СПОСОБ НАПРАВЛЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ИСТОЧНИКА ЗВУКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК G01H17/00 G01H5/00 

Изобретение относится к технике акустических измерений и может быть использовано для определения звукопоглощающих свойств материалов и конструкций, в системах активного подавления и локализации источников звука, при измерении акустических характеристик источника звука в условиях акустических помех, а также для диагностики технического состояния машин и агрегатов, работа которых сопровождается генерацией звука.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ направленных измерений коэффициента отражения звука в акустических трубах с применением однонаправленных систем приема [1], заключающийся в разделении падающей и отраженной волн. Этот способ, выбранный в качестве прототипа, основан на конечно-разностном преобразовании сигналов двух близко расположенных по сравнению с длиной волны приемников звука и состоит из следующих операций (фиг. 2):
одновременное измерение звуковых давлений в двух точках акустического поля P₁(t), P₂(t);
определение полусуммы этих давлений (блок суммирования "+");
определение разности этих давлений, ее деление на расстояние между приемниками и плотность воздуха , интегрирование результата деления и умножение на параметры окружающей среды ρc (блоки вычитания "-", умножения "X" и интегрирования "∫" );
суммирование результатов второй и третьей операций для измерения параметров падающей волны и вычитание результатов второй и третьей операций для измерения отраженной волны (блок суммы, разности "+").

Однако указанный способ не всегда обеспечивает требуемую остроту диаграммы направленности и не обладает селективной избирательностью измерения акустической скорости колебания частиц и интенсивности излучения источника звука по направлению измерений.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение избирательной способности направленного измерения звукового давления и обеспечение возможности направленного измерения скорости колебания частиц и интенсивности акустического излучения источника звука.

Указанный технический результат достигается тем, что n приемников звука располагают эквидистантно на одной измерительной оси, одновременно измеряют звуковые давления в точках расположения приемников, выполняют попарные конечно-разностные преобразования сигналов соседних приемников, результаты преобразований вновь преобразуют попарно, пока не будет выполнено преобразование с номером , результат которого дает звуковое давление источника звука по направлению измерительной оси приемников звука. Акустическую скорость колебания частиц по тому же направлению определяют путем вычитания результата преобразования с номером из результата преобразования с номером , делят эту разность на расстояние между соседними приемниками и плотность воздуха , интегрируют результат деления. Активную часть акустической интенсивности в заданном направлении определяют как среднее значение произведения звукового давления и скорости колебаний частиц, а реактивную часть акустической интенсивности - как среднее значение произведения звукового давления и результата преобразования Гильберта скорости колебаний частиц.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где приняты обозначения: 1 - конечно-разностный формирователь сигнала направленного измерения звукового давления [1]; ПГ - преобразователь Гильберта; ∫ - интегрирующий блок, ρc - весовой коэффициент; - блок усреднения; X - блок перемножения; "-" - блок вычитания. На входы M₁, M₂, . . ., M_n функциональной схемы подают сигналы приемников звука, а на ее выходе снимают сигналы, пропорциональные звуковому давлению , акустической скорости колебаний частиц , активной и реактивной частям акустической интенсивности звука по направлению измерений, которые являются функциями времени. Координату x точки измерений определяют как полусумму расстояний от излучателя звука до первого и последнего приемников звука.

Спектральная обработка этих сигналов на основе Фурье преобразования 1 (блок FFT, фиг. 1) дает частотное представление результатов измерений звукового давления, скорости колебаний частиц, активной и реактивной частей акустической интенсивности по направлению измерений.

Тот же результат - можно получить выполнив сначала комплексные Фурье преобразования звуковых давлений, измеряемых приемниками звука, а затем преобразовать результаты в соответствии с выражениями.

Для давления

Для скорости колебаний частиц

где m=n-1.

Для активной части интенсивности

Для реактивной части интенсивности

В выражениях (1-4) приняты обозначения: P_i(ω) - комплексный спектр сигнала i-го микрофона цепочки; Ai=(m-1)!/{(i-1)!(m-i)!} - действительный коэффициент; ΔP_i(ω) = P_i+1(ω) - P_i(ω); Z = jkΔx - частотно зависимый коэффициент: k - волновое число; 2Δx - расстояние между соседними приемниками; ρc - постоянная окружающей среды, ρ - плотность воздуха, c - скорость звука в воздухе; реальная Re{S_pνn(ω)} и мнимая Im{S_pνn(ω)} части взаимного спектра давления - скорости, полученные для группы из n приемников. Следует отметить, что смена знаков в выражениях (1) и (2) у сомножителей в скобках, под знаком суммы, приводит к смене направления измерений, соответствующего наибольшей чувствительности приема, на противоположное.

На фиг. 3, даны диаграммы направленности предлагаемого способа измерения акустических сигналов по давлению (a), скорости колебаний частиц (b) и интенсивности (c) соответственно, которые определены для различного количества приемников звука в соответствии с выражениями:

где
- диаграмма направленности конечно-разностного метода измерения звукового давления для двух приемников; 2β₀= 2kΔxcosα - фазовый набег по полю метода измерений; n - количество приемников используемых в измерениях; h = 1/kΔx .

Как видно из выражений (5) и зависимостей фиг. 3, увеличение числа приемников приводит к резкому повышению избирательности по направлению измерений, а при количестве приемников n≥3 в отличие от известного [1] предлагаемый способ обеспечивает избирательность измерений и для скорости колебаний частиц и для интенсивности источника звука.

Для корректной реализации предлагаемого способа измерений число приемников звука n должно выбираться из условия

где λ - длина звуковой волны, излучаемой источником; 2Δx ≅ 0,1λ .

Источники информации
1. Писаревский Н. Н. Применение аналоговой интенсиметрической и корреляционной аппаратуры и фазированных двуслойных решеток для прямых измерений комплексного коэффициента отражения методом однонаправленного приема. Тезисы докладов 9-й научно-технической конференции по авиационной акустике. Издательский отдел ЦАГИ, 1989.

2. Pascal J. C. , Carles C. Systematic measurements errors whith two-microphone sound intensity meters. J. Sound and Vibr., 1982, v. 83, N 1, 53-65.

Изобретение относится к технике акустических измерений. Повышение избирательной способности измерения звукового давления и обеспечение возможности направленного измерения скорости колебаний частиц и интенсивности акустического излучения источника звука двигается тем, что n приемников звука располагают эквидистантно на одной измерительной оси, одновременно измеряют звуковые давления в точках расположения приемников и выполняют определенные операции в соответствии с вновь установленными математическими зависимостями, связывающими сигналы, измеряемые приемниками звука со звуковым давлением, скоростью колебания частиц, активной и реактивной частями акустической интенсивности излучения источника звука в направлении оси измерений, на известном расстоянии от него. Диаграммы направленности предлагаемого способа направленного измерения акустических сигналов источника звука по давлению, скорости колебаний частиц и интенсивности в зависимости от числа приемников звука представлены математическими выражениями: - диаграмма направленности известного конечно-разностного метода измерения давления для двух приемников; 2β₀= 2KΔxcosα - фазовый набег по полю метода измерений; n - количество приемников, используемых в измерениях; h = 1/KΔx - частотно-зависимый коэффициент. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ направленного измерения акустических сигналов источника звука, заключающийся в конечно-разностном преобразовании, состоящем в том, что одновременно измеряют звуковые давления приемниками звука в двух точках акустического поля, определяют полусумму давлений и их разность, делят разность на расстояние между точками измерений и плотность воздуха ρ, интегрируют результат деления, умножают на параметры окружающей среды ρc и алгебраически суммируют результат с полусуммой давлений, отличающийся тем, что вводят дополнительные приемники звука и располагают их эквидистантно на одной измерительной оси, измеряют одновременно звуковые давления в точках расположения приемников, выполняют попарные конечно-разностные преобразования сигналов соседних приемников, результаты преобразований вновь преобразуют попарно, пока не будет выполнено преобразование с номером определяют акустическую скорость колебания частиц по направлению измерений путем вычитания из результата преобразования с номером результата преобразования с номером деления этой разности на расстояние между соседними приемниками и плотностью воздуха интегрирования результата деления, определяют активную часть акустической интенсивности по направлению измерений как среднее значение произведения звукового давления и скорости колебания частиц, а реактивную часть акустической интенсивности как среднее значение произведения звукового давления и результата преобразования Гильберта скорости колебания частиц, где ρ - плотность воздуха, c - скорость звука в воздухе, n - количество приемников звука, i - текущий номер микрофона, t - текущее время, x - координата точки измерений сигналов излучателя звука, ее определяют как полусумму расстояний от излучателя звука до первого и последнего приемников звука. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выполняют преобразование Фурье. 3. Способ направленного измерения акустических сигналов источника звука, заключающийся в том, что одновременно измеряют звуковые давления приемниками звука в двух точках и определяют акустические характеристики источника по направлению измерений путем преобразования этих давлений, отличающийся тем, что вводят дополнительные приемники звука и располагают их эквидистантно на одной измерительной оси, измеряют одновременно звуковые давления в точках расположения приемников, выполняют для каждого сигнала комплексные Фурье преобразования, а затем получают комплексные спектры акустического давления, скорости колебания частиц, активной и реактивной частей интенсивности, выполняя преобразования в соответствии со следующими выражениями:




где n - количество приемников звука, n ≤ n_max= λ/2Δx;
λ - длина звуковой волны;
комплексный спектр давления в точке измерений x;
комплексный спектр скорости колебания частиц в точке измерений x;
спектр активной части интенсивности в точке измерений x;
спектр реактивной части интенсивности в точке измерений x;
P_i(ω) - комплексный спектр звукового давления сигнала i-го приемника;
Ai = (m - 1) ! / {(i - 1) ! (m - i) !} - действительный коэффициент;
ΔP_i(ω) = P_i+1(ω) - P_i(ω);
Z = jkΔx - комплексный частотно-зависимый коэффициент;
k - волновое число;
2Δx - расстояние между соседними приемниками группы при их эквидистантном расположении на одной измерительной оси;
ρ - плотность воздуха;
c - скорость звука в воздухе;
Re{S_pνn(ω,x)}, I_m{S_pνn(ω,x)} - реальная и соответственно мнимая части комплексного взаимного спектра давления - скорости;
x - координата точки измерений, ее определяют как полусумму расстояний от источника звука до первого и последнего приемника.