CN112326012B - 一种松散介质声传播特性测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种松散介质声传播特性测试装置，包括串接的软件测试平台、示波器、试验管腔和数据采集仪；软件测试平台内置虚拟实验平台和多通道噪声振动采集系统；试验管腔的侧壁上设置有进气孔和出气孔，进气孔位于试验管腔跟示波器相连的一端与出气孔之间；试验管腔与示波器相连的一端跟进气孔之前设置有扬声器，进气孔跟出气孔之前设置有至少两个传声器。本发明还公开了一种松散介质声传播特性测试方法。本发明能够完成声音的产生、发声、接收、采集、分析全过程，有效测量声波的“飞渡时间”、“衰减性”等声学测温涉及到的重要参数波。本发明属于声学特性测量技术领域，用于测量松散介质声传播特性。
Description
技术领域
本发明属于声学特性测量技术领域，用于测量松散介质声传播特性，具体地说是一种松散介质声传播特性测试装置及方法。
背景技术
堆积形态下松散介质内部温度是工业过程中的一个重要测量参数。例如，在煤仓中，堆积煤炭的氧化自燃既降低了煤炭的品质，同时也是造成了重大的事故隐患。因此，对煤炭内部温度的精准探测是防治煤炭自燃最为有效的方法。
现有的温度测量方法主要包括接触式测量和非接触式测量。接触式测温，需要与被测介质接触才能完成测温，这导致接触式测温过程中布置设备极为复杂，而且采用接触式测温法很难实现大面积测量。非接触式测温，如红外测温，因受测量距离等外界因素影响而无法测量松散介质深部温度分布。
基于声波信号的非接触式温度测量技术不需要与被测介质直接接触，不受外部工作条件的影响，适应各种高温、腐蚀、多尘等恶劣环境，能够深入全面探测介质内部的温度。
随着学科交叉和数字信号处理技术的发展，声学测温已经作为一种新兴的技术被人们所关注。声学测温法利用了声波在介质中的传播速度随介质的温度变化而变化的特性。声学测温的测温范围及测量尺度理论上都不受限制，并且能够适应各种复杂的测量条件。目前声学测温已经应用于一些小型发电站中，并且在海洋测温中声学测温已经发展为较完整的体系并且得到了广泛的应用。
声学测温技术在松散介质中的应用目前还处于实验研究初期，如松散煤堆等松散介质内的应用还在起步阶段。对声波在松散介质内的传播特性的研究进度缓慢，严重影响了声学测温技术在松散介质测温领域的应用。
发明内容
本发明的目的，是要提供一种松散介质声传播特性测试装置，能够完成声音的产生、发声、接收、采集、分析全过程，有效测量声波的“飞渡时间”、“衰减性”等声学测温涉及到的重要参数波；
本发明的另外一个目的，是要提供一种松散介质声传播特性测试方法，该测试方法简单易行，测试结果能够为声学测量松散介质温度的研究提供参数支持，对研究声学测温具有积极的意义。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：
一种松散介质声传播特性测试装置，包括串接的软件测试平台、示波器、试验管腔和数据采集仪；
所述软件测试平台内置虚拟实验平台和多通道噪声振动采集系统；
所述试验管腔的侧壁上设置有进气孔和出气孔，进气孔位于试验管腔跟示波器相连的一端与出气孔之间；
所述试验管腔与示波器相连的一端跟进气孔之前设置有扬声器，进气孔跟出气孔之前设置有传声器组，传声器组包括n个传声器，n≥2；
所述软件测试平台通过实验虚拟平台设置声波信号参数并通过内置声卡产生对应的声波信号，然后输出至示波器，示波器产生对应的波形并进一步将声波信号输出至试验管腔的扬声器，声波信号从扬声器传出之后经过试验管腔内的待测松散介质之后被传声器组接收并输出至数据采集仪，数据采集仪将收到的声波信号处理之后输出至软件测试平台，软件测试平台通过多通道噪声振动采集系统对收到的声波信号计算分析、得出结论。
作为限定：所述试验管腔外部套设有加热套，加热套连接有温度控制器。
作为第二种限定：所述试验管腔包括可拆卸扬声器腔体、试验管腔主体、可拆卸后盖；试验管腔主体的一端设置有第一挡网、另一端设置有第二挡网，并且一端与可拆卸扬声器腔体插接、另一端与可拆卸后盖插接；
所述扬声器设置在可拆卸扬声器腔体内；
所述可拆卸扬声器腔体的纵截面呈侧开口的“匚”型结构，其中封闭的一端内置第一保温层，扬声器位于另一端、且开口朝向试验管腔主体；
所述进气孔设置于试验管腔主体侧壁上靠近可拆卸扬声器腔体的位置、并且开口朝下；出气孔设置于可拆卸后盖上，且开口朝上；
所述可拆卸后盖呈两端开口的中空圆柱体，可拆卸后盖的一端与试验管腔主体插接、另一端从内向外依次设置有强吸声体和第二保温层。
作为进一步限定：所述试验管腔主体通过管道支架架设在安装位置，所述管道支架外包有软质橡胶。
作为对试验管腔的第二种限定：所述传声器组包括第一～第四传声器，第一传声器和第二传声器设置在靠近第一挡网处，第三传声器和第四传声器设置在靠近第二挡网处，第二传声器和第三传声器之间设置有温湿度传感器，温湿度传感器连接有温湿度传感器检测仪。
作为第三种限定：所述一种松散介质声传播特性测试装置还包括预混装置，预混装置的出气口与试验管腔的进气孔相连。
作为进一步限定：所述预混装置内部设置有搅拌杆、侧壁设置有第一～第四进气口，第一～第四进气口分别一一对应地连接有第一～第四气瓶。
一种松散介质声传播特性测试方法，采用上述的一种松散介质声传播特性测试装置实现，按照以下步骤顺序进行：
一、将待测松散介质放入试验管腔；
二、开启进气孔和出气孔，从进气孔通入待测气体至待测气体充满整个试验管腔，然后关闭进气孔和出气孔；
三、软件测试平台通过实验虚拟平台设置声波信号参数并通过内置声卡产生对应的声波信号，然后输出至示波器；
四、示波器产生对应的波形并进一步将声波信号输出至试验管腔的扬声器；
五、声波信号从扬声器传出之后经过试验管腔内的待测松散介质之后分别被不同的传声器接收并输出至数据采集仪；
六、数据采集仪将收到的声波信号处理之后输出至软件测试平台；
七、软件测试平台通过多通道噪声振动采集系统对收到的声波信号计算分析、得出结论；
本步骤中，多通道噪声振动采集系统首先分别计算声波信号在不同传播路径上的速度vm，然后取平均值作为声波信号在待测松散介质中的传播速度v；
声波信号在某一传播路径上的速度vm＝sm/tm，sm是指某一传播路径的两个传声器之间的距离，tm是指某一传播路径上的两个传声器接收到声波信号的时间差；
本步骤中，多通道噪声振动采集系统首先分别计算声波信号在不同传播路径上的衰减系数αm，然后取平均值作为声波信号在待测松散介质中的衰减系数α；
声波信号在某一传播路径上的衰减系数Ai表示声波信号的入射振幅，Ao表示声波信号的输出振幅；
所述m≥1，i≥1，o≥1，i≠o。
作为限定：所述步骤一至步骤六进行的同时，通过温度控制器控制加热套对试验管腔加热至温度为T并保持恒定。
作为进一步限定：所述步骤一至步骤六进行的同时，温湿度传感器实时检测试验管腔内的温湿度并反馈至温湿度传感器检测仪；
所述m＝4，v1＝s1/t1、v2＝s2/t2、v3＝s3/t3、v4＝s4/t4，v＝(v1+v2+v3+v4)/4；
即共有第一传声器到第三传声器、第一传声器到第四传声器、第二传声器到第三传声器、第二传声器到第四传声器四条声波传播路径，s1为第一传声器到第三传声器的距离、s2为第一传声器到第四传声器的距离、s3为第二传声器到第三传声器之间的距离，s4为第二传声器到第四传声器之间的距离，t1为从第一传声器到第三传声器之间声音传播时间、t2为第一传声器到第四传声器之间声音传播的时间、t3为第二传声器到第三传声器之间声音的传播时间，t4为第二传声器到第四传声器之间声音的传播时间；
步骤五中，声波信号的第一入射振幅A1由第一传声器、第二入射振幅A2由第二传声器测得，第一输出振幅A3由第三传声器测得、第二输出振幅A4由第四传声器测得；
步骤七中，多通道噪声振动采集系统计算出声波信号在待测松散截止中的衰减系数α＝(α1+α2+α3+α4)/4，其中
本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
(1)本发明的测试装置能够完成声音的产生、发声、接收、采集、分析全过程，有效测量声波的“飞渡时间”，“衰减性”等声学测温涉及到的重要参数波；
(2)本发明的试验管腔外部套设有加热套，加热套具有保温功能，保证热量不外散；加热套连接有温度控制器，能够对实验管腔内的温度及升温速率进行控制；
(3)本发明试验管腔主体的一端设置有第一挡网、另一端设置有第二挡网，一方面能够阻止待测松散介质的颗粒物质进入强吸声体中，从而防止影响吸声层的吸声效果，另一方面是让扬声器发出的声波通过第一挡网和第二挡网上的小孔顺利传出到达吸声层；
(4)本发明的试验管腔主体的一端与可拆卸扬声器腔体插接、另一端与可拆卸后盖插接，最大限度上保证试验管腔内壁的光滑性，保证声波的顺利传播，并且能够确保试验管腔的密闭性；
(5)本发明设置的第一保温层和第二保温层具有保温效果，能够防止由于能量的散失导致实验的偏差；
(6)本发明的预混装置内具有搅拌杆，搅拌杆能够将待测气体均匀混合，配比不同浓度的待测气体；
(7)本发明的数据采集器具有采集多通道声波的功能，并且将采集到的信号传输到软件测试平台中，可实现不同测量模型的信号采集；
(8)本发明设置温湿度传感器，并连接温湿度监测器，能够实时监测试验管腔内的温度与湿度；
(9)本发明的管道支架包有软质橡胶，具有减震效果，有效避免外界因素对实验的干扰；
(10)本发明的测试装置预留四个传声器出口，可对声波的传播路程进行更改，通过改变声波的传播距离，对计算结果取平均的计算方法，以达到实验的准确性。
本发明适用于属于声学特性测量技术领域，能够有效测量松散介质声传播特性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明实施例1的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1的试验管腔整体外观示意图；
图3为本发明实施例1的实验预混装置图；
图4为本发明实施例1的第一管道支架主视图；
图5为本发明实施例1的试验管腔和预混装置使用状态示意图。
图中：1、软件测试平台，2、示波器，3、试验管腔，4、数据采集仪，5、预混装置，6、可拆卸扬声器腔体，7、试验管腔主体，8、可拆卸后盖，9、第一保温层，10、扬声器，11、第一挡网，12、进气孔，13、第一传声器，14、第二传声器，15、第三传声器，16、第四传声器，17、温湿度传感器，18、温湿度传感器检测仪19、第一管道支架，20、第二管道支架，21、加热套，22、温度控制器，23、第二挡网，24、出气孔，25、强吸声体，26、第二保温层，27、第一进气口，28、第二进气口，29、第三进气口，30、第四进气口，31、出气口，32、第一气瓶，33、第二气瓶，34、第三气瓶，35、第四气瓶。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1一种松散介质声传播特性测试装置
如图1-图4所示，本实施例包括预混装置5以及串接的软件测试平台1、示波器2、试验管腔3和数据采集仪4。其中，
①软件测试平台1
软件测试平台1内置虚拟实验平台和多通道噪声振动采集系统。
②试验管腔3
试验管腔3外部套设有加热套21，加热套21连接有温度控制器22；
试验管腔3包括可拆卸扬声器腔体6、试验管腔主体7、可拆卸后盖8；试验管腔主体7的一端设置有第一挡网11、另一端设置有第二挡网23，并且一端与可拆卸扬声器腔体6插接、另一端与可拆卸后盖8插接；
可拆卸扬声器腔体6的纵截面呈侧开口的“匚”型结构，其中封闭的一端内置第一保温层9，另一端设置有扬声器10，扬声器10开口朝向试验管腔主体7；
试验管腔主体7通过结构相同的第一管道支架19和第二管道支架20架设在安装位置，第一管道支架19和第二管道支架20外均包有软质橡胶；试验管腔主体7侧壁下部上靠近可拆卸扬声器腔体6的位置开设有进气孔12；试验管腔主体7内安装有第一～第四传声器13～16，第一传声器13和第二传声器14设置在靠近第一挡网11处，第三传声器15和第四传声器16设置在靠近第二挡网23处，第二传声器14和第三传声器15之间设置有温湿度传感器17，温湿度传感器17连接有温湿度传感器检测仪18；
可拆卸后盖8呈两端开口的中空圆柱体，可拆卸后盖8的一端与试验管腔主体7插接、另一端从内向外依次设置有强吸声体25和第二保温层26，可拆卸后盖8上部设置有出气孔24，出气孔24连接有带夹子的第一软管；
③预混装置5
预混装置5内部设置有搅拌杆、侧壁上开设有出气口31和第一～第四进气口27～30，其中出气口31通过带夹子的第二软管与试验管腔3的进气孔12相连，第一～第四进气口27～30分别一一对应地连接有第一～第四气瓶32～35，第一～第四气瓶32～35均带有出气阀。
本实施例中，试验管腔3的内直径为0.14m，长度为1.5m；可拆卸扬声器腔体6的长度为0.2m；第一传声器13与第二传声器14之间相距0.1m，第三传声器15与第四传声器16之间相距0.1m；第一管道支架19和第二管道支架20的高度均为0.1m；可拆卸后盖8长度为0.2m，末端为开合式设置，可根据测试条件选择开放式或强吸声式。实际使用时，可根据需要改变上述参数。本实施例中，以传声器的个数为四进行举例说明，实际操作中，可根据需要改变其数量。
软件测试平台1通过实验虚拟平台设置声波信号参数并通过内置声卡产生对应的声波信号，然后输出至示波器2，示波器2产生对应的波形并进一步将声波信号输出至试验管腔3的扬声器10，声波信号从扬声器10传出之后经过试验管腔3内的待测松散介质之后被传声器接收并输出至数据采集仪4，数据采集仪4将收到的声波信号处理之后输出至软件测试平台1，软件测试平台1通过多通道噪声振动采集系统对收到的声波信号计算分析、得出结论。
实施例2一种松散介质声传播特性测试方法
本实施例采用实施例1来实现，按照以下步骤顺序进行：
一、如图5所示，将待测松散介质放入试验管腔主体7内；
本实施例中，待测松散介质采用孔隙度为5％的松散煤堆；
二、取下第一软管和第二软管上带的夹子，开启进气孔12和出气孔24，从进气孔12通入待测气体至待测气体充满整个试验管腔3，然后同时关闭进气孔12和出气孔24；用温度控制器22将加热套21的温度设置为30℃，静置，通过温湿度传感器17检测试验管腔3内的温湿度，直至温湿度传感器检测仪18上的温度稳定；
本实施例的待测气体采用含有5％体积浓度瓦斯气体的空气；
上述过程中，待测气体预先在预混装置5中充分混匀，待测气体从进气孔12进入试验管腔3，部分待测气体与试验管腔3内原来的气体一通从出气孔24出来；
三、软件测试平台1通过实验虚拟平台设置声波信号参数并通过内置声卡产生对应的声波信号，然后输出至示波器2；
四、示波器2产生对应的波形并进一步将声波信号输出至试验管腔3的扬声器10；
五、声波信号从扬声器10传出之后经过试验管腔3内的松散煤堆之后被第一～第四传声器13～16接收并输出至数据采集仪4；
六、数据采集仪4将收到的声波信号处理之后输出至软件测试平台1；
七、软件测试平台1通过多通道噪声振动采集系统对收到的声波信号计算分析、得出结论；
上述过程中，步骤一至步骤六进行的同时，通过温度控制器22控制加热套21对试验管腔3加热至温度为T并保持恒定；温湿度传感器17实时检测试验管腔3内的温湿度并反馈至温湿度传感器检测仪18。
步骤五中，共有第一传声器13到第三传声器15、第一传声器13到第四传声器16、第二传声器14到第三传声器15、第二传声器14到第四传声器16四条声波传播路径，第一传声器13到第三传声器15的距离为s1、第一传声器13到第四传声器16的距离为s2、第二传声器14到第三传声器15之间的距离为s3，第二传声器14到第四传声器16之间的距离为s4，从第一传声器13到第三传声器15之间声音传播时间为t1、第一传声器13到第四传声器16之间声音传播的时间为t2、第二传声器14到第三传声器15之间声音的传播时间为t3，第二传声器14到第四传声器16之间声音的传播时间为t4；声波信号的第一入射振幅A1由第一传声器13测得、第二入射振幅A2由第二传声13器测得，第一输出振幅A3由第三传声器15测得、第二输出振幅A4由第四传声器16测得。
步骤七中，多通道噪声振动采集系统首先分别计算声波信号在四条传播路径上的速度v1、v2、v3、v4，然后取平均值作为声波信号在待测松散介质中的传播速度v；具体地，v1＝s1/t1、v2＝s2/t2、v3＝s3/t3、v4＝s4/t4，v＝(v1+v2+v3+v4)/4。
同时，多通道噪声振动采集系统首先分别计算声波信号在不同传播路径上的衰减系数α1、α2、α3、α4，然后取平均值作为声波信号在待测松散介质中的衰减系数α；具体地α＝(α1+α2+α3+α4)/4，其中
作为优化，还可以通过调整第一～第四传声器13～16的位置多次测量，得出更为精确的结果。
本实施例中，待测气体成分和松散煤堆的松散度是已知数，又测得了试验管腔3内的温湿度，因此可以分析出声波信号在相应环境下相应待测松散介质中的传播速度、衰减系数。
实际操作中，通过改变试验管腔3内的温度、待测气体成分、待测松散介质的种类或松散度，能够分析出声波信号在不同环境下、不同待测松散介质中的传播特性。
Claims (8)
1.一种松散介质声传播特性测试装置，其特征在于：包括串接的软件测试平台、示波器、试验管腔和数据采集仪；
所述软件测试平台内置虚拟实验平台和多通道噪声振动采集系统；
所述试验管腔的侧壁上设置有进气孔和出气孔，进气孔位于试验管腔跟示波器相连的一端与出气孔之间；
所述试验管腔与示波器相连的一端跟进气孔之前设置有扬声器，进气孔跟出气孔之前设置有传声器组，传声器组包括n个传声器，n≥2；
所述软件测试平台通过实验虚拟平台设置声波信号参数并通过内置声卡产生对应的声波信号，然后输出至示波器，示波器产生对应的波形并进一步将声波信号输出至试验管腔的扬声器，声波信号从扬声器传出之后经过试验管腔内的待测松散介质之后被传声器组接收并输出至数据采集仪，数据采集仪将收到的声波信号处理之后输出至软件测试平台，软件测试平台通过多通道噪声振动采集系统对收到的声波信号计算分析、得出结论；
所述试验管腔外部套设有加热套，加热套连接有温度控制器；
所述试验管腔包括可拆卸扬声器腔体、试验管腔主体、可拆卸后盖；试验管腔主体的一端设置有第一挡网、另一端设置有第二挡网，并且一端与可拆卸扬声器腔体插接、另一端与可拆卸后盖插接；
所述扬声器设置在可拆卸扬声器腔体内；
所述可拆卸扬声器腔体的纵截面呈侧开口的“匚”型结构，其中封闭的一端内置第一保温层，扬声器位于另一端、且开口朝向试验管腔主体；
所述进气孔设置于试验管腔主体侧壁上靠近可拆卸扬声器腔体的位置、并且开口朝下；出气孔设置于可拆卸后盖上，且开口朝上；
所述可拆卸后盖呈两端开口的中空圆柱体，可拆卸后盖的一端与试验管腔主体插接、另一端从内向外依次设置有强吸声体和第二保温层。
2.根据权利要求1所述的一种松散介质声传播特性测试装置，其特征在于：所述试验管腔主体通过管道支架架设在安装位置，所述管道支架外包有软质橡胶。
3.根据权利要求1或2所述的一种松散介质声传播特性测试装置，其特征在于：所述传声器组包括第一～第四传声器，第一传声器和第二传声器设置在靠近第一挡网处，第三传声器和第四传声器设置在靠近第二挡网处，第二传声器和第三传声器之间设置有温湿度传感器，温湿度传感器连接有温湿度传感器检测仪。
4.根据权利要求1或2所述的一种松散介质声传播特性测试装置，其特征在于：所述一种松散介质声传播特性测试装置还包括预混装置，预混装置的出气口与试验管腔的进气孔相连。
5.根据权利要求4所述的一种松散介质声传播特性测试装置，其特征在于：所述预混装置内部设置有搅拌杆、侧壁设置有第一～第四进气口，第一～第四进气口分别一一对应地连接有第一～第四气瓶。
6.一种松散介质声传播特性测试方法，采用权利要求1-5任意一项所述的一种松散介质声传播特性测试装置实现，其特征在于，按照以下步骤顺序进行：
一、将待测松散介质放入试验管腔；
二、开启进气孔和出气孔，从进气孔通入待测气体至待测气体充满整个试验管腔，然后关闭进气孔和出气孔；
三、软件测试平台通过实验虚拟平台设置声波信号参数并通过内置声卡产生对应的声波信号，然后输出至示波器；
四、示波器产生对应的波形并进一步将声波信号输出至试验管腔的扬声器；
五、声波信号从扬声器传出之后经过试验管腔内的待测松散介质之后分别被不同的传声器接收并输出至数据采集仪；
六、数据采集仪将收到的声波信号处理之后输出至软件测试平台；
七、软件测试平台通过多通道噪声振动采集系统对收到的声波信号计算分析、得出结论；
本步骤中，多通道噪声振动采集系统首先分别计算声波信号在不同传播路径上的速度vm，然后取平均值作为声波信号在待测松散介质中的传播速度v；
声波信号在某一传播路径上的速度vm=sm/tm，sm是指某一传播路径的两个传声器之间的距离，tm是指某一传播路径上的两个传声器接收到声波信号的时间差；
本步骤中，多通道噪声振动采集系统首先分别计算声波信号在不同传播路径上的衰减系数，然后取平均值作为声波信号在待测松散介质中的衰减系数/>；
声波信号在某一传播路径上的衰减系数 ，Ai表示声波信号的入射振幅，Ao表示声波信号的输出振幅；
所述m≥1，i≥1，o≥1，i≠o。
7.根据权利要求6所述的一种松散介质声传播特性测试方法，所述试验管腔外部套设有加热套，加热套连接有温度控制器，其特征在于：所述步骤一至步骤六进行的同时，通过温度控制器控制加热套对试验管腔加热至温度为T并保持恒定。
8.根据权利要求7所述的一种松散介质声传播特性测试方法，所述传声器组包括第一～第四传声器，第一传声器和第二传声器设置在靠近第一挡网处，第三传声器和第四传声器设置在靠近第二挡网处，第二传声器和第三传声器之间设置有温湿度传感器，温湿度传感器连接有温湿度传感器检测仪；其特征在于：所述步骤一至步骤六进行的同时，温湿度传感器实时检测试验管腔内的温湿度并反馈至温湿度传感器检测仪；
所述m=4，v1=s1/t1、v2=s2/t2、v3=s3/t3、v4=s4/t4，v=（v1+v2+v3+v4）/4；
即共有第一传声器到第三传声器、第一传声器到第四传声器、第二传声器到第三传声器、第二传声器到第四传声器四条声波传播路径，s1为第一传声器到第三传声器的距离、s2为第一传声器到第四传声器的距离、s3为第二传声器到第三传声器之间的距离，s4为第二传声器到第四传声器之间的距离，t1为从第一传声器到第三传声器之间声音传播时间、t2为第一传声器到第四传声器之间声音传播的时间、t3为第二传声器到第三传声器之间声音的传播时间，t4为第二传声器到第四传声器之间声音的传播时间；
步骤五中，声波信号的第一入射振幅A1由第一传声器、第二入射振幅A2由第二传声器测得，第一输出振幅A3由第三传声器测得、第二输出振幅A4由第四传声器测得；
步骤七中，多通道噪声振动采集系统计算出声波信号在待测松散截止中的衰减系数，其中/>，/>，/>，/>。
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