CN110319916B - 一种基于水域反射波干扰测量的有限水池低频拓展方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水域反射波干扰测量的有限水池低频拓展方法，将水听器与换能器放置在有界面反射的声场中，换能器发射中心轴对称的宽带调频信号，经过多途反射由水听器接收并进行双边傅里叶变换，保留[‑fH,fH]的频谱；以同样的方法对发射信号进行处理，并将两者相除；利用多途信号与直达波信号的时延差构造滤波器，对相除得到的结果进行滤波处理，从而达到了抑制反射波影响的目的，即拓宽了声学测量的低频下限。本发明打破了原有的信号处理思维，有效地利用了信号的负频谱特性，对接收信号的正负频谱进行移动平均处理，抑制了反射波的影响，具有算法简单、计算量小、易于操作、可大幅降低有限水池自由场测试频率的下限等优点。
Description
技术领域
本发明属于声学计量测试技术领域，具体涉及一种基于水域反射波干扰测量的有限水池低频拓展方法。
背景技术
自由场测量频率的低频拓展一直是声学计量领域的研究热点，特别是在水声计量领域，随着低频大功率水声换能器在军事上的应用，换能器的低频校准问题就显得尤为重要。
通常，在尺度为50m×15m×10m的消声水池中，受空间最短尺度的影响(陈毅,赵涵,袁文俊.水下电声参数测量[M].北京:2017)，其测量频率大多在1kHz以上，若采用特殊的信号处理方法，如Prony谱分析技术、多路径信号建模技术或复移动加权平均技术等，其测量低频下限可达到200Hz左右。更低频率的测试，则需要在声压场中进行，如振动液注、驻波管、耦合腔等；而根据换能器的换能原理与工作条件，换能器的校准应当在自由场条件下进行。
在有限空间自由场的校准方法中，首要的目标是解决反射波的影响，最常规的方法就是铺设消声尖劈，使得测试水域能近似为消声水域，再结合脉冲技术，才能减小反射波的影响。但在低频时(频率低于1kHz)，消声尖劈的吸声性能将会大大降低，且此时的波长较高，脉冲法也无法分割直达波与发射波；而在有界面反射的声场中，反射波是一种周期性的干扰，复移动加权平均技术正是采用移动平均的方式，减小或消除了这种干扰，达到了抑制反射波影响的作用。复移动加权平均技术是对接收的时域信号进行平均处理，其低频下限受移动平均长度的影响，而反射波的影响在频域上也是一种周期性的干扰，即可采用频域上移动平均的方法对其进行抑制，从而实现有限水域的自由场校准。同时，在对信号进行频谱分析时，可人为地分为负频谱与正频谱，再对接收信号的频谱进行移动平均处理，此时信号的平均长度将不会对测量的低频下限有影响，有效地解决了有限空间自由场低频校准的难题。其次，在配合宽带低频声源的工作情况下，可以同时得到多个频点的测试数据，能大幅提高测试效率。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于水域反射波干扰测量的有限水池低频拓展方法，能够达到抑制反射波影响的目的，即拓宽了声学测量的低频下限。
一种基于水域反射波干扰测量的有限水池低频拓展方法，首先将水听器与换能器放置在有界面反射的声场中，换能器发射中心轴对称的宽带调频信号，该信号经过多信道传播由水听器接收；然后对接收信号(经过多信道传播后的宽带调频信号)进行双边傅里叶变换，保留[-fH,fH]频带区间的频谱P1，fH为接收信号的上限频率；
进而以同样的方法对发射信号即宽带调频信号进行处理，得到对应的频谱P2，使频谱P1与P2相除后的结果通过一个空间频域平滑滤波器进行滤波处理，从而达到抑制反射波影响的目的，即拓宽了声学测量的低频下限。
进一步地，所述空间频域平滑滤波器的构造方法为：首先，计算或测量不同声传播信道与直达波信道之间的时延差τi，i为自然数且1≤i≤N，N为声传播信道的数量；然后，对各时延差τi取倒数，得到对应的带宽Δfi，进而根据各带宽Δfi构造多个单位矩形窗函数且各窗函数的长度对应为Δfi；最后，将所有单位矩形窗函数进行卷积运算，最终得到空间频域平滑滤波函数，其带宽
进一步地，所述声传播信道需存在界面或边界反射，根据声程差计算不同声传播信道与直达波信道之间的时延差，或通过声源发射高频脉冲信号测量不同声传播信道与直达波信道之间的时延差。
影响声学测量低频下限的原因为：水池空间有限，测量频率较低时水听器接收信号中将很难将直达波与反射波区分开来。
进一步地，所述中心轴对称的宽带调频信号经数字采样后的信号s(n)，其表达形式如下：
其中：n为采样点序数，x(n)为单边的宽带调频信号中对应序数n的采样点信号值。
进一步地，所述双边傅里叶变换基于以下算式：
其中：S(k)为接收信号经双边傅里叶变换后的结果，k为谱线序数，N为单边的宽带调频信号的采集长度，j为虚数单位。
进一步地，所述换能器和水听器的工作频带必须涵盖[0,fH]，且在此频带内两者的频率响应尽可能平坦，且最大偏差在1.5dB以内。
本发明打破了原有的信号处理思维，有效地利用了信号的负频谱特性，对接收信号的正负频谱进行移动平均处理，抑制了反射波的影响。本发明具有算法简单、计算量小、易于操作、可大幅降低有限水池自由场测试频率的下限等优点。
附图说明
图1为转移阻抗校准系统的信号框图。
图2为信噪比为20dB时经过多次反射之后接收的电信号波形示意图。
图3为接收信号信噪比为20dB时的转移阻抗频域平均效果示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明基于水域反射波干扰测量的有限水池低频拓展方法，包括如下步骤：
(1)将水听器与换能器放置在有界面反射的声场中，换能器发射中心轴对称的宽带调频信号，该信号经过多信道传播由水听器接收，将接收信号(经过多信道传播后的宽带调频信号)进行双边傅里叶变换，保留从[-fH,fH]的频谱(fH表示接收信号的上限频率)；以同样的方法对发射信号进行处理，并将两者频谱相除。换能器与水听器的工作频带必须涵盖[0,fH]，且在此频带内两者的频率响应尽可能平坦，最大偏差在1.5dB以内。
中心轴对称的宽带调频信号s(t)经过数字采样后的信号s(n)，其性质可如下表示：
式中：n为采样点的序数，x(n)为单边的宽带调频信号。
双边傅里叶变换的表达如下：
式中：S(k)为信号s(n)的傅里叶变换结果，k为谱线的序数，N为信号x(n)的采集长度。
(2)利用接收信号中反射波(多个)与直达波(一个)的时延差构造滤波器，具体步骤为：第一步：计算或者测量不同声传播信道与直达波信道之间的时延差τi；第二步：将各个时延差τi取倒数，得到不同的带宽Δfi，并根据Δfi构造多个单位矩形窗函数且每个窗函数的长度为Δfi；第三步：将所有单位矩形窗函数进行卷积运算，最终得到空间频域平滑滤波函数，其带宽为
其过程中声场需存在界面反射，且直达声波与反射波之间的时延已知。
(3)将步骤(1)中频谱相除得到的结果通过步骤(2)所构造得到的滤波器进行滤波处理，从而达到了抑制反射波影响的目的，即拓宽了声学测量的低频下限(影响有限水池低频下限的原因为：水池空间有限，测量频率较低时水听器接收信号中将很难将直达波与反射波区分开来)。
本发明适用于换能器的比较法与互易法校准，而互易法中转移阻抗的校准是其校准过程中必不可少的一个环节，下面我们以转移阻抗的校准来对本发明的技术方案进行详细说明。
在实际测量时直接测量的是电信号，由图1可知，接收信号Uout(f)(解析信号)与发射电流Iin(f)(解析信号)的关系为：
式中：r0为直达波的声程，SI(f)为换能器的发送电流的频响，Hw(f)为水池的传递函数，M(f)为水听器的接收频响。
令：
式中：Z(f)为多次界面反射下系统的转移阻抗；记自由场下系统的转移阻抗为Z0(f)，则有：
Z(f)＝Z0(f)Hw(f)
由上式可知，去除反射波的影响的途径就是让经过处理后的Z(f)与Z0(f)的值相等，即频域平均的目的是使Hw(f)的值趋近于1，其表达式为：
式中：f0表示平均带宽的中心频率，W(f)为频域平均滤波器，Δf为滤波器的长度。W(f)构造方法为：根据声场的空间信息计算或者测量反射波与直达波信道之间的时延τi，再将各个时延τi取倒数，得到不同的带宽Δfi，并根据Δfi构造单位矩形滤波器，其表达式为：
式中：rect(Δfi)表示长度为Δfi的单位矩形窗，
表示卷积，
当转移阻抗的频率范围为[-fH,fH]时，则平均处理后的频率范围为
可见，综合利用转移阻抗的正负频谱特性，对其进行频域平均处理，能够达到拓展其自由场测量低频下限的目的。
线性调频信号是一种最简单、常用的中心轴对称的宽带调频信号，其信号的形式为：
式中：T表示信号时长；下面将以该信号为例，介绍低频拓展方法的信号处理过程。
若信号时长T为2s，时间t的范围为[-1s,1s]，采样率为60kHz，fH＝6kHz；在2ms、4ms、5ms、0.8s处存在反射信号，反射系数分别为0.7、0.6、0.3、0.2，信号的信噪比为20dB，最终水听器接收到的信号为U(t)，如图2所示；首先对发射信号进行希尔伯特变换，得到解析信号I(t)；同样地，对接收信号进行处理得到解析信号Uout(t)，按照如下公式对I(t)与Uout(t)进行双边傅里叶变换得到其频谱I(f)与Uout(f)。
根据信号反射信号与直达信号之间的时延差，将时延差取倒数；接着，以时延差的倒数为长度，构造单位矩形滤波器；最后，将所有的滤波器进行卷积计算，得到所需的滤波器。利用所构造的滤波器对接收信号的频谱进行平均滤波处理，处理后的转移阻抗与自由场下的转移阻抗如图3所示，可见经过频域平均后的转移阻抗与自由场下的转移阻抗基本一致，特别是在1Hz附近，两者也基本重合。因此，可证明本发明的声学测量低频拓展方法是可行、有效的。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于水域反射波干扰测量的有限水池低频拓展方法，其特征在于：首先将水听器与换能器放置在有界面反射的声场中，换能器发射中心轴对称的宽带调频信号，该信号经过多信道传播由水听器接收；然后对接收信号进行双边傅里叶变换，保留[-fH,fH]频带区间的频谱P1，fH为接收信号的上限频率；
进而以同样的方法对发射信号即宽带调频信号进行处理，得到对应的频谱P2，使频谱P1与P2相除后的结果通过一个空间频域平滑滤波器进行滤波处理，从而达到抑制反射波影响的目的，即拓宽了声学测量的低频下限；
所述空间频域平滑滤波器的构造方法为：首先，计算或测量不同声传播信道与直达波信道之间的时延差τi，i为自然数且1≤i≤N，N为声传播信道的数量；然后，对各时延差τi取倒数，得到对应的带宽Δfi，进而根据各带宽Δfi构造多个单位矩形窗函数且各窗函数的长度对应为Δfi；最后，将所有单位矩形窗函数进行卷积运算，最终得到空间频域平滑滤波函数，其带宽
2.根据权利要求1所述的有限水池低频拓展方法，其特征在于：所述声传播信道需存在界面或边界反射，根据声程差计算不同声传播信道与直达波信道之间的时延差，或通过声源发射高频脉冲信号测量不同声传播信道与直达波信道之间的时延差。
3.根据权利要求1所述的有限水池低频拓展方法，其特征在于：所述中心轴对称的宽带调频信号经数字采样后的信号s(n)，其表达形式如下：
其中：n为采样点序数，x(n)为单边的宽带调频信号中对应序数n的采样点信号值。
4.根据权利要求3所述的有限水池低频拓展方法，其特征在于：所述双边傅里叶变换基于以下算式：
其中：S(k)为接收信号经双边傅里叶变换后的结果，k为谱线序数，N为单边的宽带调频信号的采集长度，j为虚数单位。
5.根据权利要求1所述的有限水池低频拓展方法，其特征在于：所述换能器和水听器的工作频带必须涵盖[0,fH]，且在此频带内两者的频率响应尽可能平坦，且最大偏差在1.5dB以内。
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