RU2673871C1

RU2673871C1 - Способ измерения коэффициента отражения звука от поверхности

Info

Publication number: RU2673871C1
Application number: RU2018104846A
Authority: RU
Inventors: Александр Евгеньевич Исаев; Антон Николаевич Матвеев
Priority date: 2018-02-08
Filing date: 2018-02-08
Publication date: 2018-11-30

Abstract

Изобретение относится к испытаниям акустических свойств материалов и может быть использовано для измерения частотной зависимости коэффициента отражения звука от поверхности в лабораторных и натурных условиях при различных углах падения звуковой волны. Существо способа заключается в том, что на заданной частоте коэффициент отражения рассчитывают исходя из соотношения между амплитудами опорного и отраженного исследуемой поверхностью сигналов, которые получают, возбуждая излучатель тональным импульсом. Опорный сигнал регистрируют в отсутствие сигнала, отраженного исследуемой поверхностью. Отраженный сигнал получают вычитанием опорного сигнала из интерференционного сигнала, который регистрируют, располагая излучатель, приемник и исследуемую поверхность так, чтобы первым по времени прихода на приемник отраженным сигналом был сигнал от исследуемой поверхности. 5 ил.

Description

Изобретение относится к испытаниям акустических свойств материалов и может быть использовано для измерения частотной зависимости коэффициента отражения звука от поверхности в лабораторных и натурных условиях при различных углах падения звуковой волны.

Известен способ измерения коэффициента отражения звука от поверхности, основанный на изменении частоты амплитудной модуляции излучаемого акустического сигнала с целью достижения и фиксации минимального коэффициента модуляции суммарного акустического сигнала, возникающего вследствие интерференции излучаемого и отраженного от поверхности акустических сигналов, определении модуля коэффициента отражения по соотношению между коэффициентом модуляции излучаемого акустического сигнала и минимальным коэффициентом модуляции суммарного акустического сигнала, определении фазы коэффициента отражения по отношению несущей частоты к частоте модуляции при минимуме коэффициента модуляции [Г.А. Чуновкин, В.Т. Ляпунов, А.К. Новиков и Ю.М. Еленин. Способ измерения коэффициента отражения звука от поверхности. А.С. 896541, М. Кл. G01N 29/00, Опубликовано 07.01.82 (51). Бюллетень №1].

Недостатком известного способа является погрешность измерений, обусловленная влиянием посторонних сигналов, отраженных границами среды, в которой выполняют измерения (стенки лабораторного гидроакустического бассейна либо акустической камеры, дно и поверхность водоема).

Известен способ измерения коэффициента отражения звука от поверхности, принятый за прототип [1], который заключается в изменении частоты акустического сигнала, которым облучают исследуемую поверхность, регистрации интерференционного сигнала, представляющего собой сумму сигнала излучателя и сигнала, отраженного исследуемой поверхностью, определении коэффициента отражения по отношению максимума к минимуму интерференционного сигнала.

Однако этот способ обеспечивает измерение только на дискретном ряде частот, при этом получаемые результаты не могут быть однозначно привязаны к частотам максимума или минимума интерференционного сигнала. Результат измерений отягощен погрешностью, если коэффициент отражения существенно изменяется с частотой. Также, недостатком способа является погрешность измерений, обусловленная влиянием сигналов, отраженных границами среды, в которой выполняют измерения.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является повышение точности измерения коэффициента отражения за счет исключения влияния посторонних отраженных сигналов, обеспечение возможности измерять коэффициент отражения на произвольно выбираемых частотах.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе, заключающемся в облучении исследуемой поверхности акустическим сигналом излучателя, регистрации приемником интерференционного акустического сигнала, представляющего собой сумму сигнала излучателя и отраженного сигнала, изменении частоты облучающего сигнала, определении коэффициента отражения по отношению максимума к минимуму интерференционного сигнала, излучатель, исследуемую поверхность и приемник располагают в гидроакустическом бассейне так, чтобы первым по времени прихода на приемник отраженным сигналом был сигнал от исследуемой поверхности, относительно начала излучения определяют временные задержки τ₁ - прямого сигнала излучателя, τ₂ - сигнала, отраженного исследуемой поверхностью, и τ₃ - сигнала, отраженного стенкой бассейна, излучатель возбуждают гармоническим сигналом заданной частоты и амплитуды и регистрируют интерференционный сигнал на выходе приемника на временном интервале от начала излучения до момента прихода отражения от стенки бассейна, не изменяя положения излучателя и приемника исследуемую поверхность извлекают из бассейна, при тех же временном интервале регистрации сигнала приемника и значениях частоты и амплитуды сигнала возбуждения вновь излучают гармонический сигнал и регистрируют сигнал на выходе приемника, который принимают за опорный, из интерференционного сигнала выделяют отраженный сигнал, для чего опорный сигнал вычитают из интерференционного сигнала, получают огибающие отраженного и опорного сигналов, вычисляют отношение напряжений отраженного и опорного сигналов U_отр(τ)/U_оп(τ) как отношение огибающих отраженного и опорного сигналов для τ₂<τ<τ₃, коэффициент отражения звука от исследуемой поверхности W_отр на частоте эксперимента определяют по отношению напряжений отраженного и опорного сигналов:

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема реализации способа при измерениях в гидроакустическом бассейне (ГАБ); на фиг. 2, 3, 4, 5 - диаграммы, поясняющие работу способа.

Излучатель 2, исследуемую отражающую поверхность 1 и гидрофон 3 располагают в ГАБ, как это показано на фиг. 1, чтобы первым по времени прихода в точку приема гидрофоном отраженным сигналом был сигнал, отраженный исследуемой поверхностью. Излучатель возбуждают электрическим напряжением, изменяющемся по гармоническому закону, акустическим сигналом излучателя облучают исследуемую поверхность и гидрофон. При этом в присутствии исследуемой отражающей поверхности на гидрофон падают прямая звуковая волна излучателя 4, звуковая волна 5, отраженная исследуемой поверхностью, и звуковые волны 6, отраженные посторонними поверхностями, условно показанные на фиг. 1 отражением от стенок ГАБ. В отсутствие исследуемой отражающей поверхности на гидрофон падают прямая звуковая волна излучателя и звуковые волны, отраженные стенками ГАБ. Мгновенные значения интерференционного сигнала на выходе гидрофона (в присутствии отражений от исследуемой поверхности) и опорного сигнала (в отсутствии исследуемой поверхности) регистрируют в памяти ЭВМ, которая выполняет математическую обработку сигналов.

Обработка сигналов включает в себя следующие операции. Относительно начала излучения определяют временные задержки прихода на гидрофон прямого сигнала излучателя τ₁, сигнала, отраженного исследуемой поверхностью, τ₂, сигнала, Отраженного стенкой бассейна, τ₃. Вычитанием опорного сигнала из интерференционного сигнала выделяют отраженный сигнал. Огибающие опорного и отраженного сигналов получают, применяя, например, к опорному и отраженному сигналам преобразование Гильберта. Вычисляют отношение напряжений отраженного и опорного сигналов U_отр(τ)/U_оп(T) как отношение значений огибающих отраженного и опорного сигналов для τ₂<τ<τ₃. Коэффициент отражения звука от исследуемой поверхности на частоте эксперимента W_отр рассчитывают по формуле:

Изложенное выше проиллюстрировано результатами физического эксперимента, представленными на фиг. 2-5. В эксперименте применяли гидрофон с круговой характеристикой направленности. В качестве исследуемой поверхности использовали поверхность воды в бассейне - границу раздела сред вода-воздух, коэффициент отражения от которой известен и равен единице [2]. Для того чтобы зарегистрировать опорный сигнал, пару излучатель-гидрофон расположили на оси симметрии бассейна (показана на фиг. 1 пунктирной вертикальной прямой) на таком удалении от поверхности воды, чтобы первым по времени прихода на гидрофон отраженным сигналом был сигнал, отраженный стенками бассейна.

На фиг. 2 представлены осциллограмма и огибающая опорного сигнала, временные задержки прямого сигнала излучателя τ₁ и отражения от стенки бассейна τ₃.

Для регистрации интерференционного сигнала, не изменяя расстояния между излучателем и гидрофоном, пару излучатель-гидрофон установили на оси симметрии бассейна так, чтобы первым по времени прихода на гидрофон отраженным сигналом был сигнал, отраженный поверхностью воды. На фиг. 3 представлены осциллограмма и огибающая интерференционного сигнала, временные задержки прямого сигнала излучателя τ₁, отражения от поверхности воды τ₂ и стенок бассейна τ₃.

Временные задержки отражения от исследуемой поверхности τ₂ и стенки бассейна τ₃, осциллограмма отраженного сигнала, полученного вычитанием опорного сигнала из интерференционного сигнала, и огибающая отраженного сигнала представлены на фиг. 4.

Отношение огибающих отраженного и опорного сигналов рассчитывали с учетом разницы временных задержек τ₁ и τ₂. Зависимость, представляющая отношение огибающих отраженного и опорного сигналов, изображена на фиг. 5.

Значение U_отр(τ)/U_оп(τ)=0,18 получили на установившемся участке зависимости, предшествующем приходу отражения от стенки бассейна. При соотношении временных задержек τ₂/τ₁=5,4 в эксперименте значение коэффициента отражения, рассчитанного по формуле (1), составило 0,97. Отличие полученного значения коэффициента отражения звука от границы раздела сред вода-воздух от табличного значения в [2] не превосходит погрешности измерения характеристики направленности гидрофона, использованного в эксперименте.

Литература

1. Боббер Р. Дж. Гидроакустические измерения / Пер. с англ. под ред. А.Н. Голенкова. - М.: Мир. - 1974.

2. Румынская И.А. Основы гидроакустики. «Судостроение», Л.: 1979.

Claims

Способ измерения коэффициента отражения звука от поверхности, заключающийся в облучении исследуемой поверхности акустическим сигналом излучателя, регистрации приемником интерференционного акустического сигнала, представляющего собой сумму сигнала излучателя и отраженного сигнала, изменении частоты облучающего сигнала, определении коэффициента отражения по отношению максимума к минимуму интерференционного сигнала, отличающийся тем, что излучатель, исследуемую поверхность и приемник располагают в гидроакустическом бассейне так, чтобы первым по времени прихода на приемник отраженным сигналом был сигнал от исследуемой поверхности, относительно начала излучения определяют временные задержки τ₁ - прямого сигнала излучателя, τ₂ - сигнала, отраженного исследуемой поверхностью, и τ₃ - сигнала, отраженного стенкой бассейна, излучатель возбуждают гармоническим сигналом заданной частоты и амплитуды и регистрируют интерференционный сигнал на выходе приемника на временном интервале от начала излучения до момента прихода отражения от стенки бассейна, не изменяя положения излучателя и приемника, исследуемую поверхность извлекают из бассейна, при тех же временном интервале регистрации сигнала приемника и значениях частоты и амплитуды сигнала возбуждения вновь излучают гармонический сигнал и регистрируют сигнал на выходе приемника, который принимают за опорный, из интерференционного сигнала выделяют отраженный сигнал, для чего опорный сигнал вычитают из интерференционного сигнала, получают огибающие отраженного и опорного сигналов, вычисляют отношение напряжений отраженного и опорного сигналов U_omp(τ)/U_on(τ) как отношение огибающих отраженного и опорного сигналов для τ₂<τ<τ₃, коэффициент отражения звука от исследуемой поверхности W_omp на частоте эксперимента определяют по отношению напряжений отраженного и опорного сигналов:
.