出端与所述声学换能器的输入端相连，第二接收端与所述水听器组中各个水听器的输出端相连；

所述声波仪接收所述上位机发送的根据当前输入的测试波类型生成的携带有测试波类型的第一信号，并根据所述携带有测试波类型的第一信号生成相应的测试波形信号发送给所述声学换能器；所述声学换能器将所述测试波形信号转化为相应的第一声波并射入所述采样管中的所述待测样品中；

当所述待测样品为液体时，所述水听器组中的各个水听器采集所述第一声波通过所述液体后形成的第二声波，并生成相应的第二信号发送至所述声波仪；所述声波仪将所述第二信号进行放大处理，并生成第三信号发送至所述上位机；

当所述待测样品为沉积物时，所述水听器组中的各个水听器采集所述第一声波通过所述沉积物后形成的第三声波，并生成相应的第四信号发送至所述声波仪；所述声波仪将所述第四信号进行放大处理，并生成第五信号发送至所述上位机；

所述上位机对所述第三信号和所述第五信号进行解析，并计算所述液体中所述沉积物的声学特性。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述水听器组包括：针式水听器组。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述上位机包括：

用于存储所述水听器组中各个水听器之间的所述预设距离、所述第三信号和所述第五信号的存储器；

用于对所述第三信号和所述第五信号进行解析并计算所述液体中所述沉积物的声学特性的处理器。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述处理器具体包括：

波形处理器，用于解析所述第三信号和所述第五信号，得到相应的声学波形，判断所述声学波形中起跳点的位置，并选取以起跳点为基准开始的预设n个周期的波形作为有效波，获取所述有效波在第一预设特征点的采样数和在第二预设特征点的声压幅值，其中，n的取值范围为大于0的整数，具体为3，所述第一预设特征点包括零点、峰值点和/或峰谷点，所述第二预设特征点为所述峰值点；

第一计算器，用于基于所述第三信号对应的有效波在所述第一预设特征点的采样点数，计算所述液体中的第一时间差其中，下标j表示所述第一水听器，下标k表示所述第二水听器，a为所述第三信号对应的有效波中零点采样点数ZP的总数，b为所述第三信号对应的有效波中峰值点采样点数PP的总数，c为所述第三信号对应的有效波中峰谷点采样点数DP的总数,T_S为获取采样点数的周期；

第二计算器，用于根据所述第一时间差Δt₁，计算所述液体中的声延时Δt₀＝c_w0/d₀-Δt₁，其中，c_w0为标准声速，d₀为所述第一水听器和所述第二水听器之间的所述预设距离；

第三计算器，用于依据所述第三信号对应的有效波在所述第二预设特征点的声压幅值，计算所述液体中的第一声衰减系数其中，APP_i为所述第三信号对应的有效波中第i个所述第二预设特征点的声压幅值；

第四计算器，用于基于所述第五信号对应的有效波在所述第一预设特征点的采样点数，计算所述沉积物中的第二时间差其中，m为所述第五信号对应的有效波中零点采样点数ZP的总数，n为所述第五信号对应的有效波中峰值点采样点数PP的总数，l为所述第五信号对应的有效波中峰谷点采样点数DP的总数；

第五计算器，用于根据所述第五信号对应的有效波在所述第二预设特征点的声压幅值，计算所述沉积物中的第二声衰减系数其中，APP_i为所述第五信号对应的有效波中第i个所述第二预设特征点的声压幅值；

第六计算器，用于基于所述声延时Δt₀和所述第二时间差Δt₂，计算所述液体中所述沉积物的声学特性中的声速c_p＝d₀/(Δt₂-Δt₀)；

第七计算器，用于依据所述第一声衰减系数α₁和所述第二声衰减系数α₂，计算所述液体中所述沉积物的声学特性中的声衰减系数α_p＝α₂-α₁。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述声波仪具体用于：

当当前输入的测试波类型为脉冲波，所述声学换能器为预设频率的窄频声学换能器时，接收所述上位机发送的根据当前输入的脉冲波类型生成的携带有脉冲波类型的第一信号，并根据所述携带有脉冲波类型的第一信号生成脉冲波形信号发送给所述窄频声学换能器。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述声波仪具体用于：

当当前输入的测试波类型为正弦波，所述声学换能器为宽频声学换能器时，接收所述上位机发送的根据当前输入的正弦波类型生成的携带有正弦波类型的第一信号，并根据所述携带有正弦波类型的第一信号生成正弦波形信号发送给所述宽频声学换能器。

7.一种声学特性测量方法，其特征在于，应用于权利要求1～6任意一项所述的测量装置，所述测量装置包括上位机、采样管、声学换能器、水听器组和声波仪，其中，所述水听器组中至少包含并排设置且间隔预设距离的第一水听器和第二水听器，所述测量方法包括：

所述声波仪接收所述上位机发送的根据当前输入的测试波类型生成的携带有测试波类型的第一信号，并根据所述携带有测试波类型的第一信号生成相应的测试波形信号发送给所述声学换能器；

所述声学换能器将所述测试波形信号转化为相应的第一声波并射入所述采样管中的所述待测样品中；

当所述待测样品为液体时，所述水听器组中的各个水听器采集所述第一声波通过所述液体后形成的第二声波，并生成相应的第二信号发送至所述声波仪；

所述声波仪将所述第二信号进行放大处理，并生成第三信号发送至所述上位机；

当所述待测样品为沉积物时，所述水听器组中的各个水听器采集所述第一声波通过所述沉积物后形成的第三声波，并生成相应的第四信号发送至所述声波仪；

所述声波仪将所述第四信号进行放大处理，并生成第五信号发送至所述上位机；

所述上位机对所述第三信号和所述第五信号进行解析，并计算所述液体中所述沉积物的声学特性。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述上位机对所述第三信号和所述第五信号进行解析，并计算所述液体中所述沉积物的声学特性，包括：

解析所述第三信号和所述第五信号，得到相应的声学波形；

判断所述声学波形中起跳点的位置，并选取以起跳点为基准开始的预设n个周期的波形作为有效波，其中，n的取值范围为大于0的整数，具体为3；

获取所述有效波在第一预设特征点的采样数和在第二预设特征点的声压幅值，其中，所述第一预设特征点包括零点、峰值点和/或峰谷点，所述第二预设特征点为所述峰值点；

基于所述第三信号对应的有效波在所述第一预设特征点的采样点数，计算所述液体中的第一时间差

其中，下标j表示所述第一水听器，下标k表示所述第二水听器，a为所述第三信号对应的有效波中零点采样点数ZP的总数，b为所述第三信号对应的有效波中峰值点采样点数PP的总数，c为所述第三信号对应的有效波中峰谷点采样点数DP的总数,T_S为获取采样点数的周期；

根据所述第一时间差Δt₁，计算所述液体中的声延时Δt₀＝c_w0/d₀-Δt₁，其中，c_w0为标准声速，d₀为所述第一水听器和所述第二水听器之间的所述预设距离；

依据所述第三信号对应的有效波在所述第二预设特征点的声压幅值，计算所述液体中的第一声衰减系数其中，APP_i为所述第三信号对应的有效波中第i个所述第二预设特征点的声压幅值；

基于所述第五信号对应的有效波在所述第一预设特征点的采样点数，计算所述沉积物中的第二时间差

其中，m为所述第五信号对应的有效波中零点采样点数ZP的总数，n为所述第五信号对应的有效波中峰值点采样点数PP的总数，l为所述第五信号对应的有效波中峰谷点采样点数DP的总数；

根据所述第五信号对应的有效波在所述第二预设特征点的声压幅值，计算所述沉积物中的第二声衰减系数其中，APP_i为所述第五信号对应的有效波中第i个所述第二预设特征点的声压幅值；

基于所述声延时Δt₀和所述第二时间差Δt₂，计算所述液体中所述沉积物的声学特性中的声速c_p＝d₀/(Δt₂-Δt₀)；

依据所述第一声衰减系数α₁和所述第二声衰减系数α₂，计算所述液体中所述沉积物的声学特性中的声衰减系数α_p＝α₂-α₁。

9.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，当当前输入的测试波类型为脉冲波，所述声学换能器为预设频率的窄频声学换能器时，所述声波仪接收所述上位机发送的根据当前输入的测试波类型生成的携带有测试波类型的第一信号，并根据所述携带有测试波类型的第一信号生成相应的测试波形信号发送给所述声学换能器，具体包括：

所述声波仪接收所述上位机发送的根据当前输入的脉冲波类型生成的携带有脉冲波类型的第一信号，并根据所述携带有脉冲波类型的第一信号生成脉冲波形信号发送给所述窄频声学换能器。

10.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，当当前输入的测试波类型为正弦波，所述声学换能器为宽频声学换能器时，所述声波仪接收所述上位机发送的根据当前输入的测试波类型生成的携带有测试波类型的第一信号，并根据所述携带有测试波类型的第一信号生成相应的测试波形信号发送给所述声学换能器，具体包括：

所述声波仪接收所述上位机发送的根据当前输入的正弦波类型生成的携带有正弦波类型的第一信号，并根据所述携带有正弦波类型的第一信号生成正弦波形信号发送给所述宽频声学换能器。