声波在有限区域介质中传播的直达波信号声压的测量方法

专利名称：声波在有限区域介质中传播的直达波信号声压的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种声场信号与信息处理技术，特别涉及一种无需考虑边界反射影 响的声波在有限区域介质中传播的直达波信号声压的测量方法。
背景技术：
1.声波在有限区域介质中的传播
声波从一介质传播到另一介质时，由于在不同介质中的声速与密度的不同，声波 会在介质的分界面上产生反射和折射。在介质内一定距离的有限区域中，声波由一 点传播至另一点，定义第一点为发射点，第二点为接收点。由发射点发出的声波直 接到达接收点的称之为直达波。声波到达介质分界面的波称之为入射波，被介质分 界面反射回来的称之为反射波，透射到另一介质内部的称之为折射波，又叫透射波。
由声传播理论可知，介质的特性阻抗对波的反射影响很大，两介质的波阻抗值相 差愈大，其反射系数也愈大，反射波很强，反射能量很大；反之，两介质波阻抗值 愈接近，反射系数愈小，反射波很弱，入射声能大部分透入第二介质中。
通俗地说，就是声波由声学性质为"软"的介质入射到"硬"的介质或由声学性 质为"硬"的介质入射到"软"的介质时，在两介质的分界面上几乎发生全反射。
比如，空气对于水来说如同自由边界，声波由水中透过分界面进入空气中的能量 是微乎其微的。
假设有某介质的有限区域为矩形六面体，且该介质与相接触的另一介质的特性 阻抗相差很大，如图l所示
设A为发射点，B为接收点，它们处于介质中某位置。在不考虑介质六个界面的 二次反射时，接收点B可以在发射点A发出声信号以后接收来自7个不同声程的声 信号。
它们分别是①直达声，声程为d;②介质表面反射声，来自6个面的反射声的
声程为4~《，它们分别表示自上下表面，前后左右壁面的反射波声程。
对于有限六面体区域中，音频范围内声波在介质中的混响时间比较长。也就是说， 在第一个脉冲声信号结束后，介质中将存在着各个面的一次反射或多次反射声信号，它们的存在将与后一个脉冲叠加在一起。先前发射的声信号的混响将干扰下一个脉 冲声信号的直达脉冲的读取。在这种情况下虽然可以降低脉冲的重复频率，使所有 的反射信号在声脉冲的间隔时间内贡献足够小，但这里存在一个信号分离的频率下 限和受到信号处理系统中脉冲记录设备的限制。另外的办法是增大介质的六面体尺 寸，以距离衰减来消除混响的影响或使介质内局部消声，减弱介质内界面的反射。 所谓局部消声，就是在介质界面的局部位置铺设消声器消除或减弱界面的反射声信 号，使混响信号迅速消失。这样，脉冲的重复频率可以提高，能使脉冲声信号的采 集和处理设备保持平稳。所谓全消声，是指在介质的所有边界界面上全部铺设消声 器，使得介质的各个界面对入射声没有反射。无疑，这相当于介质边界的无限延伸， 在这种具有无限边界的介质中可以获得理想的自由声场。
但在实际中，完全理想化的消声器是不存在的，或者说铺设有消声器的介质不可 能做到完全消声。因为现在的消声器不能吸收全部入射声能，大多数消声器只是部 分的有效，特别是在低频段上，对单次反射只能部分衰减而不能完全消除，所以即 使边界都铺设消声器的介质空间也不能完全模拟无限远边界的声场条件。实际应用 的全消声介质中的连续波声场也是有起伏的，特别是在边界附近，低频比高频的驻 波比更大。
2.测量中干扰的识别和排除方法
在实际的信号处理中，干扰主要来自两个途径其一是声或振动的干扰，其二 是电或电磁的干扰。
这两方面的主要干扰源又可分成以下四类
(1) 周围环境的机、电无规噪声
包括来自附近一些机电设备的无规噪声、振动和干扰；来自船舶、车辆等交通 运输设备的噪声和振动；来自介质中生物的噪声和介质流动的噪声等。这些噪声的 特点是，在时间上是无规的，在频率、幅度和相位上也是无规的。由于这类干扰噪 声和被测信号不会发生干涉，因此容易识别。甚至在未发射测量信号之前，就可在 接收系统观察到它的存在与否。
(2) 有规的声、电信号源
主要是电源基波及其谐波信号，这类干扰信号一般通过静电场和电磁场对测量信 号产生干扰。具体来说，电网运行不平衡，测量仪器太靠近稳压电源等电源设备， 电缆和导线屏蔽不良，测量系统接地不正确或接收传感器使用不当等，都可能产生 这类干扰。这种干扰在测量中最为常见，严重时比信号还大，可使测量无法正常进 行。介质中其他声学试验发出的声信号和介质中固定设备运行产生的周期性声信号，
也可能成为有规的干扰信号。进行高频测量时，可能还会受到附近无线电台发出的电磁波的干扰。这些千扰信号的共同特点是具有一定的频率，因此识别比较容易， 有时通过示波器显示波形就可一目了然。
(3) 与信号同频率的声、电干扰
这类千扰主要包括电干扰信号和声干扰信号两种。电千扰信号来自测量信号的发 射系统，与被测信号具有相同频率。此种千扰主要是由于接收系统或发射系统接地 不正确所引起的，也可能是由于接收系统(尤其是前置放大器的输入端)对发射系 统中功率放大器的电磁场屏蔽不良所引起的。这种由发射系统串入接收系统的电干
扰有时简称"串漏"。同频率声干扰主要是测量介质边界和介质中障碍物的反射声， 有时还可能是接收和发射传感器之间的反射声。
对此类同频率的干扰信号，分离比较困难，由于与信号频率相同，用通常的滤波 或频率分析方法也无法消除，因此对测量影响比较大，必须认真对待。通常，识别 并消除此类干扰的最有效方法是采用脉冲测量技术。用脉冲信号测量时，可用示波 器显示接收传感器的开路电压信号，根据显示波形的时间序列可将有用的直达声脉 冲与电串漏干扰脉冲和反射干扰声脉冲区分开来。但当必须用正弦连续信号或长脉 冲信号测量时，将不可能从时间上直观的识别出干扰信号。这时可以根据同频率信 号相干涉的原理，通过扫频测量来识别千扰。
(4) 介质中包含有其它介质发生谐振的干扰
典型的如水中包含有气泡发生谐振的干扰。这里所指的气泡除了水中自由漂流或 粘附在水表面的球形气泡外，还包括洞穴、裂缝、沟槽、机械零部件等处的少量气 体。这些气泡在声场中受到声压的作用，当声压的频率达到它的谐振频率时，气泡 就强烈震荡起来，气泡的振荡又在相当大的范围内影响到测量声场。气泡的谐振频 率反比于气泡半径。气泡的二次辐射对水中声压的影响主要是在其谐振频率附近。 因此，测量频率远离气泡谐振频率时就不会受到它的影响。但在较宽频率范围内测 量传感器的频率响应是，有可能会受到它的影响。
测量中有效排除干扰的方法
如前所述，测量中可能遇到的干扰是多种多样的，对不同类型的干扰应该用不同 的办法排除。但在实际情况下，并不是所有的干扰都能够排除。例如，有时会遇到 两个以上不同类型的干扰，这时需要通过分析，选择一种折中的排除方案；有时不 得不考虑创造更好的测量条件和建立另外的测量方法，以求从根本上解决某些干扰 问题。
在测量中通常使用的有效排除相应干扰的的方法有如下几种
(1)正确选用测量传感器、正确构造测量系统和正确处理测量连接线这是减小或排除电源频率及其谐波干扰和电串漏干扰的有效方法。通常应选择 灵敏度高、阻抗低、绝缘电阻高、电缆不太长的传感器。传感器电缆应良好屏蔽， 其负极不要直接接地。接收系统和输入连线应有良好屏蔽。如电源和发射系统的功 率放大器有较强的电磁辐射，接收系统和连接线应远离它们。系统应有良好的接地， 并避免多点接地。
(2) 选用合适的滤波器
接收系统选用合适类型的滤波器可有效隔离电源频率干扰和周围无规噪声的干 扰以及有规振动声源的干扰。
(3) 采用脉冲声测量技术
这是排除电串漏干扰、反射声干扰和换能器之间反射千扰的最有效的方法。
(4) 消除气泡
消除气泡的方法和措施包括在传感器放入介质之前用洗涤剂彻底清洗它的表 面；在放入介质后让传感器浸泡一定时间，使其各部分的温度达到平衡；合理设计 传感器结构和吊装夹具，使它们能容易排出空气；严格控制介质纯净度、介质中的 生物和有机物，使其不产生气泡。
(5) 铺设消声构件
在测量介质的四壁和上下表面铺设消声构件，可在一定频率范围内减小或排除界 面的反射声千扰。
(6) 采用指向性的传感器
无论是在何种形式的介质中测量，采用指向性传感器作为测量声源或接收传感器 都是常用的和比较有效的减少或排除界面反射声干扰的方法。
(7) 正确布置传感器
根据介质区域的几何形状和测量内容正确布置传感器可使反射声的影响减至最
综合以上1和2两点，描述了当前在介质中有限区域声场内所已知的各种干扰 和排除方法。对于同频率声干扰的问题，目前识别并消除此类干扰的最有效方法是 采用脉冲测量技术。此种技术要求根据显示波形的时间序列可将有用的直达声脉冲 与电串漏干扰脉冲和反射干扰声脉冲区分开来，这就需要有合适时间长度的脉冲信
号。而由于声速一定的情况下，对于不同频率的声波，波长是不同的。根据u-;i/， 频率越低的声波波长越长，所需要的脉冲信号在时间上也就越长，所以要求声波传播的距离越长。因此，要想区分直达声脉冲和反射干扰声脉冲对介质的有限区域的 尺度要求要很大。比如，有限区域介质是水，水中声速为1500米/秒，对于频率lkHz 的声波，波长为1.5米。要得到传感器发出稳定的脉冲波，至少需要5、 6个波长， 为了区分直达波和反射波，就需要几十米的距离。随着频率的降低，所需要有限区 域的尺度会成比例的越来越大。然而，对于实际中所能提供的能够满足上述要求的 介质的有限区域不可能无限制的扩大，从技术上和经济上是很难实现的。所以，通 过使用脉冲测量技术消除同频率声干扰，随着频率的不断降低，它的可行性和有效 性将逐渐降低到最终失效。

发明内容
为了解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种无需考虑 边界反射影响的声波在有限区域介质中传播的测量方法，具体地说，提供一种声波 在有限区域介质中传播的直达波信号声压的测量方法。该方法可在声波的低频率段 实现混响声场中完全将直达波与反射波分离，以便于在此基础上的信号处理。
本发明的声波在有限区域介质中传播的直达波信号声压的测量方法，所述有限
区域呈多面体形状，该方法包括如下步骤
1)首先，在介质的有限区域中布放发射点和接收点，并固定两点之间的距离， 当发射点产生出一定脉宽的连续脉冲波，接收点在介质有限区域形成稳定的声场后， 开始采集由发射点发出的信号，接收点的平均声压尸为
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其中，p。为直达波，c/为直达声程，《为各反射声程，《为各反射面的声反射系
数，《是通过第i个反射面到达接收点的第s个反射波的声程，《表示经第i反射 面反射的第s个反射波所经历的各次反射时各反射面的反射系数乘积；
2) 然后，在介质的有限区域内重新布放发射点和接收点，仍然保持发射点和接 收点相对距离不变，重复上一步的操作，如此反复M次，接收点采集到M个信号波；
3) 最后，将接收点采集到的M个信号进行同步，然后将M个位置的接收点接收 平均声压叠加，可以得到
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其中，A,是AB改变的第Z个位置后通过第i个反射面到达接收点B的第s个反射波的声程；
当M足够大时，所有反射波叠加的贡献将趋于O，因此，将叠加后的信号进行平 均得到信号波即为所需要的直达波信号p。，
另外，所述有限区域为任意形状的多面体，其边界可为反射边界或者吸声边界 等任意特性边界。
另外，所述重新布放发射点和接收点的次数M依赖于所需要达到的检测精度与信 噪比，同时布放的随机性越强对消除反射波影响的处理越有利，若M取足够大，本 方法总是有效的，优选大于20次。
另外，所述发射点和接收点之间的距离为发射点和接收点正常工作以及信号良 好发射和接收所需的距离，所述采集信号开始时间的延时小于等于信号由发射点到 达接收点的时间，所述采集信号的时间大于等于采集到完整的直达波和足够混响的 反射干扰波所需时间。
根据本发明，无需考虑边界反射影响，该方法可在声波的低频率段实现混响声 场中完全将直达波与反射波分离，以便于在此基础上的信号处理。利用本发明的方 法，即使在介质中的有限区域内存在着同频反射的声干扰，也可以比较容易地将直 达波提取出来。


图1是声波在有限区域介质中的传播边界反射的示意图。
具体实施例方式
下面，参照附图对本发明的声波在有限区域介质中传播的直达波信号声压的测量 方法进行详细说明。
图1是声波在六面体介质中的传播边界反射的示意图。如图1所示，首先，在介 质的有限区域中布放发射点A和接收点B，固定AB之间的距离，且保证距离不影响 A和B的正常工作以及信号的良好发射和接收。接着，发射点A产生出一定脉宽的连 续脉冲波，接收点B在介质有限区域形成稳定的声场后，开始采集由A发出的声压 信号，采集信号的开始时间的延时不得大于信号由A到B的时间，这样才能保证B 点采集到的信号中包含完整的直达波。采集信号的时间要保证采集到完整的直达波和足够混响的反射干扰波。
对于第一次反射，如果AB的连线平行于顶面、底面、前面和后面，由于反射角 和入射角相等，图1中介质分界面的法平面必为AB连线的垂直平分面，如图1中虚
线平面。入射波与反射波的交点必在此法平面与顶面、底面、前面、后面四个面的
交线上。而左右面为垂直入射，入射波与反射波在AB连线的延长线上。如果AB的 连线不平行于任何一个面，根据入射角等于反射角，那么总能找到一个垂直于六面 体各个面的法平面，并且入射波和反射波关于此法平面对称。也就是说，发射点A 与接收点B在六面体的各个面上反射时总有一次反射的声波被B所接收到。
如果考虑多次反射的影响，由于发射点A和接收点B在六面体介质内的位置可 任意布放，所以声波传播过程中到达各个面的位置也不同，声波每反射一次产生的 反射波就相当于一个新的声源，成为下一个反射波的入射波。声波在介质的有限区 域内如此往复反射，在不改变发射点A和接收点B在介质内的相对位置的情况下， 便形成了此区域内稳定的混响声场。当此介质中的有限区域形成稳定混响声场时， 根据叠加原理，其中的任意一点叠加后的的声压、质点的振速的大小和方向等物理 量应该是确定的。
假设只考虑一次反射，那么接收点B点声压为
6
式中
P。——直达波，；>。=^f,"'-w)，其中&为A点发射源等效到1米处的声波声
压幅值
A——经不同反射界面反射到B点的反射波，=^^^^
《
经过化简，可得到B点的瞬时声压为-
巧
1 I f "《
台"，
d——直达声程，《——各反射声程，《——各反射面的声反射系数 由于有限区域的介质和它以外的介质的阻抗相差很大，一般情况反射系数i ,可看
10作常量，考虑最不利的情况，假设《很大，即能使得入射波的能量大部分被反射' 于是B点的平均声压可表示为
1 I f "《c贞"')
式中忽略时间因子e,， i ,——各反射面的声反射系数，可为复数
当发生二次或二次以上反射时， 一次反射的信号通过B点后，可能经过多次反射 后重新到达B点，也可能不会回到B点，但是一次反射的信号没有通过B点的，经 过二次以上的反射到达B点。无论怎样，在满足反射定律的情况下，第i个反射面
(i=l， 2， 3， 4， 5， 6)可以看作总有A^个像发射点A—样的各种随机的不规则的 声源，发出声波通过B点发生叠加。
因此，在介质有限区域内存在多次反射形成的稳定声场时B点的平均声压为
其中，《是通过第i个反射面到达接收点B的第s个反射波的声程，《表示经
第i反射面反射的第s个反射波所经历的各次反射时各反射面的反射系数乘积。
然后，在介质的有限区域内重新布放发射点A和接收点B，仍然保持A和B相对 距离不变，重复上一步的操作。如此反复M (如M=20)次，接收点B采集到20个 信号波。
将接收点B采集到的20个信号进行同步，然后叠加，将叠加后的波形进行平均 得到的信号波就是所需要的直达波信号。
如果无规则的任意改变发射点A和接收点B在有限区域中的位置，保持A与B之 间的距离d不变，变换AB在有限区域内20个位置，每个位置形成稳定声场B点接 收的平均声压表达式与上式相同。
将20个位置的B点接收平均声压叠加，可以得到
20 20 6 力p
Sa"。 2o+i; i;》
,萍-〈)
+
20 6 W,
《
""《"■
其中，《,是AB改变的第《个位置后通过第i个反射面到达接收点B的第s个反射波的声程。
由于上式中的第三项中的2l;^v""^"本身就是由很多无规相位的反射波叠 加而成的，所以根据叠加原理，第三项值趋近于o。第二项中的i;,贞"—^本身不
i=、《
具有无规性，但是由于无规则的任意改变了 AB在有限区域内的相对位置，造成 f ^贞^/")具有了无规性，因此使得第二项叠加的结果趋近于0。
tr《
最后，得到20个位置的叠加结果为
20 1 20
20; 0 o p0 =;》,
/-1 么u /=
说明上述理论不局限于六个反射面的规则介质区域，任意形状的多面体介质区 域均适用，包括任意形状的多面体介质区域的边界为发射边界或者吸声边界等任意 特性边界的情况。
综上所述，在介质中的有限区域内，虽然存在着同频反射的声干扰，但通过本发 明的方法可以比较容易的将直达波提取出来。
1权利要求
1、一种声波在有限区域介质中传播的直达波信号声压的测量方法，所述有限区域呈多面体形状，该方法包括如下步骤1)首先，在介质的有限区域中布放发射点和接收点，并固定两点之间的距离，当发射点产生出一定脉宽的连续脉冲波，接收点在介质有限区域形成稳定的声场后，开始采集由发射点发出的声压信号；2)然后，在介质的有限区域内重新布放发射点和接收点，并保持发射点和接收点相对距离不变，重复上一步的操作，如此反复M次，接收点采集到M个信号波的声压；3)最后，将接收点采集到的M个信号进行同步处理，然后再叠加，将叠加后的波形进行平均得到所需要测量的直达波信号声压。
2、 根据权利要求1所述的声波在有限区域介质中传播的直达波信号声压的测量 方法，其特征在于，该方法具体包括-1)首先，在介质的有限区域中布放发射点和接收点，并固定两点之间的距离， 当发射点产生出一定脉宽的连续脉冲波，接收点在介质有限区域形成稳定的声场后， 开始釆集由发射点发出的信号，所述接收点的平均声压尸为<formula>formula see original document page 2</formula>式中，p。为直达波，i=l、 2、 3……n， n为有限区域反射面总数，c/为直达声程， 《为各反射声程，i ,为各反射面的声反射系数，《是通过第i个反射面到达接收点 的第s个反射波的声程，《表示经第i反射面反射的第s个反射波所经历的各次反 射时各反射面的反射系数乘积；2) 然后，在介质的有限区域内重新布放发射点和接收点，并保持发射点和接收 点相对距离不变，重复上一步的操作，如此反复M次，接收点采集到M个信号波；3) 最后，将接收点采集到的M个信号进行同步处理，然后将M个位置的所述接 收点接收平均声压叠加，可以得到<formula>formula see original document page 2</formula>式中，是AB改变的第Z个位置后通过第i个反射面到达接收点B的第s个反 射波的声程；接着，将叠加后的波形进行平均得到信号波即为所需要测量的直达波信号声压<formula>formula see original document page 3</formula>
3、 根据权利要求1或2所述的声波在有限区域介质中传播的直达波信号声压的 测量方法，其特征在于，所述重新布放发射点和接收点的次数M为满足检测信噪比 及随时改变布放位置的无规性所确定的参数，通常大于20次。
4、 根据权利要求1至3中任意一项所述的声波在有限区域介质中传播的直达波 信号声压的测量方法，其特征在于，所述有限区域为任意形状的多面体，其边界是 包括反射边界或吸声边界的任意特性边界。
5、 根据权利要求1至3中任意一项所述的声波在有限区域介质中传播的直达波 信号声压的测量方法，其特征在于，所述有限区域为矩形六面体。
6、 根据权利要求1所述的声波在有限区域介质中传播的直达波信号声压的测量 方法，其特征在于，所述发射点和接收点之间的距离为发射点和接收点正常工作以 及信号良好发射和接收所需的距离。
7、 根据权利要求1所述的声波在有限区域介质中传播的直达波信号声压的测量 方法，其特征在于，所述采集信号开始时间的延时小于等于信号由发射点到达接收 点的时间。
8、 根据权利要求1所述的声波在有限区域介质中传播的直达波信号声压的测量 方法，其特征在于，所述采集信号的时间大于等于采集到完整的直达波和足够混响 的反射干扰波所需时间。
全文摘要
本发明提供一种声波在有限区域介质中传播的直达波信号声压的测量方法，包括如下步骤1)首先，在介质的有限区域中布放发射点和接收点，并固定两点之间的距离，当发射点产生出一定脉宽的连续脉冲波，接收点在介质有限区域形成稳定的声场后，开始采集由发射点发出的声压信号；2)然后，在介质的有限区域内重新布放发射点和接收点，并保持发射点和接收点相对距离不变，重复上一步的操作，如此反复M次，接收点采集到M个信号波的声压；3)最后，将接收点采集到的M个信号进行同步，然后叠加，将叠加后的波形进行平均得到所需要的直达波信号声压。利用本方法，即使在介质中的有限区域内存在着同频反射的声干扰，也可比较容易地将直达波提取出来。
文档编号G01H17/00GK101620004SQ20081011615
公开日2010年1月6日 申请日期2008年7月4日 优先权日2008年7月4日
发明者吴本玉, 政 崔, 莫喜平 申请人:中国科学院声学研究所