CN108917920A - 多声道级联的声频衰减的试验装备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多声道级联的声频衰减的试验装备及方法。该试验装备包括：单频声波源，其发出的音频信号经放大器一路传送至音频信号发射器，另一路传送至信号处理装置；音频信号发射器与级联的多声道串联连接，每一级声道的末端均串接有声波传感器；最后一级声道所串接的声波传感器用于将所采集的声波信号传送至信号处理装置；所述信号处理装置，用于根据接收到的声波信号，绘制被测声波信号从一测量点沿直线移动至另一测量点过程中的动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数来计算相位角；再基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算出随传播距离而衰减变化的被测声波信号频率。

Description

多声道级联的声频衰减的试验装备及方法

技术领域

本发明属于试验设备领域，尤其涉及一种多声道级联的声频衰减的试验装备及方法。

背景技术

声波的产生、传播、接收理论与技术经过几百年的发展，特别是信息时代，成为探测领域研究的热点问题。目前人们用声波的发射、传播、障碍物反射、接收，根据所用时间算出障碍物的距离，称为声波雷达。这种测距方法与声波频率基本上无关。

声波频率随传播距离有非常缓慢的衰减，针对声音频率随传播距离有非常缓慢的衰减，而现有技术中的单声道不易测量到。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种多声道级联的声频衰减的试验装备，其具有低成本、操作简单且测量精度高的效果。

本发明的一种多声道级联的声频衰减的试验装备，包括：

单频声波源，其发出的音频信号经放大器一路传送至音频信号发射器，另一路传送至信号处理装置；

所述音频信号发射器与级联的多声道串联连接，每一级声道的末端均串接有声波传感器，所述声波传感器用于采集当前测量点上的声波信号，并将所采集到的声波信号经放大后，传输至下一级声道；最后一级声道所串接的声波传感器用于将所采集的声波信号传送至信号处理装置；

所述信号处理装置，用于根据接收到的声波信号，绘制被测声波信号从一测量点沿直线移动至另一测量点过程中的动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数来计算相位角；再基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算出随传播距离而衰减变化的被测声波信号频率。

进一步的，若单频声波源发出的声波信号的频率为f_i，其经过至少两级声道传输后，信号处理装置接收的声波信号频率为f_o，而且声道对信号频率有衰减，则频率衰减的相位角积累值θ为：

θ＝2πt(f_i-f_o)

其中，t为相位角积累所用时间。

进一步的，相位角积累的变化0°-45°-90°-135°-180°的李萨如图的图形变化及旋转方向，与180°-225°-270°-315°-360°图形变化相同，只是旋转方向相反。

进一步的，所述信号处理装置包括双踪模拟示波器，所述双踪模拟示波器的X轴接收单频声波源发出的音频信号经放大器输出的一路声波信号；Y轴接收最后一级声道所串接的声波传感器所采集的声波信号。

进一步的，所述双踪模拟示波器的Y轴与最后一级声道所串接的声波传感器之间还依次串接有放大器和滤波器。

进一步的，所述单频声波源为声波信号发生器。

本发明的第二目的是提供一种多声道级联的声频衰减的试验装备的试验方法。

本发明的多声道级联的声频衰减的试验装备的试验方法，包括：

单频声波源发出的音频信号经放大器一路传送至音频信号发射器，另一路传送至信号处理装置；

声波传感器采集当前测量点上的声波信号，并传输至下一级声道；最后一级声道所串接的声波传感器将所采集的声波信号传送至信号处理装置；

信号处理装置根据接收到的声波信号，绘制从被测声波信号从空间的一测量点沿直线传播到被测的另一测量点的动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算相位角；再基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算出随传播距离而衰减变化的被测声波信号频率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过测量被测空间不同测量点的声波通道信号，绘制动态李萨如图，根据李萨如图变化，计算声波信号随传播距离衰减的数值，进而随传播距离而衰减变化的被测声波信号频率，通过波传输的相位角来精确测量到这种微小变化；

(2)本发明结构简单，设备成本低，通过选用声波通道长度，达到声音频率极其微弱衰减的高精度测量。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的一种多声道级联的声频衰减的试验装备的结构示意图。

图2是单声道现代通信模型示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

1、频率衰减的理论分析

任何一种波，在传播过程中，由于波能能量的耗散，不但使其振幅随传播距离而衰减，而且导致频率也随传播距离有非常微弱的衰减。

详细叙述：机械波(包括声波、水波、通过介质传播的各种波)、电磁波(包括无线电波、雷达波、微波、各个波段的光波)、引力波等，由于波在传播过程中，自然存在波能量的扩散、色散、损耗，使得波能量损失，又导致波的振幅降低、频率衰减，引起波长增加，形成宇宙学所谓的红移。

红移量，即波长相对变化量Z：

其中，x—波的传播距离，α—损耗系数；λ₀---入射端的波长；λ---波传播到x处的波长。C—声速；ω(0)---入射端波的角速度；k—波损耗过程中，频率衰减的对波能量损耗的贡献因子。

理论分析：

(1)波能损耗用能位函数表示

波动从A处传送到B处，也要受到能量耗散的作用，损失振动能量。假定：1个单位质量的质点，振动具有的振动能量，称为振动能量位函数，简称振动能位函数。A处振动能位函数用表示，B处振动能位函数用表示，则有：

(1)式中：E—能场强度，耗散能量而做功。波动从A点传递到B点的必要条件：

A点的能场强度E_A：

1.1、波源的振动能位函数

能位函数：Q能量荷(具有能量为Q，不占用空间，为理想的点。在坐标系r′，在场点r产生能位函数：

式中：∈--媒质的介能常数，∈₀–真空介能常数。

E—能场强度：可用能位函数的负梯度来表示：

1.1.1、质点的无阻尼自由振动

如果能荷Q由质点的无阻尼自有振动产生，沿Y轴方向振动，符合余弦方式：

y＝A cos(ωt+θ) (5)

式中：A–为振幅；ω—振动角速度。

质点振动的速度：

质点振动的加速度：

质点的振动能：

单位质点的振动能称为振动能位函数：

(8)和(9)式表明质点的振动能E_K、振动能位函数与振动的频率平方成正比。

1.1.2、交流发电机产生的功率

发电机一旦制作完成，它的转子尺寸，转子的面积S是固定值，发电机内部磁场的磁感应强度B基本上是固定值。即通过转子的最大磁通量就是一个固定值：

转子转动时，通过它的磁通量是按余弦变化：

根据法拉第电磁感应定律：感应电动势

(12)式表明感应电动势与发电机的转速平方成正比

发电机提供的瞬时实功率：

(13)式发电机提供的功率与发电机的转速(频率)的平方成正比。

1.1.3、振荡电偶极子产生的电磁波能

振荡电偶极矩：

在远处产生的电场、磁场：

(15)、(16)式表明，振荡电偶极子在远处产生电场、磁场强度与振荡频率平方成正比。

能流密度：坡印廷矢量S：

(17)式表明电偶极子辐射电磁波的能流密度与偶极子振荡频率四次方成正比。

1.2波动的能位函数

波动是振动状态的传播，相位传播。振源的能量以波速向外传递。假定介质中每个质量元彼此通过弹性力相联系，沿Y轴方向振动，沿X轴向传播。

波函数的一般表达式：

Y(x,t)＝A(x)cos(ω(x)t-kx) (18)

(18)式中：A(x)--波的振幅，通常随传播距离而衰减,是X的函数。ω(x)角速度，目前认为它不随传播距离变化，是不变量。但是前面的分析，振源能量与频率平方成正比。能量是要消耗，散开。能量在空间上的散开，表现占用更大面积或更大的体积空间,使波长变长。在时域上，能量散开意味着占用更多的时间段,使振动的周期有延长的趋势。

波函数中每个质点沿Y方向振动的速度：

波动函数的能位函数

(20)式表明波动的能位函数与波动的频率平方成正比。

在一个波长范围内对取均值，因为A(x)，ω(x)在一个波长范围内变化很小，认为是暂稳态值。均值只是对sin²(ω(x)t-kx)进行，波动能位函数的均值为：

假定波函数在信道媒质内传播的功率与能位函数成正比。在一般的条件下，功率P随距离X变化，可用下式表示

式中，α是损耗系数，p(0)为信道入射端x＝0处，入射功率，p(x)为信道X处输出功率。

根据上面的假定，波函数在信道里传输，其能位函数受损耗的影响而衰减，设长度为X信道媒质，入射端x₀振动能位函数根据式(22)式，输出端x振动能位函数

把(21)式带入(23)式，得：

A²(x)ω²(x)＝A²(0)ω²(0)e^-αx (24)

对(24)式两边开方，得：

对(25)式进行讨论：

若信号传输过程中，频率不变，即：

ω(x)＝ω(0)

则有：

波函数：Y(x,t)＝A(x)cos(ω(x)t-kx)

的振幅A(x)随距离x按(26)式衰减。

雷同于调幅广播。

若信号传输过程中，振幅保持不变，即：

A(x)＝A(0)

则有：

波函数：Y(x,t)＝A(x)cos(ω(x)t-kx)

的频率ω(x)随距离x按(27)式衰减。

雷同于调频广播信号传输。频率降低，波长变长，形成信道红移。

A(x)，ω(x)共同分担信号的衰减量：

若信号振幅按(30)式快速衰减，信号的能量积累到频率上。则有ω(x)>ω(0)

若信号频率按(31)式快速衰减，信号的能量积累到振幅上。则有A(x)>A(0)更一般情况，A(x)、ω(x)衰减速率：从到之间变化。

2、李萨如图

李萨如图的形成方法有两种，一种是：通过用来绘制李萨如图形的装置来绘制李萨如图。在这个装置中，一束光被一面固定在音叉上的镜子反射，然后再被第二面固定在音叉上的镜子反射，两个音叉震动方向互相垂直，两者音高也经常被设置为不同，以取得不同的谐振频率；光束最后被打在墙上，得到了李萨如图形。李萨如图形可以检测两个相同频率信号的相位差，一个质点同时在X轴和Y轴上作简谐运动，形成的图形就是李萨如图形。

形成李萨如图形的另一种方法是：把两个圆斜着放，在两个圆上任取两点，将这两点向右上角做垂线，交于一点。然后将这两个点在圆上运动，点也随之运动。点运动的轨迹形成李萨如图形。设一信号为X＝Asinωt，另一信号为Y＝Bsin(ωt+ψ)，分别输入示波器的x轴和y轴输入端，可以通过在示波屏上显示的椭圆的性质,及确定的相位差。

3、声波特征

声波属于纵波，波动是振动状态的传播，相位的传播。振源的能量以波速向外传递。假定介质中每个质量元彼此通过弹性力相联系，沿X轴方向振动，沿X轴向传播。

声波函数的一般表达式：

式中：A(x)--波的振幅，通常随传播距离而衰减，是X的函数。ω--角速度，k--波数。

ω*t称为时间相位角，用θ表示，则有

k*x--称为空间相位角。

如果不考虑振幅的变化，当时间相位角与空间相位角差值等于某一恒定值时，波函数不变。

可以选时间相位角与空间相位角差为零。

则有：当波的传播速度一定，频率一定时。距离与相位角呈现正比例线性关系，通过测量相位角，可以知道波传播的距离。

3、用动态李萨如图对相位角精细测量

李萨如(Jules Antoine Lissajous)，法国数学家，生卒：1822年3月4日～1880年6月24日。物理、工程中常用的李萨如图形便是以他的名字命名的。在众多的创造中，李萨如发明了李萨如仪器，一种用来绘制李萨如图形的装置。在这个装置中，一束光被一面固定在音叉上的镜子反射，然后再被第二面固定在音叉上的镜子反射，两个音叉震动方向互相垂直，两者音高也经常被设置为不同，以取得不同的谐振频率。光束最后被打在墙上，得到了我们如今所称的李萨如图形。这项发明是之后许多仪器的基础，如谐振仪(谐振记录仪)。

李萨如图形可以检测两个相同频率信号的相位差，一个质点同时在X轴和Y轴上作简谐运动，形成的图形就是李萨如图形。

形成李萨如图形的另一种方法：把两个圆斜着放，在两个圆上任取两点，将这两点向右上角做垂线，交于一点。然后将这两个点在圆上运动，点也随之运动。点运动的轨迹形成李萨如图形。设一信号为X＝Asinωt，另一信号为Y＝Bsin(ωt+ψ)，分别输入示波器的x轴和y轴输入端，可以通过在示波屏上显示的椭圆的性质确定其相位差。

4、单声道测量

X2，X1为测量空间端点，先把传感器1固定在X1点，传感器2沿直线轨道，由X1点缓慢移动到X2。在示波器上根据李萨如图转动、变化、旋转方向，循环次数。计量出相位角总的变化值，再由波长，换算出被测声波信号频率随传播距离而衰减。

在声波通道的传播过程，现代通信模型如图2所示：

设定X(t)--为声波发射信号，Y(t)--接收端输出信号。H(y,x)为信道的传递函数，它是一个很复杂的函数，反映信道的特征。信道大部分参数与信道长度有关，有的参数与长度成比例。信道的作用是传输信号，但是也对信号产生伤害和限制。信号通过信道时有伤害、损耗、改变等。即严格意义上，输出信号不等于输入信号，一定会有所改变。n(t)--信道受外界干扰，称为干扰信号。信道传输模型如下式：

Y(t)＝H(y,x)X(t)+n(t) (33)

声波(水波实验类似)的频率随传播距离有缓慢衰减。声源--声道传播--(远传声波传感器)接收--放大处理--二次声源---声道传播---(远传声波传感器)接收---放大处理。显示手段：声源电信号接示波器x轴，二次传感器信号处理放大后，接到示波器Y轴。显示动态李萨如图。

通过李萨如图角度变化，换算出声波传播过程中，频率衰减的结果。

如图2所示，本发明的一种多声道级联的声频衰减的试验装备，包括：

单频声波源，其发出的音频信号经放大器一路传送至音频信号发射器，另一路传送至信号处理装置；

所述音频信号发射器与级联的多声道串联连接，每一级声道的末端均串接有声波传感器，所述声波传感器用于采集当前测量点上的声波信号，并将所采集到的声波信号传输至下一级声道；最后一级声道所串接的声波传感器用于将所采集的声波信号传送至信号处理装置；

所述信号处理装置，用于根据接收到的声波信号，绘制被测声波信号从一测量点沿直线移动至另一测量点过程中的动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数来计算相位角；再基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算出随传播距离而衰减变化的被测声波信号频率。

若单频声波源发出的声波信号的频率为f_i，其经过至少两级声道传输后，信号处理装置接收的声波信号频率为f_o，而且声道对信号频率有衰减，则频率衰减的相位角积累值θ为：

θ＝2π(f_i-f_o) (34)

其中，t为相位角积累所用时间。

相位角积累的变化0°-45°-90°-135°-180°的李萨如图的图形变化及旋转方向，与180°-225°-270°-315°-360°图形变化相同，只是旋转方向相反。

图形翻转一个周期，也就是频率在一段时间内，衰减啦一个周期。根据李萨如图翻转次数，及位置形状，测量到相位角的积累值。然后除以360°，得到周期数，然后再除以所用时间段，就得到频率的衰减数据：

其中，如图1所示，所述信号处理装置包括双踪模拟示波器，所述双踪模拟示波器的X轴接收单频声波源发出的音频信号经放大器输出的一路声波信号；Y轴接收最后一级声道所串接的声波传感器所采集的声波信号。

所述双踪模拟示波器的Y轴与最后一级声道所串接的声波传感器之间还依次串接有放大器和滤波器。

所述单频声波源为声波信号发生器。

本发明还提供了一种多声道级联的声频衰减的试验装备的试验方法。

本发明的多声道级联的声频衰减的试验装备的试验方法，包括：

单频声波源发出的音频信号经放大器一路传送至音频信号发射器，另一路传送至信号处理装置；

声波传感器采集当前测量点上的声波信号，并传输至下一级声道；最后一级声道所串接的声波传感器将所采集的声波信号传送至信号处理装置；

信号处理装置根据接收到的声波信号，绘制从被测声波信号从空间的一测量点沿直线传播到被测的另一测量点的动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算相位角；再基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算出随传播距离而衰减变化的被测声波信号频率。

本发明通过测量被测空间不同测量点的声波通道信号，绘制动态李萨如图，根据李萨如图变化，计算相位角，进而计算出随传播距离而衰减变化的被测声波信号频率，通过波传输的相位角来精确测量到这种微小变化；

本发明结构简单，设备成本低，通过选用声波通道长度，达到声音频率极其微弱衰减的高精度测量。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种多声道级联的声频衰减的试验装备，其特征在于，包括：

单频声波源，其发出的音频信号经放大器一路传送至音频信号发射器，另一路传送至信号处理装置；

所述音频信号发射器与级联的多声道串联连接，每一级声道的末端均串接有声波传感器，所述声波传感器用于采集当前测量点上的声波信号，并将所采集到的声波信号传输至下一级声道；最后一级声道所串接的声波传感器用于将所采集的声波信号传送至信号处理装置；

所述信号处理装置，用于根据接收到的声波信号，绘制被测声波信号从一测量点沿直线移动至另一测量点过程中的动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数来计算相位角；再基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算出随传播距离而衰减变化的被测声波信号频率。

2.如权利要求1所述的一种多声道级联的声频衰减的试验装备，其特征在于，若单频声波源发出的声波信号的频率为f_i，其经过至少两级声道传输后，信号处理装置接收的声波信号频率为f_o，而且声道对信号频率有衰减，则频率衰减的相位角积累值θ为2：

θ＝2πt(f_i-f_o)

其中，t为相位角积累所用时间。

3.如权利要求1所述的一种多声道级联的声频衰减的试验装备，其特征在于，相位角积累的变化0°-45°-90°-135°-180°的李萨如图的图形变化及旋转方向，与180°-225°-270°-315°-360°图形变化相同，只是旋转方向相反。

4.如权利要求1所述的一种多声道级联的声频衰减的试验装备，其特征在于，所述信号处理装置包括双踪模拟示波器，所述双踪模拟示波器的X轴接收单频声波源发出的音频信号经放大器输出的一路声波信号；Y轴接收最后一级声道所串接的声波传感器所采集的声波信号。

5.如权利要求1所述的一种多声道级联的声频衰减的试验装备，其特征在于，所述双踪模拟示波器的Y轴与最后一级声道所串接的声波传感器之间还依次串接有放大器和滤波器。

6.如权利要求1所述的一种多声道级联的声频衰减的试验装备，其特征在于，所述单频声波源为声波信号发生器。

7.一种基于如权利要求1-6中任一项所述的多声道级联的声频衰减的试验装备的试验方法，其特征在于，包括：

单频声波源发出的音频信号经放大器一路传送至音频信号发射器，另一路传送至信号处理装置；

声波传感器采集当前测量点上的声波信号，并传输至下一级声道；最后一级声道所串接的声波传感器将所采集的声波信号传送至信号处理装置；

信号处理装置根据接收到的声波信号，绘制从被测声波信号从空间的一测量点沿直线传播到被测的另一测量点的动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算相位角；再基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算出随传播距离而衰减变化的被测声波信号频率。