СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
METHOD OF DETERMINING ACOUSTIC FREQUENCY CHARACTERISTICS OF SOUND-ABSORBING STRUCTURES

Изобретение относится к измерительной технике и рекомендуется к использованию при помехоустойчивом определении частотных характеристик образцов материалов или звукопоглощающих конструкций в помещениях ограниченных волновых размеров. Например, частотной зависимости коэффициента отражения, оцениваемого в условиях маскирующих действий сигналов помехи. Помехоустойчивость измерений частотных характеристик обеспечивается путем выделения полезного сигнала из смеси с сигналами помехи, сформированного в результате отражения зондирующего сигнала от образца материала или звукопоглощающей конструкции (далее - образец материала).
Например, при измерениях акустических характеристик материалов в гидроакустических бассейнах, когда помеха обусловлена многочисленными отражениями зондирующего сигнала от образца материала, стенок бассейна и конструктивных элементов.
В открытых водоемах сигналами помехи являются отражения от поверхностей раздела сред: границы «вода - воздух», «вода - дно», а также сигналы техногенного происхождения. Таким образом, принимаемый сигнал формируется в результате сложения сигнала, отраженного от образца материала, и сигналов помехи, обусловленной отражениями от структурных и геометрических неоднородностей помещения с ограниченными волновыми размерами (гидроакустического бассейна). Погрешность оценки акустических характеристик излучаемого или отраженного сигнала определяется степенью подавления сигналов помехи.
Известен способ выделения акустического сигнала из суммарного сигнала (А.П. Евтютов, А.Е. Колесников, А.П. Ляликов и др. Справочник по гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1982, с. 212). Сущность способа заключается в применении звукопоглощающих устройств (покрытий, конструкций) на внутренних поверхностях бассейна. Недостатком способа, основанного на использовании звукопоглощающих материалов (перфорированной резины) или клиновых конструкций, является их недостаточная эффективность в низкочастотном диапазоне. Это обусловлено тем, что толщины звукопоглощающих устройств возрастают с понижением рабочих диапазонов частот. Толщина покрытия может превышать размеры гидроакустического бассейна, и оценка отражающих свойств материалов в низкочастотном диапазоне становится невозможной.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ выделения полезного сигнала из смеси с сигналом помехи, основанный на импульсном зондировании образца материала в условиях гидроакустических бассейнов или открытых водоемов (А.Е. Колесников. Акустические измерения. - Л.: Судостроение, 1983, с. 235-237) - прототип.
Сущность способа-прототипа сводится к следующим основным операциям:
1) формирование и излучение зондирующего сигнала;
2) синхронный прием с излучаемым сигналом смеси полезного сигнала и помехи - суммарного принимаемого сигнала;
3) выделение сигнала, отраженного от образца материала, из смеси с помехой путем временной селекции;
4) расчет акустической частотной характеристики образца материала по результатам измерений на различных частотах.
В рассматриваемом способе осуществляется стробирование полезного импульсного сигнала, что позволяет выделять его из смеси с помехой. Временной интервал, в пределах которого формируется отраженный сигнал, определяется известными расстояниями между излучателем, приемником и образцом материала.
Недостаток способа-прототипа заключается в невозможности использования импульсного метода выделения полезного сигнала из смеси с помехой в низкочастотном диапазоне.
Действительно, для формирования импульсного сигнала необходимо обеспечивать несколько периодов несущего колебания. При этом время пробега импульса в водной среде может достигать несколько десятков метров, что значительно превосходит размеры существующих гидроакустических бассейнов и, следовательно, параметры отраженного сигнала будут искаженными вследствие влияния зондирующего импульса. В этом случае зондирующий сигнал необходимо рассматривать как непрерывный и выделение полезного сигнала, отраженного от образца материала, также невозможно.
Задачей предлагаемого изобретения является выделение полезного сигнала из непрерывного суммарного акустического сигнала. Это достигается следующим образом. Способ определения акустических частотных характеристик звукопоглощающих конструкций в помещениях ограниченных волновых размеров включает формирование и излучение широкополосного зондирующего сигнала, прием отраженных сигналов, выделение сигнала, отраженного от звукопоглощающей конструкции, и регистрацию его уровня. Дополнительно осуществляют сжатие принимаемого сигнала во времени при помощи дисперсионной задержки и после выделения сформированного импульсного сигнала, отраженного от звукопоглощающей конструкции, восстанавливают непрерывную форму выделяемого отраженного сигнала путем обратной дисперсионной задержки, после чего рассчитывают акустические частотные характеристики звукопоглощающей конструкции.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами (фиг. 1÷7).
Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг. 1), содержит генератор сигнала 1, соединенный с излучателем 2, расположенным в гидроакустическом бассейне 3, в котором установлены образец материала 4 и приемник 5. Выход приемника подключен к сигнальному входу блока дисперсионной задержки 6, соединенного через блок селекции 7 с блоком восстановления сигнала 8. Выход генератора подключен также к входу вычислительного устройства 9 и управляющим входам блока дисперсионной задержки и блока восстановления сигнала, выход которого через вычислительное устройство соединен с входом регистратора 10, являющимся выходом устройства в целом.
С использованием описанного устройства предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Генератор вырабатывает широкополосный зондирующий сигнал (линейный частотно-модулированный), который поступает на вход излучателя и на управляющий вход (УВ) блока дисперсионной задержки. На сигнальный вход (СВ) блока дисперсионной задержки поступает суммарный сигнал, принятый приемником, обусловленный отражением зондирующего сигнала от образца материала, расположенного в гидроакустическом бассейне, и влиянием излучаемого сигнала. В блоке дисперсионной задержки сигнала осуществляют вычитание фазовых спектров принятого и зондирующего сигналов. После обратного преобразования Фурье в результате коррекции фазового спектра суммарный акустический сигнал сжимается во времени, что обеспечивает возможность разделения зондирующего сигнала и сигнала, отраженного от образца материала, путем стробирования. После выделения в блоке селекции полезного акустического сигнала, отраженного от образца материала, осуществляют реконструкцию исходного временного масштаба в блоке восстановления сигнала путем обратной дисперсионной задержки. Этот сигнал получен сложением фазового спектра, выделенного в результате временной селекции сигнала, и фазового спектра зондирующего сигнала. Далее выделяют результирующий акустический сигнал, отраженный от образца материала.
При формировании сложного зондирующего сигнала с линейной частотной модуляцией для расчета акустических частотных характеристик материалов в вычислительном устройстве применяют спектральный анализ результирующего и зондирующего сигналов. Для шумоподобных сигналов или сигналов с гиперболическим законом модуляции анализируют зависимость амплитудной огибающей результирующего сигнала от частотной огибающей.
При описании устройства опущены процедуры ограничения по частоте принимаемых сигналов и ввода постоянной задержки, необходимых для завершения формирования управляющих сигналов.
Работоспособность предлагаемого способа подтверждалась результатами компьютерного моделирования работы устройства, реализующего способ, и лабораторного эксперимента.
На фиг. 2÷7 представлены графики, поясняющие результаты эксперимента. В эксперименте формировался и излучался сложный сигнал U[B] с частотной модуляцией несущих колебаний по линейному закону (фиг. 2), представленный как функция дистанции пробега L=t*v[м] (произведение длительности сигнала 1 [с] и скорости распространения акустической волны в воздухе v [м/с]). Принимаемый суммарный акустический сигнал, обусловленный совокупностью сигналов, отраженных от образца материала, и неконтролируемого числа рассредоточенных в пространстве ложных отражателей представлен на фиг. 3. Из графика следует, что сложение перекрывающихся во времени полезного и зондирующего сигналов приводит к существенным искажениям амплитуды принимаемого сигнала, которые не позволяют с достаточной точностью оценивать частотную характеристику образца исследуемого материала.
При обработке сигналов по предлагаемому способу фазовый спектр излучаемого сигнала используется в качестве управляющего сигнала для коррекции фазы суммарного сигнала путем вычитания в блоке дисперсионной задержки. В результате коррекции отдельные составляющие суммарного сигнала выравниваются по фазе, что приводит к сжатию составляющих результирующего сигнала и возрастанию их амплитуды. На фиг. 4 представлена сигналограмма принимаемого сигнала как функция дистанции после операции временного сжатия. Выделение полезного акустического сигнала путем селекции в окрестности 1 м осуществляют на интервале, более узком, чем длительность принятого сигнала (фиг. 5). Восстановление полезного сигнала, отраженного от образца материала, осуществляется в результате суммирования с фазовым спектром сложного зондирующего сигнала и последующего обратного преобразования Фурье. Восстановленный полезный сигнал приведен на фиг. 6. В результате измерения спектров сигналов (излученного и принятого) вычисляют частотные характеристики образца материала K(f) (К [дБ], f [Гц]) с повышенной помехоустойчивостью измерений. Результаты сравнения частотных характеристик образца материала, полученные без применения предлагаемого способа 11 и с его применением 12, показаны на фиг. 7.
Таким образом, коррекция фазового спектра принимаемого сигнала обеспечивает выделение акустического сигнала из сложной смеси с перекрывающимися сигналами на интервалах меньших, чем длительность сигнала излучателя. Это позволяет использовать процедуру коррекции фазовых спектров акустических сигналов, например, при исследовании отражательной способности образцов материалов в гидроакустических бассейнах.
Наибольшая эффективность применения предлагаемого способа имеет место при оценке коэффициентов отражения образцов материалов в широком диапазоне частот, так как его реализация не требует многократного повторения измерений на различных несущих частотах импульсного зондирующего сигнала. Преимуществом способа является возможность его применения для подавления некогерентных помех техногенного происхождения.