CN110231084B - 一种用于低温低气压的声速测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于大气环境中声波测量技术领域，具体涉及一种用于低温低气压的声速测量装置，包括：设置在封闭的低温低压的环模容器(1)内的发射换能器(6)、接收换能器(5)、第一固定支架(3)、第二固定支架(2)和滑轨(4)；设置在封闭的低温低压的环模容器(1)外的信号发生器和信号接收器；以及设置在上位机的数据处理模块；所述滑轨(4)水平放置，滑轨(4)的两端分别设有第一固定支架(3)和第二固定支架(2)，第一固定支架(3)上安装发射换能器(6)，第二固定支架(2)上安装接收换能器(5)；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以及声信号在发射换能器与接收换能器之间的时间差，计算声速。

Description

一种用于低温低气压的声速测量装置及方法

技术领域

本发明属于大气环境、高空以及临近空间环境中声波测量技术领域，特别涉及一种用于低温低气压的声速测量装置及方法。

背景技术

地球上的自然灾害如地震、海啸、台风等都会产生声波，这些声信号中携带着大量的信息。对这些声信号探测能够提升对物理规律的认知深度，尤其是能够为地震、风暴、太阳风暴等自然灾害的观测及预报提供重要支撑。然而，这些声信号大部分处在地球上空的大气环境中，而高空大气的空气极为稀薄，体成分以氮气为主。随着高度的增加，由于其中的热量只能来自于臭氧层吸收太阳紫外线的辐射，因而，其温度要比地球表面低很多。因此，高空大气是一个在-80℃-20℃，且气压小于6000Pa的低温、低压并且以氮气气体为主的环境。理论上只要存在气体介质就会有声波的传播。环境发生变化，声波的传播性质也会改变。因此，在低温低气压氮气气体环境中的声速也会发生变化。

目前，在环境模拟容器中，模拟高空大气的低温低气压环境，进行声速的测量。声速的测量方法有多种，主要包括时差法、相位比较法、驻波干涉、共振声谱法等。但是，由于现有的声速测量方法中需要动态调节气压与温度，不能频繁的打开环模容器，并对其进行更改，因此，相对局限。同时，实验环境特殊导致接收到的信号信噪比较低，处理实验数据也相对困难。因此，现有的相位比较法在测量过程中，受人类视觉以及示波器显示的限制，导致结果精确度不高。共振声谱法需要设置共振腔体，多用于测量液体中的声速。相位比较法需要不断改变发射信号和接收信号之间的距离，而低温低气压的环境模拟容器不允许这样操作。目前，国内尚未实现在低温低气压氮气气体中的声速测量实验。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的测量方法存在的上述缺陷，本发明提出了一种用于低温低气压的声速测量装置，利用环模容器设置环境条件，在-80℃-20℃，且气压小于6000Pa的低温、低气压环境下以及气体成分为氮气的环境中进行测量，实现测量声速的目的。

为了实现上述目的，本发明提出了一种用于低温低气压的声速测量装置，设置在封闭的低温低压的环模容器内的发射换能器、接收换能器、第一固定支架、第二固定支架和滑轨；设置在封闭的低温低压的环模容器外的信号发生器和信号接收器；以及设置在上位机的数据处理模块；

所述滑轨水平放置，滑轨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；

所述信号发生器产生触发信号，并将该触发信号传至发射换能器；将该触发信号转换为声信号，并将该声信号传至接收换能器；所述接收换能器接收该声信号，并将该声信号传至信号接收器；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以及声信号在发射换能器与接收换能器之间的时间差，计算声速。

作为上述技术方案的改进之一，所述环模容器为封闭式容器，用于提供低温低气压的大气环境；其中，所述低温为-80℃-20℃；所述低气压为小于6000Pa。

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，所述数据处理模块具体包括：

获取单元，用于获取信号接收器接收的声信号；

处理单元，用于将在低气压环境下的声信号和高气压环境下的声信号进行互相关处理，获得该声信号在发射换能器与接收换能器之间的距离传播所用的时间差，并利用公式(1)，获取该声信号的声速v1为：

其中，L为发射换能器与接收换能器之间的距离，即声波信号的传播路径；Δt为高气压环境下，采用二次回波法测得声信号在直达波与二次回波之间的时间差；Δt′＝n₂/f，n₂为低气压环境下未采用二次回波法的声信号的直达波与高气压环境下采用二次回波法的声信号的直达波的互相关处理获得的采样点数，即低气压环境下，未采用二次回波的互相关处理组与高气压环境下，已采用二次回波互相关处理组进行互相关处理的采样点数；f为采样频率；Δt′为低气压环境下未采用二次回波法的声信号的直达波与高气压环境下采用二次回波法的声信号的直达波的进行互相关处理的时间差。

作为上述技术方案的改进之一，所述装置还包括：移动机构控制模块；所述移动机构控制模块，用于控制滑轨的移动。

基于上述用于低温低压的声速测量装置，本发明还提供了一种用于低温低压的声速测量方法，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信号，并将该声信号传至接收换能器；

接收换能器接收该声信号，并将该声信号传至信号接收器；

信号接收器接收该声信号；

数据处理模块根据发射换能器与接收换能器之间的距离以及声信号在发射换能器与接收换能器之间的时间差，计算声速。

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以及声信号在发射换能器与接收换能器之间的时间差，计算声速；具体包括：

将在低气压环境下的声信号和高气压环境下的声信号进行互相关处理，获得该声信号在发射换能器与接收换能器之间的距离传播所用的时间差，并利用公式(1)，获取该声信号的声速v1为：

其中，L为发射换能器与接收换能器之间的距离，即声波信号的传播路径；Δt为高气压环境下，采用二次回波法测得声信号在直达波与二次回波之间的时间差；Δt′＝n₂/f，n₂为低气压环境下未采用二次回波法的声信号的直达波与高气压环境下采用二次回波法的声信号的直达波的互相关处理获得的采样点数，即低气压环境下，未采用二次回波的互相关处理组与高气压环境下，已采用二次回波互相关处理组进行互相关处理的采样点数；f为采样频率；Δt′为低气压环境下未采用二次回波法的声信号的直达波与高气压环境下采用二次回波法的声信号的直达波的进行互相关处理的时间差。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：

本发明的测量方法，针对在-80～0℃的低温环境、气压小于6000Pa的低压环境以及气体成分为氮气的大气环境中测量声速，对测量过程中出现的高衰减的声信号，将其与相对高气压下的信号进行互相关处理，计算出时间差值，从而测量出准确的声速，提高了测量精度；本发明的方法为在极端低温低压环境的声速测量提供方法，为大气空间的声探测提供基础，促进人们对大气环境的认识。

附图说明

图1是本发明的一种用于低温低气压的声速测量装置的结构示意图；

图2是本发明的一种用于低温低压的声速测量方法的一个具体实施例中的-20℃、10000Pa气压氮气中的声波接收与发射声波时域波形时间与接收电压信号的数据示意图；

图3是本发明的一种用于低温低压的声速测量方法的一个具体实施例中的-20℃氮气中，气压分别为10000Pa和800Pa的声波接收与发射声波时域波形时间与接收电压信号的数据示意图。

附图标记：

1、环模容器 2、第一固定支架

3、第二固定支架 4、滑轨

5、接收换能器 6、发射换能器

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

距离地面20公里到100公里的空域被称为临近空间。它处于稠密大气层到稀薄大气太空层的过渡区，其间空气极为稀薄。临近空间中存在两个温度极小值处，这两处低温区形成了两条声道，其中存在着大量可探测的声信号。临近空间是声信号的天然滤波器。平流层风噪声小、且空气密度低，高频信号衰减强，便于探测识别声信号。在临近空间开展声波探测具有风噪声小、探测范围广、不受地面地形影响、可捕获高空声源产生的不能到达地面的声信号等先天优势。

但是，临近空间空气稀薄，随着海拔升高气压逐渐变低，20km以上气压小于6000Pa。同时，温度也比地球表面要低的多，温度一般在-80～0℃之间，气体成分以氮气为主。在这样一个极端低压低温的环境下，声波的传播特性与地球表面可能存在差异。本发明的测量方法应用在临近空间的模拟大气环境下，具体的临近空间的模拟大气环境条件如上所述。

如图1所示，本发明提出了一种用于低温低气压的声速测量装置，设置在封闭的低温低压的环模容器1内的发射换能器6、接收换能器5、第一固定支架3、第二固定支架2和滑轨4；设置在封闭的低温低压的环模容器1外的信号发生器和信号接收器；以及设置在上位机的数据处理模块；

所述滑轨4水平放置，滑轨4的两端分别设有第一固定支架3和第二固定支架2，第一固定支架3上安装发射换能器6，第二固定支架2上安装接收换能器5；

所述信号发生器产生触发信号，并将该触发信号传至发射换能器6；将该触发信号转换为声信号，并将该声信号传至接收换能器5；所述接收换能器5接收该声信号，并将该声信号传至信号接收器；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以及声信号在发射换能器与接收换能器之间的时间差，计算声速。

所述装置还包括移动机构控制模块；所述移动机构控制模块，用于控制滑轨4的移动；其中，所述移动机构控制模块具体为移动机构控制电机；

所述信号发射器为HP33120A型信号发生器；

所述信号接收器为泰克DPO3032型示波器；

其中，所述数据处理模块为计算机。

所述环模容器，用于提供低温低气压的大气环境；其中，所述低温为-80℃-20℃；所述低气压为小于6000Pa。所述大气环境包括气体成分、温度和气压参数。其中，所述环模容器中充满空气或氮气；环模容器内预先设定温度值，不断调节气压，用于获得不同的大气环境。

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。

所述数据处理模块具体包括：

获取单元，用于获取信号接收器接收的声信号；

处理单元，用于将在低气压环境下的声信号和高气压环境下的声信号进行互相关处理，获得该声信号在发射换能器与接收换能器之间的距离传播所用的时间差，并利用公式(1)，获取该声信号的声速v1为：

其中，L为发射换能器与接收换能器之间的距离，即声波信号的传播路径；Δt为高气压环境下，采用二次回波法测得声信号在直达波与二次回波之间的时间差；Δt′＝n₂/f，n₂为低气压环境下未采用二次回波法的声信号的直达波与高气压环境下采用二次回波法的声信号的直达波的互相关处理获得的采样点数，即低气压环境下，未采用二次回波的互相关处理组与高气压环境下，已采用二次回波互相关处理组进行互相关处理的采样点数；f为采样频率；Δt′为低气压环境下未采用二次回波法的声信号的直达波与高气压环境下采用二次回波法的声信号的直达波的进行互相关处理的时间差。

基于上述用于低温低压的声速测量装置，本发明还提供了一种用于低温低压的声速测量方法，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信号，并将该声信号传至接收换能器；

接收换能器接收该声信号，并将该声信号传至信号接收器；

信号接收器接收该声信号；

数据处理模块根据发射换能器与接收换能器之间的距离以及声信号在发射换能器与接收换能器之间的时间差，计算声速。

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以及声信号在发射换能器与接收换能器之间的时间差，计算声速；其中，该声信号在发射换能器与接收换能器之间的距离传播所用的时间差为低气压声信号在发射换能器与接收换能器之间的距离传播所用的时间差与高气压声信号在发射换能器与接收换能器之间的距离传播所用的时间差的差值；具体包括：

将在低气压环境下的声信号和高气压环境下的声信号进行互相关处理，获得该声信号在发射换能器与接收换能器之间的距离传播所用的时间差，并利用公式(1)，获取该声信号的声速v1为：

其中，L为发射换能器与接收换能器之间的距离，即声波信号的传播路径；Δt为高气压环境下，采用二次回波法测得声信号在直达波与二次回波之间的时间差；Δt′＝n₂/f，n₂为低气压环境下未采用二次回波法的声信号的直达波与高气压环境下采用二次回波法的声信号的直达波的互相关处理获得的采样点数，即低气压环境下，未采用二次回波的互相关处理组与高气压环境下，已采用二次回波互相关处理组进行互相关处理的采样点数；f为采样频率；Δt′为低气压环境下未采用二次回波法的声信号的直达波与高气压环境下采用二次回波法的声信号的直达波的进行互相关处理的时间差。

由于低温低压的大气环境因素，获得的该声速v1中的声波信号衰减大，无法采用二次回波法测量声速，因此，在低气压环境下的声信号和高气压环境下的声信号进行互相关处理，得到该声信号在发射换能器与接收换能器之间的距离传播所用的时间差，则该时间差包括：高气压环境下，采用二次回波法测得声信号在直达波与二次回波之间的时间差和低气压环境下未采用二次回波法的声信号的直达波与高气压环境下采用二次回波法的声信号的直达波的进行互相关处理的时间差Δt′，即低气压声信号在发射换能器与接收换能器之间的距离传播所用的时间差与高气压声信号在发射换能器与接收换能器之间的距离传播所用的时间差的差值，进而计算出更精确的声速v1。

利用高压环境下，采用二次回波测量的声速v，对在低压环境下获得的该信号的声速v1进行校验，具体包括：

二次回波法测量的声速v为：

其中，Δt＝n₁/f1；

Δt为采用二次回波得到的时间差；n₁为采用二次回波的互相关处理获得的采样点数，f1为采用二次回波的互相关处理获得的采样频率；L为发射换能器与接收换能器之间的距离，即声波信号的传播距离。

实施例1.

本发明给出了一个具体的实施例，进一步说明本发明的方法测量出的声速：

如图2和3所示，图2为10000Pa声波接收信号的示意图；图3为10000Pa和800Pa两种声波接收信号的示意图；其中，虚线为10000Pa声波接收信号，实线为800Pa声波接收信号。

利用公式(1)，获取该声信号的声速v1为：

其中，L为发射换能器与接收换能器之间的距离，即声波信号的传播路径；Δt为高气压环境下，采用二次回波法测得声信号在直达波与二次回波之间的时间差；Δt′＝n₂/f，n₂为低气压环境下未采用二次回波法的声信号的直达波与高气压环境下采用二次回波法的声信号的直达波的互相关处理获得的采样点数，即低气压环境下，未采用二次回波的互相关处理组与高气压环境下，已采用二次回波互相关处理组进行互相关处理的采样点数；f为采样频率；Δt′为低气压环境下未采用二次回波法的声信号的直达波与高气压环境下采用二次回波法的声信号的直达波的进行互相关处理的时间差；该声信号在发射换能器与接收换能器之间的距离传播所用的时间差为该互相关处理组直达波与之间的时间差。

如图2和3所示，在本实施例中，L＝0.201m；f＝2.5×10⁶；n₂＝-346，表示800Pa的直达波相对于10000Pa的直达波提前了346个点，即800Pa的直达波比10000pa的直达波提前了，因此，

因此，10000Pa环境下时，计算的声速v1为：

已知800Pa环境下时，计算的声速v为：

其中，Δt＝n₁/f1；

Δt为采用二次回波得到的时间差，即直达波与二次回波的时间差；n₁为采用二次回波法的声信号的直达波与二次回波之间的互相关处理获得的采样点数，f1为采用二次回波法的声信号的直达波与二次回波之间的互相关处理获得的采样频率。在本实施例中，n₁＝31067，表示10000pa的直达波与二次回波之间进行互相关处理的获得的采样点数；f1＝2.5×10⁶；Δt＝n₁/f1＝31067/(2.5×10⁶)＝0.00124268s。

因为我们的采样频率f1＝2.5×10⁶，因此10000Pa组二次回波互相关直达波与二次回波时间差的结果为：

Δt＝n₁/f1＝31067/(2.5×10⁶)＝0.00124268s

因此，800Pa的环境下计算的声速v为：

800Pa时理论速度为V0＝325.9m/s

因此，大大提高了测量精度。

图2中的左侧的波形不存在二次回波，故将其与10000Pa气压下的数据进行互相关计算，得到时间差。由于10000Pa气压下的声波传播时间已知，因此800Pa下的声波传播时间也可以计算出来，进而得到其声速。通过对临近空间的声速测量，提高人们对大气环境的认知。因此，对临近空间中的声信号进行探测具有重要的意义。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种用于低温低气压的声速测量装置，其特征在于，所述装置包括：设置在封闭的低温低压的环模容器(1)内的发射换能器(6)、接收换能器(5)、第一固定支架(3)、第二固定支架(2)和滑轨(4)；设置在封闭的低温低压的环模容器(1)外的信号发生器和信号接收器；以及设置在上位机的数据处理模块；

所述滑轨(4)水平放置，滑轨(4)的两端分别设有第一固定支架(3)和第二固定支架(2)，第一固定支架(3)上安装发射换能器(6)，第二固定支架(2)上安装接收换能器(5)；

所述信号发生器产生触发信号，并将该触发信号传至发射换能器(6)；所述发射换能器(6)将该触发信号转换为声信号，并将该声信号传至接收换能器(5)；所述接收换能器(5)接收该声信号，并将该声信号传至信号接收器；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以及声信号在发射换能器与接收换能器之间的时间差，计算声速；

所述数据处理模块具体包括：

获取单元，用于获取信号接收器接收的声信号；

处理单元，用于将在低气压环境下的声信号和高气压环境下的声信号进行互相关处理，获得该声信号在发射换能器与接收换能器之间的距离传播所用的时间差，并利用公式(1)，获取该声信号的声速v1为：

其中，L为发射换能器与接收换能器之间的距离，即声波信号的传播路径；Δt为高气压环境下，采用二次回波法测得声信号在直达波与二次回波之间的时间差；Δt′＝n₂/f，n₂为低气压环境下，未采用二次回波的互相关处理组与高气压环境下，已采用二次回波互相关处理组进行互相关处理的采样点数，f为采样频率。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述环模容器(1)，用于提供低温低气压的大气环境；其中，所述低温为-80℃-20℃；所述低气压为小于6000Pa。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射换能器(6)与接收换能器(5)相对水平放置，二者之间的距离为0.15-0.25m。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：移动机构控制模块；所述移动机构控制模块，用于控制滑轨(4)的移动。

5.一种用于低温低压的声速测量方法，该方法通过上述权利要求1-4中任一所述的用于低温低压的声速测量装置实现，其包括：

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信号，并将该声信号传至接收换能器；

接收换能器接收该声信号，并将该声信号传至信号接收器；

信号接收器接收该声信号；

数据处理模块根据发射换能器与接收换能器之间的距离以及声信号在发射换能器与接收换能器之间的时间差，计算声速；

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以及声信号在发射换能器与接收换能器之间的时间差，计算声速；具体包括：

将在低气压环境下的声信号和高气压环境下的声信号进行互相关处理，获得该声信号在发射换能器与接收换能器之间的距离传播所用的时间差，并利用公式(1)，获取该声信号的声速v1为：

其中，L为发射换能器与接收换能器之间的距离，即声波信号的传播路径；Δt为高气压环境下，采用二次回波法测得声信号在直达波与二次回波之间的时间差；Δt′＝n₂/f，n₂为低气压环境下，未采用二次回波的互相关处理组与高气压环境下，已采用二次回波互相关处理组进行互相关处理的采样点数，f为采样频率。