СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ, ИЗЛУЧАЕМЫХ ПОДВИЖНЫМ ОБЪЕКТОМ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G10K11/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствами измерения акустических колебаний, излучаемых подвижным объектом.

Известен способ измерения спектра нестационарных акустических колебаний, излучаемых подвижным объектом [1] Способ заключается в том, что спектральные характеристики нестационарного акустического сигнала получают путем преобразования Фурье исследуемого акустического процесса с учетом его нестационарных свойств из-за движения с ускорением источника излучения, который определяет время интегрирования при преобразовании Фурье. Однако в данном способе измерения нет операций, которые могли бы учесть доплеровский сдвиг по частоте спектpальных составляющих излучаемых акустических колебаний.

Известно устройство для спектрального анализа, содержащее последовательно соединенные широкополосный усилитель, смеситель, набор узкополосных фильтров, электронный коммутатор и электронно-лучевую трубку, другой вход смесителя подключен к выходу генеpатора развертки. Данное устройство позволяет осуществлять параллельный спектральный анализ сложных широкополосных сигналов, но при этом искажения, вызванные доплеровским смещением частоты, не учитывается [2]
Наиболее близким по технической сущности является способ измерения характеристик акустических колебаний, излучаемых подвижным объектом (автомобилем) [3] заключающийся в том, что исследуемый автомобиль движется с ускорением на контрольном участке дороги длиной 20 м, по обеим сторонам которой на расстоянии 7,5 м по отношению к средней точке контрольного участка установлены микрофоны, выходы которых подключены с магнитофонам. Записи реальных акустических процессов в дальнейшем анализируются в лабораторных условиях анализаторами спектра.

Недостатком данного способа является искажение спектра акустических колебаний из-за эффекта Доплера, возникающего при движении автомобиля с ускорением относительно микрофона, что приводит к неточному определению спектральных составляющих акустических колебаний и, как следствие, к неправильной идентификации источников излучения в автомобиле.

Прототипом устройства является мультимикропроцессорная система цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени [4] которая обеспечивает возможность регистрации быстродействующих процессов (режим цифрового магнитофона) с последующей обработкой. Однако данное устройство также не позволяет корректировать искажения спектра акустических процессов доплеровским смещением частоты.

Цель изобретения устранение смещения частот в спектре акустических колебаний, излучаемых подвижным объектом.

Цель достигается тем, что при оценке спектра излучаемых подвижным объектом акустических колебаний в стационарной контрольной точке пространства на подвижном объекте устанавливают источник монохроматического акустического излучения в рабочем диапазоне частот акустических колебаний с амплитудой, значительно превышающей уровни спектральных составляющих излучаемых акустических колебаний, измеряют доплеровское смещение частоты F монохроматического акустического излучения, оценивают радиальную скорость подвижного объекта V и формируют искомую частотную шкалу для спектра излучаемых акустических колебаний подвижным объектом.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные микрофон, предусилитель, цифровой анализатор спектра, введены источник монохроматического акустического излучения, содержащий последовательно соединенные генератор монохроматического сигнала, усилитель мощности и акустический излучатель, последовательно соединенные схема выбора максимума, вход которой соединен с выходом цифрового анализатора спектра, схема вычисления доплеровского смещения частоты, второй вход которой подключен к выходу цифрового генератора монохроматического сигнала, схема оценки радиальной скорости, второй и третий входы которой подключены соответственно к выходу цифрового генератора монохроматического сигнала и к выходу схемы цифрового опорного сигнала, схема формирования частотной шкалы, второй и третий входы которой подключены соответственно к выходу схемы цифрового опорного сигнала и к выходу цифрового генератора сетки частот, блок памяти, второй вход которого подключен к выходу цифрового анализатора спектра, а выход подключен к дисплею. Кроме того, к управляющим входам схемы выбора максимума, схемы вычисления доплеровского смещения частоты, схемы оценки радиальной скорости и схемы формирования частотной шкалы подключен генератор синхросигналов.

На фиг. 1 представлена схема измерительного участка для испытания автомобиля; на фиг. 2 представлены спектрограммы, поясняющие предложенный способ; на фиг. 3 блок-схема предложенного устройства; на фиг. 4 электрическая схема выбора максимума.

Автомобиль (фиг. 1), на котором установлен источник монохроматического акустического излучения (ИМАИ), подходит к началу измерительного участка (АА), после чего начинает резко ускоряться. Спектр исследуемого акустического шума записывают на магнитофоны и исследуют на цифровом анализаторе спектра. Спектрограммы (фиг. 2) иллюстрируют, каким образом, за счет доплеровского смещения частоты изменяется спектр акустического излучения, излучаемого автомобилем.

Источник монохроматического акустического излучения установлен на автомобиле и излучает сигнал частоты f, спектр которого является дельта-функцией (фиг. 2а). На выходе анализатора спектра (АС) получают искаженный за счет доплеровского смещения сигнал. Если автомобиль движется на участке AO, то получают сигнал, частота которого f_o^l сдвинута на частоту +F_D (фиг. 2б) по отношению к f_o^l. Кроме того, за счет конечного времени наблюдения (анализа) происходит размытие спектра. Когда автомобиль движется на участке OВ, то частота f_o сместится, соответственно, на частоту -F_D (фиг. 2в). На фиг. 2 показана взаимная деформация спектра двух монохроматических сигналов, излучаемых подвижным объектом, откуда видно, что происходит не только смещение частот, но и их взаимное расположение на оси частот (изменяется расстояние по частоте Δ F между ними). На основе этого не трудно представить, что при излучении сложного акустического процесса с множеством частотных компонент будет происходить деформация спектра излучаемого процесса.

Сущность способа заключается в том, что анализируется текущий спектр нестационарных акустических колебаний, излучаемых подвижным объектом, при этом для учета доплеровского смещения частот в спектре акустических колебаний измеряется доплеровский сдвиг частоты известного монохроматического сигнала, источник которого расположен на исследуемом подвижном объекте. По измеренному значению доплеровского сдвига частоты монохроматического сигнала оценивают радиальную скорость V₂ автомобиля (на линии, соединяющей автомобиль и измерительный микрофон), и по V₂ оценивают истинные значения частот спектральных составляющих в излучаемом спектре акустических колебаний. При этом значения соответствующих амплитуд содержатся в первоначальной оценке спектра акустических колебаний, т.е. за счет деформации оси частот в спектре акустических колебаний удается реконструировать истинный спектр акустического излучения.

Устройство на фиг. 3 содержит последовательно соединенные микрофон 1, предусилитель 2, цифровой АС 3, схему 4 выбора максимума, входы которой соединены с М выходами цифрового АС 3, схему 5 измерения доплеровского смещения частоты F_D, второй вход которой подключен к выходу цифрового генератора 6 монохроматического сигнала, схему 7 оценки радиальной скорости V₂, второй и третий входы которой подключены соответственно к выходу цифрового генератора 6 монохроматического сигнала и к выходу схемы 8 цифрового опорного сигнала, схему 9 формирования частотной шкалы, второй и третий входы которой подключены соответственно к выходу схемы 8 цифрового опорного сигнала и к выходу цифрового генератора 10 сетки частот, и блока 11 памяти, второй вход которого подключен к выходу цифрового АС 3, а выход к дисплею 12. Выход генератора 13 синхроимпульса подключен к управляющим входам схемы 4 выбора максимума, схемы 5 измерения доплеровского смещения частоты, схемы 7 оценки радиальной скорости и схемы 9 формирования частотной шкалы. ИМАИ 14 содержит генератор 15 монохроматического сигнала, усилитель 16 мощности и акустический излучатель 17.

Способ осуществляется с помощью устройства на фиг. 3 следующим образом. Генератор 15 вырабатывает монохромати- ческий акустический сигнал частоты, который усиливается усилителем 16 мощности и подается на вход акустического излучателя 16. На выходе цифрового АС 3 получают суммарную оценку нестационарного акустического процесса, излучаемого движущимся с ускорением автомобилем, и монохроматического акустического излучения. Схема 4 выбора максимума измеряет уровни сигналов на М выходах многоканального цифрового АС 3, выбирает канал с максимальным уровнем, который соответствует частоте f_o±F_D монохроматического акустического сигнала и подключает его к входу схемы 5 измерения доплеровского смещения частоты, на другой вход которой цифровой генератор 6 монохроматического сигнала подает кодовую комбинацию, соответствующую значению частоты монохроматического акустического сигнала f_o источника монохроматического акустического излучения. В схеме 5 измерения доплеровского смещения частоты происходит сравнение частоты монохроматического акустического сигнала (f₁или f₂) с эталонной частотой монохроматического акустического сигнала и излучение разностной частоты F_D /f_o f₁/. С выхода схемы 5 измерения F_D кодовый сигнал, соответствующий частоте F_D, поступает на вход схемы 7 оценки V_R, на другие входы которой поступают кодовые комбинации и соответствующие f_o и C_о (где C_о скорость распространения акустической волны в свободном пространстве) с цифрового генератора 6 монохроматического сигнала и схемы 8 цифрового опорного сигнала соответственно. Схема 7 оценки V_R использует алгоритм, реализующий формулу, связывающую доплеровское смещение частоты F_D с радиальной скоростью V_R
V_R F_D ˙C_o/f_o.

После этого кодовый сигнал, соответствующий значению V_R, поступает на первый вход схемы 8 формирования частотной шкалы, на второй вход подается кодовый сигнал, соответствующий С_о, со схемы 8 цифрового опорного сигнала, а на третий вход поступают кодовые комбинации, соответствующие значениям частот настройки цифрового АС 3, с цифрового генератора 10 сетки частот. В схеме 9 формирования частотной шкалы (без доплеровских смещений спектральных составляющих) используют алгоритм, реализующий формулу, связывающую излучаемую частоту f_изл с принимаемой f_пр:
f_изл f_пр/(1 + V_R/C_o)
Выход схемы 9 формирования частотной шкалы соединен с входом блока 11 памяти, где искомой сетке частот присваивают соответствующие уровни, поступающие с выхода цифрового АС 3. На управляющие входы схемы 4 выбора максимума, схемы 5 измерения F_D, схемы 7 оценки V_R, схемы 9 формирования частотной шкалы с выхода генератора 13 синхроимпульсов периодически поступает сигнал для осуществления сброса перед началом следующих вычислений с интервалом между текущими спектрами Δ t 0,2 с.

Предлагаемое устройство было реализовано в виде макетного образца.

Генератор 15 собран по схеме, представленной в книге А.Г.Алексеенко и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем. М. Радио и связь, 1985, с. 173, Усилитель 16 мощности реализован на усилителе LV-103 "ROBOTRON". В качестве акустического излучателя 17 использовался электродинамический эталонный источник звука модели 4204 фирмы "Bruel Kjxr" (см. каталог фирмы "Bruel Kjxr", 1989-1990), микрофон 1 поляризованный конденсаторный микрофон модели 4129 фирмы "Bruel Kjxr", предусилитель 2 модели 2645 фирмы "Bruel Kjxr", цифровой анализатор спектра стандартный анализатор спектра СКЧ-73. Техническая реализация схемы 6 измерения доплеровского смещения частоты представлена в книге Плотников В.Н. Белинский А.В. и др. Цифровые анализаторы спектра. М. Радио и связь, 1990, с.14, схема 7 оценки радиальной скорости, схемы 9 формирования частотной шкалы. Цифровой генератор 6 монохроматического сигнала реализован в виде блока памяти на микросхеме КP 565 РУ IА со стандартной схемой включения.

Электрическая принципиальная схема 4 выбора максимума представлена на фиг. 4. Работа схемы осуществляется следующим образом, На вход первого регистра RG1 поступает кодовая комбинация, соответствующая первой составляющей спектра акустического сигнала. Если код, выставляемый на выходах RG1, превышает код, выставленный на выходах RG2, то по сигналу, поступающему с выхода компаратора А, коды с RG1 записываются в RG2. В следующий момент времени записывается в RG1 код, соответствующий уровню второй составляющей акустического сигнала, и т.д. Запись и сравнение осуществляются при переборе всех составляющих спектра акустического сигнала. С приходом сигнала, соответствующего последней составляющей спектра, код с выхода RG2 записывается в буферный регистр RG3. При реализации схемы 4 выбора максимума использовали микросхемы: К155, ИР13 (RG2, RG3), К531, АП4 (RG1), К561 КТ3 (А). Схема цифрового генератора 6 монохроматического сигнала реализована в виде блока памяти на микросхеме КР565 РУIА со стандартной схемой включения. Схема 8 цифрового опорного сигнала реализована на микросхеме К531 АП4. Цифровой генератор 10 сетки частот реализован в виде блока памяти на микросхеме КР565 РУIА со стандартной схемой включения. Блок 11 памяти реализован на микросхеме КР565 РУIА. Генератор 13 синхроимпульсов реализован на микросхеме К155 ЛН1 со стандартной схемой включения.

Использование: измерительная техника, в автомобилестроении. Сущность изобретения: на подвижном объекте устанавливают источник монохроматического акустического излучения в рабочем диапазоне частот с амплитудой, значительно превышающей амплитуды спектральных составляющих акустических колебаний объекта. Во время движения объекта измеряют доплеровское смещение частоты монохроматического акустического сигнала, определяют радиальную скорость движения объекта и затем формируют искомую частотную шкалу для спектра акустических колебаний, излучаемых подвижным объектом. 2 с. п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения характеристик акустических колебаний, излучаемых подвижным объектом, состоящий в оценке спектра излучаемых подвижным объектом акустических колебаний в стационарной контрольной точке пространства, отличающийся тем, что на подвижном объекте устанавливают источник монохроматического излучения в рабочем диапазоне частот акустических колебаний с амплитудой, значительно превышающей уровни спектральных составляющих излучаемых акустических колебаний, измеряют доплеровское смещение частоты монохроматического акустического излучения, оценивают радиальную скорость подвижного объекта и формируют искомую частотную шкалу для спектра акустических колебаний, излучаемых подвижным объектом. 2. Устройство для измерения характеристик акустических колебаний, содержащее последовательно соединенные микрофон, предусилитель, цифровой анализатор спектра, отличающееся тем, что в него введены источник монохроматического акустического излучения, содержащий последовательно соединенные генератор монохроматического сигнала, усилитель мощности и акустический излучатель, последовательно соединенные схема выбора максимума, вход которой соединен с выходом цифрового анализатора спектра, схема вычисления доплеровского смещения частоты, второй вход которой подключен к выходу цифрового генератора монохроматического сигнала, схема вычисления радиальной скорости, второй и третий входы которой подключены соответственно к выходу цифрового генератора монохроматического сигнала и к выходу схемы цифрового опорного сигнала, схема формирования частотной шкалы, второй и третий входы которой подключены соответственно к выходу схемы цифрового опорного сигнала и к выходу цифрового генератора сетки частот, и блок памяти, второй вход которого подключен к выходу цифрового анализатора спектра, а выход к дисплею, при этом к управляющим входам схемы выбора максимума, схемы вычисления доплеровского смещения частоты, схемы вычисления радиальной скорости и схемы формирования частотной шкалы подключен введенный генератор синхросигналов.