CN113155274A - 一种声波频率衰减测量仪及方法 - Google Patents

一种声波频率衰减测量仪及方法 Download PDF

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陈寿元
陈宇
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Abstract

本发明提供了声波频率衰减测量仪及方法，包括以下步骤：信号发射端产生低频电子信号做为源低频信号，一路传递给处理器的三角函数和差化积电路，另一路经放大后转换为声波，经声道传递给信号接收端。三角函数和差化积电路接收源低频信号和信号接收端获取的声波信号，两路声波电信号完成求和运算，输出声波频率随传播距离的衰减值。

Description

一种声波频率衰减测量仪及方法
技术领域
本发明涉及声波频率衰减测量领域，具体为一种声波频率衰减测 量仪及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必 然构成在先技术。
声波的研究以及应用经历数百年的历史。1842年，多普勒通过 行进的火车，其笛声声调发生变化的现象，得到声波频率随声源与观 测者之间距离发生变化时，声波频率发生变化的多普勒效应。
声呐用于测量水域暗藏的潜艇。利用声波的发射、传播、反射、 接收等过程，实现对目标的测量。声波的应用与研究逐步深入。但是 声波频率是否随传播距离有微弱的衰减？陈寿元效应认为：声波频率 随传播距离，会有微弱的衰减。但是大学物理、语音处理等课本，认 为声波频率仅与波源有关，与传播媒质无关。另一种科研声音：光波 红移--频率随传播距离增加而降低的天文观测结果。声波存在波的弥 散现象。光纤通信中正、负啁啾现象，表明光波在光媒质中传播，频 率会发生变化。超新星暴发的光波出现大红移量现象。
声波随传播距离而衰减的现象如果存在，为什么科学家迄今没有 发现？工程上、实验上为什么没有测量到这种变化？
可能的解释：这种变化(声波频率衰减)非常微弱，目前测量技 术精度、处理方法不能满足这种精度的要求，因此测量不到，或者理 论分析没有认识到这种变化。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供 一种声波频率衰减测量仪及测量方法，利用处理器具有的三角函数和 差化积电路，输入两路正弦波，输出乘积模式的电信号，完成调幅模 式，使得振幅被调制，检出包络波，去掉声波，经倍频后测量声波随 距离的衰减值。
本发明的第一个方面提供一种声波频率衰减测量方法，包括以下 步骤：
利用信号发射端产生低频电子信号做为源低频信号，一路传递给 处理器的三角函数和差化积电路，另一路经放大后转换为声波，经声 道传递给信号接收端的远程声波传感器。
利用处理器的三角函数和差化积电路，接收信号发射端发来的源 低频信号和信号接收端获取的声波信号，两路声波电信号完成求和运 算，输出声波频率随传播距离的衰减值。
三角函数和差化积电路功能：输入两路正弦波，输出乘积模式的 电信号，完成调幅模式，振幅被调制，出现包络波。波的频率是两个 输入频率的均值，振幅变化的包络波变化频率是两个输入波差值的一 半，波形式与调幅广播的已调制波雷同。
本发明的第二个方面提供基于上述声波频率衰减测量方法构建 的测量仪。
声波频率衰减测量仪，包括信号发射端、声道、信号接收端以及 处理器，信号发射端产生低频电子信号，经放大后转换成声波并通过 声道到达信号接收端，信号接收端接收并转化得到的声波电子信号与 信号发射端产生的低频电子信号输入处理器，处理器使低频电子信号 与声波电子信号叠加计算，观测声波频率随传播距离的衰减值。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
利用调幅广播机理实现声波频率衰减的精密测量，测量精度高、 测量成本低、易操作，且稳定性高。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步 理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对 本发明的不当限定。
图1是本发明一个或多个实施例提供的声波频率衰减测量仪结 构示意图；
图2是本发明一个或多个实施例提供的声波频率衰减测量仪原 理图；
图3(a)-(c)是本发明一个或多个实施例提供的调幅广播信号 调制原理图；
图4(a)-(c)是本发明一个或多个实施例提供的利用振幅调制 测量声波频率衰减的原理图；
图5(a)-(c)是本发明一个或多个实施例提供的振幅调制原理 图；
图6(a)是本发明一个或多个实施例中Ma<1时的已调波波形图；
图6(b)是本发明一个或多个实施例中Ma＝1时的已调波波形图；
图6(c)是本发明一个或多个实施例中Ma>1时的已调波波形图；
图7(a)-(c)是本发明一个或多个实施例提供的振幅调制的频 率(频谱)图；
图8是本发明一个或多个实施例中频率衰减测量的过程波形图。
具体实施方式
以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。 除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技 术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术中所描述的，陈寿元效应认为：声波频率随传播距 离，会有微弱的衰减。可能的解释：这种变化(声波频率衰减)非常 微弱，目前测量技术精度、处理方法不能满足这种精度的要求，因此 测量不到。或者理论分析没有认识到这种变化。
陈寿元效应指：声波在传播过程中，由于声波能量的媒质损耗及 扩散、色散造成了能量强度降低。声波能量的两个因子振幅和频率， 在信号强时以振幅衰减为主，频率衰减为辅；在信号弱时，振幅、频 率都快速衰减，频率的变化带动了波长的变化，所以声波在传播过程 中，波长的变化是波能损耗引起的。
以下实施例的目的是提供声波频率衰减测量方法及测量仪器，其 结构简单且能够显著提高声波频率衰减的测量精度。
实施例一：
如图8所示，采用低频信号发生器产生低频电子信号，一路传递 给处理器的三角函数和差化积电路。
另一路经放大后转换为声波，经声道传递给远程声波传感器。
三角函数和差化积电路接收低频信号发生器传输来的源低频信 号和远程声波传感器获取的声波信号，两路声波电信号完成求和运 算，输出声波频率随传播距离的衰减值。
三角函数和差化积电路功能：输入两路正弦波，输出乘积模式的 电信号，完成调幅模式，振幅被调制，出现包络波。波的频率是两个 输入频率的均值，振幅变化的包络波变化频率是两个输入波差值的一 半，波形式与调幅广播的已调制波雷同。
以下为一种实施方式：
如图3-8所示，设载波uc(t)的表达式和调制信号uΩ(t)的表达式分 别为：
uc(t)＝Ucmcosωct (1)
低频电子信号uc(t)的波形图，如图5(a)所示。
设声波电子信号uΩ(t)的表达式为：
uΩ(t)＝UΩmcosΩt (2)
声波电子信号uΩ(t)的波形图，如图5(b)所示。
根据调幅的定义，当载波的振幅值随调制信号的大小作线性变化 时，即为调幅信号，则已调波的波形如图5(c)所示，图5(a)、图 5(b)则分别为调制信号和载波的波形，调制信号的波形对应低频电 子信号和载波的波形对应声波电子信号的波形。由图可见，已调幅波 振幅变化的包络形状与调制信号的变化规律相同，而其包络内的高频 振荡频率仍与载波频率相同，表明已调幅波实际上是一个高频信号。 可见，调幅过程只是改变载波的振幅，使载波振幅与调制信号成线性 关系，即使Ucm变为Ucm+KaUΩmcosΩt，据此，可以写出已调幅波 表达式为：
Figure RE-GDA0003096014970000061
Figure RE-GDA0003096014970000062
Ma称为调幅系数，Umax表示调幅波包络的最大值，Umin表示调幅 波包络的最小值。Ma表明载波振幅受调制控制的程度，一般要求0≤ Ma≤1，以便调幅波的包络能正确地表现出调制信号的变化。Ma>1 的情况称为过调制,如图6(a)、图6(b)以及图6(c)所示，图6 (a)是Ma<1时的已调波波形图，图6(b)是Ma＝1时的已调波波形图， 图6(c)是Ma>1时的已调波波形图。
为了分析调幅信号所包含的频率成分，可将公式(3)按三角函 数公式展开。
声源频率f0、传感器收到的声音频率f1,由于声道频率衰减非常微 弱，所以f0与f1差值很小，并且都是正弦波，两个频率差值很小的正 弦波叠加，根据三角函数和差化积的公式，该两个正弦波叠加，转化 成乘积的方式来表达，频率差值变成变成调幅因子，由于频率差值很 小，基准或波源频率称为被调制波。
根据正弦声波的函数，低频信号发生器产生的低频电子信号为 y0，则：
y0＝cos(wt-kx) (5)
远程声波传感器接收的声波电子信号为y1：
y1＝cos(wt-vt-kx) (6)
y0+y1＝cos(wt-kx)+cos(wt-vt-kx) (7)
根据三角函数和差化积公式：
cosa+cosb＝2cos((a+b)/2)cos((a-b)/2) (8)
得：
y0+y1＝2cos(vt/2)cos(wt-vt/2-kx) (9)
注释：由于频率衰减非常小，v是很小的量，即频率衰减的角速 度，最终显示出包络波的周期、波长和频率。
其中：w表示发射端的发射角频率，k表示传播常数，v表示角频 率减小值，v与w相比非常小，t表示传播时间，x表示传播距离。
cos(vt/2)认为是调幅信号，这里表达是v--声波信号由源处y0， 传播到X处，衰减为y1。频率衰减值是v，而cos(wt-vt/2-kx)相当 于载波。则显示模块显示调幅波，包络波的周期就是振幅变化的周期， 在调幅广播中，调幅的包络波就是语音信号，被发送的信号。本实施 例利用调幅波原理实现对声波频率微弱衰减的超高精密测量，包络波 的周期、频率就是声波衰减值的二分之一。
本实施例证明了可以利用调幅广播的机理实现对声波频率微弱 衰减的测量，实现对声波频率积极微小变化的超高精度的测量，实现 人类对声波的认知实现质的飞跃。
实施例二：
如图1-2所示，基于上述声波频率衰减测量方法搭建的仪器，包 括信号发射端、声道、信号接收端以及处理器，信号发射端产生低频 电子信号，经放大后转换成声波并通过声道到达信号接收端，信号接 收端接收并转化得到的声波电子信号与信号发射端产生的低频电子 信号输入处理器，处理器使低频电子信号与声波电子信号叠加计算， 观测声波频率随传播距离的衰减值。
信号发射端包括连接在一起的低频电子信号电路、低频信号放大 器和高音喇叭。
信号接收端具有基准低频电子信号电路：用于接收声波频率衰减 的测量仪发射来的低频电子信号，并传输给低频信号放大器；
低频信号放大器：接收“基准低频电子信号电路”传输来的低频 电子信号，给予线性放大，振幅放大，电流放大，功率放大。
高音喇叭：接收低频信号放大器送来的电子信号，转换成声波， 并发射出去，位置固定。
传播声道：传播声波的空间空气通道，要求声道传播无空气流动， 无振动、无噪声，声波频率衰减振子电磁波源，提供计时用的正弦电 磁波，稳定高，精度高。
低频信号发生器：频率可调、稳定性高，提供声波的原始信号。
放大器：接收低频信号发生器发来的低频信号，给予放大，然后 传送给发射器(发射电路)。
发射器：把放大器送来的信号，经过自带天线发射出去，发射的 信号由“接收基准低频电子信号电路”接收。
声波信号接收端具有远程声波传感器：接收由高音喇叭发射的、 经声道传播到远处的声波，并转化为电子信号，将电子信号传输到下 一步处理。
远程声波传感器的性能要求：灵敏度非常高，能稳定可靠接收几 十米远的声波信号，是完成声波可靠测量的核心器件，与普通声波传 感器相比，普通传感器接收声波的距离不够长，只有几米的距离，灵 敏度太低，不能满足长距离接收声波的要求，该传感器内部采用2级 低噪声的模拟集成放大器的声波处理器，因此灵敏度很高，可以接受 几十米远的声波信号。
MPU：处理器控制系统，实现信号传递、信号处理等任务，配 置RAM、ROM、I/O、A/D等功能芯片构成系统，完成数据接收、存 储、处理、逻辑处理、数据运算等功能。
三角函数和差化积电路：接收低频信号发生器传输来的源低频信 号，接收远程声波传感器发来声波信号，两路声波电信号再次完成求 和运算，并转换成调幅波形式的乘积模式。
三角函数和差化积电路功能：输入两路正弦波，输出乘积模式的 电信号，完成调幅模式。振幅被调制，出现包络波。波的频率是两个 输入频率的均值，振幅变化的包络波变化频率是两个输入波差值的一 半，波形式与调幅广播的已调制波雷同。
检波模块：由“三角函数和差化积电路”送来调制波，检出包络 波，去掉声波。
倍频模块：由于“三角函数和差化积电路”振幅变化的包络波只 反映频率衰减值的一半，因此需要还原出包络波的频率，倍频模块完 成频率乘2还原出声波频率的衰减的频率值。
放大、调整及A/D电路：接收倍频模块送来的信号，进行放大 处理、以及振幅调整，完成模数转换，送处理器处理。
显示模块：显示处理后信号。频率衰减值、距离、原声波频率。
距离测量模块：由主机的电子信号发射器发射脉冲，经喇叭发射 声音，再由声波接收器接收到声波脉冲，发射电磁波--接收时间与声 波传播速度相比，电磁波传播时间可以忽略不计，时间差主要是声波 传播时间，有传播速度、传播时间，可以计算出传播距离。
运动装置：4组万向轮，装在声波频率衰减的测量仪底盘下，完 成移动的需要。
运动动力：直流电机驱动，可直线运动、转向、倒退及刹车。
遥控操作：人员的移动、实验者运动对声波通道、声波频率及波 形产生影响。为了提高测量环境稳定性。采用一定距离、隔离状态的 测量遥控模式。
让测量仪缓慢移动，使与喇叭的距离缓慢增加，可以连续测量出 频率衰减曲线。
包络波的周期为基准低频电子信号源的电子信号频率与传感器 信号频率的差值一半，包络波的周期倍频后，才是声道频率衰减值， 即高音喇叭发出的声波频率，经过声道传播到远程声波传感器位置的 衰减值。
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 (10)

1.一种声波频率衰减测量方法，其特征在于：包括以下步骤；
信号发射端产生低频电子信号做为源低频信号，一路传递给处理器，另一路经放大后转换为声波，经声道传递给信号接收端。
处理器接收源低频信号和信号接收端获取的声波信号，两路声波电信号完成求和运算，输出声波频率随传播距离的衰减值。
2.如权利要求1所述的一种声波频率衰减测量方法，其特征在于：所述处理器输出乘积模式的电信号，完成调幅模式后出现包络波，包络波的周期和频率为声波衰减值的二分之一。
3.基于权利要求1所述方法的声波频率衰减测量仪，其特征在于：包括信号发射端、声道、信号接收端以及处理器，信号发射端产生低频电子信号，经放大后转换成声波并通过声道到达信号接收端，信号接收端接收并转化得到的声波电子信号与信号发射端产生的低频电子信号输入处理器，处理器使低频电子信号与声波电子信号叠加计算，观测声波频率随传播距离的衰减值。
4.如权利要求3所述的声波频率衰减测量仪，其特征在于：所述信号发射端包括连接在一起的低频电子信号电路、低频信号放大器和高音喇叭。
5.如权利要求4所述的声波频率衰减测量仪，其特征在于：所述信号发射端具有基准低频电子信号电路，基准低频电子信号电路接收低频电子信号，传输给低频信号放大器。
6.如权利要求5所述的声波频率衰减测量仪，其特征在于：所述低频信号放大器接收基准低频电子信号电路传输来的低频电子信号，进行线性放大、振幅放大、电流放大和功率放大。
7.如权利要求3所述的声波频率衰减测量仪，其特征在于：所述信号接收端具有远程声波传感器，远程声波传感器接收由高音喇叭发射且经声道传播的声波，并转化为电子信号，将电子信号传输到处理器。
8.如权利要求7所述的声波频率衰减测量仪，其特征在于：所述处理器具有三角函数和差化积电路，三角函数和差化积电路接收信号发射端传输的源低频信号和远程声波传感器获取的声波信号，两路声波电信号完成求和运算。
9.如权利要求8所述的声波频率衰减测量仪，其特征在于：所述三角函数和差化积电路功能输入两路正弦波，输出乘积模式的电信号。
10.如权利要求9所述的声波频率衰减测量仪，其特征在于：所述处理器还具有检波模块和倍频模块，检波模块接收三角函数和差化积电路传递的调制波，检出包络波去掉声波；倍频模块接收检波模块传递的包络波信号，还原出声波频率衰减的频率值。
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