СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТНОЙ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ ЗВУКА ОТ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD OF MEASURING FREQUENCY DEPENDENCE OF SOUND REFLECTION COEFFICIENT FROM SURFACE

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 [Боббер Р. Дж. Гидроакустические измерения / Пер. с англ. под ред. А.Н. Голенкова. - М.: Мир. - 1974], который заключается в изменении частоты акустического сигнала, которым облучают исследуемую поверхность, регистрации интерференционного сигнала, представляющего собой сумму облучающего сигнала и сигнала, отраженного исследуемой поверхностью, определении коэффициента отражения по максимуму и 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 посторонними поверхностями.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является повышение точности измерения коэффициента отражения за счет исключения влияния посторонних отраженных сигналов, обеспечение возможности измерять подробную (непрерывную) частотную зависимость коэффициента отражения.
Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе, заключающемся в облучении исследуемой поверхности акустическим сигналом излучателя, регистрации приемником суммарного акустического сигнала, представляющего собой интерференцию сигнала излучателя и отраженного сигнала, изменении частоты облучающего сигнала, определении коэффициента отражения по максимуму и минимуму суммарного акустического сигнала, излучатель, исследуемую поверхность и приемник располагают так, чтобы первым по времени прихода в точку приема отраженным сигналом был сигнал от исследуемой поверхности, для точки приема относительно начала излучения определяют временные задержки прямого сигнала излучателя и отраженных сигналов, излучатель возбуждают линейно частотно модулированным сигналом с заданными параметрами, регистрируют мгновенные значения тока излучателя и выходного напряжения приемника, по полученным значениям тока и напряжения определяют комплексную частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-приемник в реверберационном звуковом поле, в полученной зависимости подавляют осцилляции, обусловленные отраженными сигналами, выполняя скользящее комплексное взвешенное усреднение зависимости с использованием взвешивающих функций, которые конструируют исходя из значений временных задержек отраженных сигналов, получают комплексную частотную зависимость , в которой подавлены осцилляции, начиная с осцилляции, обусловленной первым по времени прихода отраженным сигналом, и зависимость , в которой сохранена осцилляция от первого по времени прихода отражения и подавлены осцилляции от второго и более поздних отражений, частотную зависимость  корректируют на функцию пропускания пространственного фильтра, реализуемого скользящим комплексным взвешенным усреднением, частотную зависимость комплексного коэффициента отражения  получают по формуле:
,
0
1
где τ и τ - временные задержки относительно начала излучения прямого сигнала излучателя и сигнала, отраженного исследуемой поверхностью, соответственно.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема реализации способа при измерениях в гидроакустическом бассейне (ГАБ); на фиг. 2-6 - диаграммы, поясняющие работу способа.
0
пов
Излучатель И, исследуемую поверхность 1 и приемник П располагают в ГАБ так, чтобы первым по времени прихода в точку приема отраженным сигналом был сигнал, отраженный исследуемой поверхностью (см. фиг. 1). В памяти ЭВМ 2 формируют цифровой линейно частотно модулированный (ЛЧМ) сигнал с заданными параметрами. С помощью цифроаналогового преобразователя 3 цифровой ЛЧМ сигнал преобразуют в электрическое напряжение и подают на усилитель мощности 4. Напряжением с выхода усилителя мощности возбуждают излучатель, акустическим сигналом которого облучают исследуемую поверхность и приемник. При этом на приемник падают прямая звуковая волна излучателя с амплитудой звукового давления P, звуковая волна с амплитудой звукового давления P, отраженная исследуемой поверхностью, и звуковые волны, отраженные посторонними поверхностями, условно показанные на фиг. 1 отражением от дна ГАБ. С помощью переключателя 5 через усилитель 6 на аналого-цифровой преобразователь 7 подают выходное напряжение гидрофона или напряжение, падающее на калиброванном сопротивлении R в цепи излучателя. Мгновенные значения напряжений записывают в память ЭВМ 2, которая выполняет математическую обработку.
Обработка мгновенных значений напряжений включает в себя следующие операции.
Определяют времена начала излучения и прихода прямой и отраженных волн. По мгновенным значениям напряжения, падающего на сопротивлении R, и значению сопротивления R определяют мгновенные значения тока излучателя. По мгновенным значениям тока излучателя и напряжения на выходе приемника рассчитывают комплексные частотные зависимости тока и напряжения (например, используя преобразование Фурье).
Комплексную частотную зависимость передаточного импеданса (ПИ) пары излучатель-приемник в реверберационном звуковом поле  получают делением частотной зависимости напряжения приемника на частотную зависимость тока излучателя с учетом времени распространения прямой волны.
В полученной частотной зависимости  подавляют осцилляции, обусловленные влиянием отраженных сигналов, для чего зависимость  подвергают обработке по методу скользящего комплексного взвешенного усреднения (СКВУ) [1]:
i
ву
ву
i
где n - количество отражений, подлежащих подавлению, τ - запаздывание i-й отраженной волны в точке приема, Δf - частотный интервал взвешенного усреднения, W(f) - взвешивающая функция, полученная сверткой n единичных прямоугольных окон шириной τ.
Получают комплексную частотную зависимость , подавив в зависимости  осцилляции, начиная с осцилляции, обусловленной первым по времени прихода отраженным сигналом.
Получают частотную зависимость , сохраняя при обработке  по методу СКВУ осцилляцию первого по времени прихода отраженного сигнала (отражение от исследуемой поверхности) и подавляя осцилляции, обусловленные более поздними отраженными сигналами (отражения от посторонних поверхностей).
Частотную зависимость  корректируют на функцию пропускания пространственного фильтра, реализуемого обработкой по методу СКВУ.
Частотную зависимость комплексного коэффициента отражения  получают по формуле:
,
0
1
где τ и τ - временные задержки относительно начала излучения прямого сигнала излучателя и сигнала, отраженного исследуемой поверхностью, соответственно.
Изложенное выше проиллюстрировано результатами физического эксперимента, представленными на фиг. 2-6.
На фиг. 2 приведена частотная зависимость модуля , полученная для излучателя и приемника, размещенных в гидроакустическом бассейне так, чтобы ближайшей отражающей поверхностью была поверхность воды. В представленной зависимости осцилляции подавлены обработкой по методу СКВУ, начиная с осцилляции, обусловленной первым по времени прихода отраженным сигналом.
На фиг. 3 приведена частотная зависимость модуля , которую получили, подавив в частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-приемник в реверберационном звуковом поле осцилляции, обусловленные вторым и последующими отражениями (дно и стенки бассейна), и сохранив осцилляцию, обусловленную первым отражением (граница раздела сред вода-воздух).
На фиг. 4 приведена функция осцилляции, которую получили по формуле:
отр
Размах осцилляций составил 20,6%, на основании этого амплитуда осцилляций Aбыла принята равной 10,3%.
На фиг. 5 изображены преобразование Фурье (кепстр) функции осцилляций (ряд 1) и функция пропускания G(τ) пространственного фильтра, реализуемого в описываемом эксперименте обработкой по методу СКВУ (ряд 2) [1]. По оси абсцисс графиков отложены значения τ, которые имеют смысл временных задержек.
1
В эксперименте значение отношения временных задержек (относительно начала излучения) прямого и первого отраженного сигнала составило 6,42. Периоду осцилляций 581 Гц функции осцилляции (см. фиг. 4) на фиг. 5 соответствуют задержка τ=1,7 мс и значение 0,67 функции пропускания G(τ). При этом значение модуля коэффициента отражения звука W от границы раздела сред вода-воздух, которое рассчитывали по формуле:
,
составило 98,7%, что весьма близко к теоретическому значению [2].
отр
Осцилляции частотной зависимости на фиг. 3 и 4 достигают своего минимума на частотах, кратных 581 Гц. Разность хода прямой и отраженной волн в эксперименте составила 2,54 м, что соответствует длине волны на частоте 581 Гц и двойной длине волны на частоте 1162 Гц. Поскольку при отражении от границы раздела сред вода-воздух волна, падающая из воды, меняет фазу на противоположную (см. приложение 2 в [2]), то на частотах, кратных 581 Гц, отраженная волна приходит в точку приема в противофазе с прямой волной (аргумент комплексного коэффициента отражения ϕ=π).
отр
На фиг. 6. представлена частотная зависимость  для пары излучатель приемник, размещенной в гидроакустическом бассейне так, чтобы ближайшей отражающей поверхностью было дно бассейна, выполненного из железобетона. При получении зависимости пропускали отражение от дна (первое отражение) и подавляли влияние второго и последующих отражений. По поведению зависимости можно судить о том, что полученный результат не противоречит характеру отражений от дна бассейна: ϕ=0, отражение от среды с более высоким волновым сопротивлением происходит с сохранением фазы [2].
Литература
1. Исаев А.Е., Матвеев А.Н. Градуировка гидрофонов по полю при непрерывном излучении в реверберирующем бассейне // Акустический журнал. 2009. Том 55. №6. С. 727-736.
2. Румынская И.А. Основы гидроакустики. «Судостроение», Л.: 1979.