CN111413402B - 一种低温低气压环境的声衰减系数测量装置及测量方法 - Google Patents

一种低温低气压环境的声衰减系数测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于声波测量设备技术领域，具体地说，涉及一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置及测量方法，包括：设置在完全封闭的低温低压的环境模拟容器(6)内的发射换能器(1)、接收换能器(2)、第一固定支架(3)、第二固定支架(4)和第三固定支架(5)；设置在封闭的低温低压的环境模拟容器(6)外的信号发生器、放大电路和示波器，信号发生器和放大电路均与示波器连接；以及设置在上位机的数据处理模块；所述第三固定支架(5)呈水平放置，第三固定支架(5)的两端分别设有第一固定支架(3)和第二固定支架(4)，第一固定支架(3)上安装发射换能器(1)，第二固定支架(4)上安装接收换能器(2)。

Description

一种低温低气压环境的声衰减系数测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于地球高层大气和火星表面的声波测量设备技术领域，具体地说，涉及一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置及测量方法。
背景技术
低温低气压是一种特殊的大气环境，这种环境既存在于地球上空海拔20-100km的临近空间，也存在于距地球上亿公里之外的火星表面。环境发生变化，声波的传播性质也会改变。因此，在低温低气压的气体环境中的声衰减系数也会发生变化。对这样一种特殊的大气环境进行声衰减的研究，有助于提高我们对上述未知环境的声学方面的物理特性的认识，也为后续这部分环境中利用声学手段解决问题提供了基础。
地球高层大气(临近空间)和火星表面大气层都是低温和极低气压的环境。极低压低温大气中的声衰减系数是全面认知地球和行星声学环境的基础，也是行星声探测应用的必要参数。声衰减系数作为气体介质的一个重要的声学参数，在一种气体中主要包括经典衰减与弛豫衰减。经典衰减是由于气体的粘滞性、热传导效应等引起的声波的能量的消耗，与声波的频率的平方成正比，与气体的温度和气压也有关系。弛豫衰减是由气体分子的振动弛豫效应引起的，不仅与气体环境(温度、湿度、气压)有关，还与声波频率之间存在着复杂的变化关系。对于声波衰减系数的测量起步相对较晚，且由于接收到的声波的幅度容易受到外界环境的影响，目前许多现有的测量方法对于声衰减系数的测量精度较低。常见的测量声衰减系数的方法主要包括：共振法、变程脉冲法、辐射力法和背向散射频谱法。但是，由于测量衰减的过程需要在密闭的低温低气压环境，因此这些需要通过移动声学换能器而改变声波接收的距离的方法并不能实现。如果在测量过程中打开或者关闭实验容器来改变声波传播的距离，则会破坏实验环境的一致性，不能保证不同距离的实验结果之间温度、气压等环境参数的一致，造成了声衰减系数的测量结果存在较大的误差。因此，国内尚未实现在低温低气压下的气体中的声衰减测量实验。
发明内容
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环境的声衰减系数测量装置及测量方法，利用环境模拟容器模拟出低温低气压的气体环境条件，温度设置为-80℃-20℃低温区间，气体压强设置在600Pa-1atm的低气压区间，实现测量声衰减系数的目的。
本发明提供的一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置，该装置包括：设置在完全封闭的低温低压的环境模拟容器内的发射换能器、接收换能器、第一固定支架、第二固定支架和第三固定支架；设置在封闭的低温低压的环境模拟容器外的信号发生器、放大电路和示波器，信号发生器和放大电路均与示波器连接；以及设置在上位机的数据处理模块；
所述第三固定支架呈水平放置，第三固定支架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；
所述信号发生器发射触发信号，并将该触发信号传至发射换能器；将该触发信号转换为声波信号；
该声波信号在环境模拟容器预先模拟的低温低气压环境的气体中传播，并将产生的直达波信号和二次反射回波信号传至接收换能器；所述接收换能器接收直达波信号和二次反射回波信号，并将该直达波信号和二次反射回波信号传至放大电路进行放大处理；
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，声反射率，以及放大处理后的直达波信号的电压幅值和放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值，计算声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数。
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，用于获取经放大电路进行放大处理后的直达波信号和二次回波信号；
处理单元，用于根据获取的放大处理后的直达波信号和二次回波信号，并利用公式(1)，获取声波信号在低温低气压环境的某一种气体中传播时的声衰减系数为：
其中，a为声衰减系数；d为发射换能器与接收换能器之间的声波信号的传播距离；R为声波在接收换能器和低温低气压环境的某一种待测气体的气体接触面的反射率；UR为放大处理后的直达波信号的电压幅值；UR2为放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值。
作为上述技术方案的改进之一，所述环境模拟容器，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600Pa-1atm。
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，所述声波信号的频率为20-40kHz。
本发明还提供了一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量方法，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波信号；
该声波信号在环境模拟容器预先模拟的低温低气压环境的气体中传播，并将产生的直达波信号和二次反射回波信号传至接收换能器；所述接收换能器接收直达波信号和二次反射回波信号，并将该直达波信号和二次反射回波信号传至放大电路进行放大处理；
数据处理模块根据发射换能器与接收换能器之间的距离，声反射率，以及放大处理后的直达波信号的电压幅值和放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值，计算声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数。
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，声反射率，以及放大处理后的直达波信号的电压幅值和放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值，计算声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数；具体为：
根据获取的放大处理后的直达波信号和二次回波信号，并利用公式(1)，获取声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数为：
其中，a为声衰减系数；d为发射换能器与接收换能器之间的声波信号的传播距离；R为声波在接收换能器和低温低气压环境的某一种待测气体的气体接触面的反射率；UR为放大处理后的直达波信号的电压幅值；UR2为放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值。
本发明相比于现有技术的有益效果在于：
本发明的测量装置结构简单，不需要反复开启环境模拟器，保证不同距离的实验结果之间温度、气压等环境参数的一致，减小了声衰减系数的测量结果存在的误差；另外，本发明的测量方法，针对在-80～20℃的低温环境、气压为600Pa-1atm的低压环境的大气环境中测量声衰减系数，实现了在低温、低气压的环境中定量的测量出了更精确的声衰减系数，并得到了声衰减系数随气压降低而增大的结论。
附图说明
图1是本发明的一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置的结构示意图；
图2是本发明的一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置中的直达波和二次反射回波示意图；
图3是本发明的一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置的一个具体实施例的直达波和二次反射回波的时域波形示意图。
附图说明：
1、发射换能器 2、接收换能器
3、第一固定支架 4、第二固定支架
5、第三固定支架 6、环境模拟容器
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明提供的一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置，如图1所示，该装置包括：设置在完全封闭的低温低压的环境模拟容器6内的发射换能器1、接收换能器2、第一固定支架3、第二固定支架4和第三固定支架5；设置在封闭的低温低压的环境模拟容器6外的信号发生器、放大电路和示波器，信号发生器和放大电路均与示波器连接；以及设置在上位机的数据处理模块；
所述第三固定支架5呈水平放置，第三固定支架5的两端分别设有第一固定支架3和第二固定支架4，第一固定支架3上安装发射换能器1，第二固定支架4上安装接收换能器2；
所述信号发生器发射触发信号，并将该触发信号传至发射换能器1；将该触发信号转换为声波信号，并通过示波器进行显示；
该声波信号在环境模拟容器6预先模拟的低温低气压环境的气体中传播，并将产生的直达波信号和二次反射回波信号传至接收换能器2；所述接收换能器2接收直达波信号和二次反射回波信号，并将该直达波信号和二次反射回波信号传至放大电路进行放大处理；
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，声反射率，以及放大处理后的直达波信号的电压幅值和放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值，计算声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数。
其中，如图2所示，直达波信号是经发射换能器1与接收换能器2之间的声波信号的传播距离d的传播后到达接收换能器2；二次反射回波信号是在发射换能器1与接收换能器2之间发生两次反射后，经发射换能器1与接收换能器2之间的声波信号的传播距离3d的传播后到达接收换能器2；声波信号的频率为20-40kHz。
所述信号发射器为；HP33120A型信号发生器。
所述示波器为；泰克DPO3032型示波器。
其中，所述数据处理模块为计算机。
所述环境模拟容器6，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600Pa-1atm。所述大气环境包括气体成分、温度和气压参数。其中，所述环境模拟容器6中充满空气或氮气；环境模拟容器6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1与接收换能器2相对水平放置，二者之间的距离为0.2m。
所述数据处理模块具体包括：
获取单元，用于获取经放大电路进行放大处理后的直达波信号和二次回波信号；
处理单元，用于根据获取的放大处理后的直达波信号和二次回波信号，并利用公式(1)，获取声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数为：
其中，a为声衰减系数；d为发射换能器1与接收换能器2之间的声波信号的传播距离；R为声波在接收换能器2和低温低气压环境的某一种待测气体的气体接触面的反射率；UR为放大处理后的直达波信号的电压幅值；UR2为放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值。
其中，用来计算声波信号在低温低气压环境的某一种气体中传播时的声衰减系数的公式(1)的推导过程如下：
针对接收到的放大处理后的直达波信号与二次反射回波信号的电压幅值进行衰减分析：
由于放大处理后的直达波信号与二次反射回波信号是由同样电压幅值的声波信号发射出的，且在接收过程中，经放大电路放大相同倍数，因此，可以不考虑发射声波的电压幅值以及放大电路对衰减结果的影响；声波信号在气体介质中传播时，声压的变化按照指数衰减规律，即
Ud＝U0e-αd,
其中，Ud为发射换能器1与接收换能器2之间的声波信号的传播距离d处的声压值；U0为起点处的声压值；a为声波信号在低温低气压环境的某一种气体中传播时的声衰减系数；d为发射换能器1与接收换能器2之间的声波信号的传播距离，单位为米(m)。
由于二次反射回波信号是经过两次反射得到的声波信号，因此，在计算幅值时，会用到声波在接收换能器2和气体接触面的反射率和透射率：
其中，R为声波在接收换能器2和低温低气压环境的某一种待测气体的气体接触面的反射率；T为声波在接收换能器2和低温低气压环境的某一种待测气体的气体接触面的透射率；Z1为声波信号在低温低气压环境的某一种待测气体的声阻抗；Z2为接收换能器的声阻抗；
其中，
Z1＝ρc
其中，Z1为待测气体的声阻抗；ρ为待测气体的密度；c为待测气体的声速；
接收换能器的声阻抗Z2是已知值；
同一声波信号在低温低气压环境的某一种待测气体中传播时，经过放大处理后的直达波信号电压幅值：
UR＝UT×e-αd×T2×AT 2,
经过放大处理后的二次发射回波信号的电压幅值为：
UR2＝UT×e-α3d×T2×R2×AT 2,
其中，UR为放大处理后的直达波信号的电压幅值；UR2为放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值；UT为声波信号发射的电压幅值；AT为电声转换效率；
上述两式相比，得到声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数为：
本发明还提供了一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量方法，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1；
发射换能器1将该触发信号转换为声波信号，并通过示波器进行显示；
该声波信号在环境模拟容器6预先模拟的低温低气压环境的气体中传播，并将产生的直达波信号和二次反射回波信号传至接收换能器2；所述接收换能器2接收直达波信号和二次反射回波信号，并将该直达波信号和二次反射回波信号传至放大电路进行放大处理；
数据处理模块根据发射换能器与接收换能器之间的距离，声反射率，以及放大处理后的直达波信号的电压幅值和放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值，计算声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数。
其中，根据获取的放大处理后的直达波信号和二次回波信号，并利用公式(1)，获取声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数为：
其中，a为声衰减系数；d为发射换能器1与接收换能器2之间的声波信号的传播距离；R为声波在接收换能器2和低温低气压环境的某一种待测气体的气体接触面的反射率；UR为放大处理后的直达波信号的电压幅值；UR2为放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值。
实施例1.
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次声信号。临近空间是次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，便于探测识别低频次声信号。在临近空间开展次声探测具有风噪声小、探测范围广、不受地面地形影响、可捕获高空次声源产生的不能到达地面的次声信号等先天优势。
但是，临近空间空气稀薄，随着海拔升高气压逐渐变低，且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(大于90％)。在这样一个复杂的大气环境下，声波信号的传播特性与地球表面可能存在差异。因此，需要一种可以在低温低气压氮气中测量声衰减系数的测量装置和测量方法。
本发明的测量方法运用到临近空间的模拟大气环境下，得到以下数据：环境模拟容器6的气体设置为氮气，将氮气冲入环境模拟容器6中，环境模拟容器6内的环境温度设置为-20℃，气体压强为10000Pa，发射换能器1与接收换能器2之间的距离d为20.48cm，信号发生器产生40kHz的触发信号，接收换能器2接收的经放大处理后的直达波信号和二次反射回波信号的时域波形图，如图3所示。
接收换能器不仅接收到了经放大处理后的直达波信号(从左向右第一个波包)，同时也接收到了经放大处理后的二次反射回波信号(从左向右第二个波包)。利用MATLAB软件，提取出直达波与二次回波的幅度峰峰值，即放大处理后的直达波信号的电压幅值UR为1.6368V；放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值UR2为0.7125V。根据实验选择的换能器材料和气体环境，分别计算出二者的声阻抗，并利用声阻抗结果计算出声反射率R为0.999993
最终，利用声衰减系数计算公式：
计算出在环境温度设置为-20℃，气体压强为10000Pa下的某一待测气体的声衰减系数α为2.030528Np/m；其中，待测气体为氮气。
本发明的测量方法的创新之处在于，针对在-80～0℃的低温环境、气压小于6000Pa的低压环境下的特定待测气体中设计声衰减系数的测量实验，针对接收到的声波信号的电压幅值，进行声衰减系数的计算。
现有的方法中，由于实验环境特殊，测量过程需要在密闭的环境中进行，但频繁的开关容器罐来改变换能器之间的距离会造成每次实验的条件发生改变，如温度、湿度、气压和换能器的水平对准情况。这些细微的改变将对试验结果产生影响。而本发明的方法利用经放大处理后的直达波信号和二次反射回波信号，在不改变实验环境及换能器间距的前提下，利用两次接收到的放大处理后的直达波信号和二次反射回波信号的电压幅值，计算出声衰减系数：
该方法考虑到了在低温低气压下由于声阻抗不匹配而出现的反射和透射率的问题，使得利用本发明的测量方法得到的声衰减系数更精确。
根据上述计算公式，从而测量出低温低气压下的声衰减系数，为在复杂环境中的声衰减测量提供方法，为高层大气的声探测提供基础，促进人们对高层大气环境及外太空环境的认识。
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 (4)

1.一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置，其特征在于，该装置包括：设置在完全封闭的低温低压的环境模拟容器(6)内的发射换能器(1)、接收换能器(2)、第一固定支架(3)、第二固定支架(4)和第三固定支架(5)；设置在封闭的低温低压的环境模拟容器(6)外的信号发生器、放大电路和示波器，信号发生器和放大电路均与示波器连接；以及设置在上位机的数据处理模块；
所述第三固定支架(5)呈水平放置，第三固定支架(5)的两端分别设有第一固定支架(3)和第二固定支架(4)，第一固定支架(3)上安装发射换能器(1)，第二固定支架(4)上安装接收换能器(2)；
所述信号发生器发射触发信号，并将该触发信号传至发射换能器(1)；将该触发信号转换为声波信号；
该声波信号在环境模拟容器(6)预先模拟的低温低气压环境的气体中传播，并将产生的直达波信号和二次反射回波信号传至接收换能器(2)；所述接收换能器(2)接收直达波信号和二次反射回波信号，并将该直达波信号和二次反射回波信号传至放大电路进行放大处理；
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，声反射率，以及放大处理后的直达波信号的电压幅值和放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值，计算声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数；
所述数据处理模块具体包括：
获取单元，用于获取经放大电路进行放大处理后的直达波信号和二次回波信号；
处理单元，用于根据获取的放大处理后的直达波信号和二次回波信号，并利用公式(1)，获取声波信号在低温低气压环境的某一种气体中传播时的声衰减系数为：
其中，a为声衰减系数；d为发射换能器(1)与接收换能器(2)之间的声波信号的传播距离；R为声波在接收换能器(2)和低温低气压环境的某一种待测气体的气体接触面的反射率；UR为放大处理后的直达波信号的电压幅值；UR2为放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值；
所述环境模拟容器(6)，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600Pa-1atm。
2.根据权利要求1所述的用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置，其特征在于，所述发射换能器(1)与接收换能器(2)相对水平放置，二者之间的距离为0.15-0.25m。
3.根据权利要求1所述的用于低温低气压环境的声衰减系数测量装置，其特征在于，所述声波信号的频率为20-40kHz。
4.一种用于低温低气压环境的声衰减系数测量方法，其特征在于，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(1)；
发射换能器(1)将该触发信号转换为声波信号；
该声波信号在环境模拟容器(6)预先模拟的低温低气压环境的气体中传播，并将产生的直达波信号和二次反射回波信号传至接收换能器(2)；所述接收换能器(2)接收直达波信号和二次反射回波信号，并将该直达波信号和二次反射回波信号传至放大电路进行放大处理；
数据处理模块根据发射换能器与接收换能器之间的距离，声反射率，以及放大处理后的直达波信号的电压幅值和放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值，计算声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数；
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，声反射率，以及放大处理后的直达波信号的电压幅值和放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值，计算声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数；具体为：
根据获取的放大处理后的直达波信号和二次回波信号，并利用公式(1)，获取声波信号在低温低气压环境的某一待测气体中传播时的声衰减系数为：
其中，a为声衰减系数；d为发射换能器(1)与接收换能器(2)之间的声波信号的传播距离；R为声波在接收换能器(2)和低温低气压环境的某一种待测气体的气体接触面的反射率；UR为放大处理后的直达波信号的电压幅值；UR2为放大处理后的二次反射回波信号的电压幅值；
所述环境模拟容器(6)，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600Pa-1atm。
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