СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ
METHOD OF MEASURING REFLECTION COEFFICIENT OF SOUND-ABSORBING STRUCTURE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля акустического качества образцов звукопоглощающих конструкций в условиях замкнутых помещений.
Известен способ определения акустических характеристик материалов в условиях гидроакустической измерительной камеры (В.Т. Ляпунов, B.C. Майоров. Способ измерения коэффициентов отражения и прохождения звука материалов. G01N 29/00, SU 1062596 А, опубл. 23.12.1983 г., бюл. №47).
Сущность способа заключается в том, что в гидроакустическом измерительном бассейне излучают звуковые колебания и принимают колебания, отраженные от образца материала, используемого в звукопоглощающей конструкции. Затем вычисляют отношение амплитуд сигналов при наличии и отсутствии образца, по величине которого определяют коэффициенты отражения и прохождения звука. Отличительной особенностью способа является то, что излучатель звука и приемник сигналов, отраженных от образца, устанавливают на одной линии и подвергают вращению вокруг оси, перпендикулярной линии установки излучателя и приемника. Таким образом, статистические характеристики полезного сигнала не меняются во времени, а характеристики сигналов ложных отражений изменяются в зависимости от направления на отражающую поверхность, что позволяет выделить полезный сигнал путем усреднения или синхронного накопления.
Недостатком рассматриваемого способа является то, что вращение системы «излучатель - приемник» необходимо осуществлять, как правило, в условиях герметичной измерительной камеры при повышенном давлении, что конструктивно не всегда возможно.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ однонаправленного приема, работающий в непрерывном режиме.
Особенностью способа является то, что расстояние между двумя приемными элементами должно быть меньше четверти длины звуковой волны (Справочник по гидроакустике. Научный редактор А.Е. Колесников. Л.: Судостроение, 1982, стр. 210, 211), что обеспечивает формирование кардиоидной диаграммы направленности. При этом приемные элементы располагаются на оси перпендикулярной плоскости испытуемого образца, а при обработке сигналов в один из них вводится задержка, определяемая расстоянием между приемными элементами и скоростью звука в среде, что позволяет сформировать диаграмму направленности, ориентированную на источник отраженного сигнала. Изменение очередности приемников обеспечивает раздельный прием излучаемых сигналов и отраженных сигналов, отношение амплитуд которых используется для вычисления коэффициента отражения звукопоглощающей конструкции. Этот способ измерения коэффициента отражения звукопоглощающей конструкции принят за прототип.
Сущность способа - прототипа в режиме приема отраженного сигнала сводится к следующим операциям:
1) производится двухканальный прием суммы излученного и отраженного сигналов;
2) осуществляется суммирование сигналов, снимаемых с выходов приемных элементов, в которые последовательно введена задержка, обеспечивающая выделение зондирующего сигнала и сигнала, отраженного от образца звукопоглощающей конструкции;
3) вычисляется коэффициент отражения образца материала как отношение амплитуд измеренных сигналов.
Разделение падающей и отраженной волн по рассматриваемому способу обеспечивается при измерении коэффициента отражения образца звукопоглощающей конструкции, расположенного в гидроакустической трубе, в которой формируются плоские волны.
Недостаток способа - прототипа состоит в незначительном подавлении ложных отражений при измерениях в условиях замкнутых гидроакустических бассейнов, когда невозможно сформировать плоскую волну. Наличие сигналов помехи, обусловленных отражением излучаемых и отраженных сигналов от стенок гидроакустического бассейна, приводит к погрешности измерения коэффициента отражения образца звукопоглощающей конструкции.
Задачей изобретения является обеспечение помехоустойчивого измерения коэффициента отражения образца звукопоглощающей конструкции в условиях гидроакустического бассейна с использованием непрерывного зондирующего сигнала.
Способ измерения коэффициента отражения звукопоглощающей конструкции, включающий прием зондирующего и отраженного сигналов при помощи однонаправленного приемника из двух приемных элементов, изменение направления чувствительности которого осуществляется переключением последовательности приемных элементов, расположенных в гидроакустическом бассейне на оси перпендикулярной поверхности образца звукопоглощающей конструкции, и определение отношения уровней принятых сигналов, по изобретению, одновременно с однонаправленным приемом сигналов дополнительно осуществляют прием сигналов при помощи дискретной антенны, установленной параллельно звукопоглощающей конструкции, причем центральный приемный элемент антенны является приемным элементом однонаправленного приемника, после чего принятые сигналы детектируют, перемножают и используют для определения коэффициента отражения звукопоглощающей конструкции как отношение амплитуд отраженного и падающего сигналов.
Вследствие взаимодействия диаграмм направленности однонаправленного приемника и дискретной фазированной антенны уровень сигнала помехи, обусловленной отражением от стенок гидроакустического бассейна, значительно уменьшается. Управление параметрами направленного приема осуществляется путем задержки отраженных сигналов в каждом канале дискретной антенны пропорциональной дистанции между приемными элементами и расстоянию между образцом звукопоглощающей конструкции и плоскостью дискретной антенны.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ;
- на фиг. 2 представлена диаграмма направленности кардиоидного приемника;
- на фиг. 3 представлена диаграмма направленности дискретной антенны;
- на фиг. 4 представлена результирующая диаграмма направленности кардиоидного приемника и дискретной антенны после операции перемножения;
- на фиг. 5 представлена трехмерная компьютерная модель диаграммы направленности однонаправленного приемника и дискретной антенны;
- на фиг. 6 представлен результат обработки натурных сигналов.
Устройство, реализующее предлагаемый способ (см. фиг. 1), содержит двухканальный однонаправленный приемник 1, к управляющему входу которого подключен блок управления 2, и плоскую дискретную антенну 3, а выходы двухканального однонаправленного приемника и дискретной антенны через детекторы 5 и 6 соединены с входами перемножителя 7, выход которого подключен к входу вычислительного устройства 8.
С использованием описанного устройства предложенный способ реализуется следующим образом. Входной сигнал принимается двухканальным однонаправленным приемником 1, формирующим кардиоидную диаграмму направленности. Направление максимума диаграммы направленности изменяется при помощи блока управления 2, под управлением которого в сигнал, снимаемый с выхода одного из приемных элементов, вводится задержка, а сигналы суммируются. В результате изменения направления максимума диаграммы направленности разделяют падающий и отраженный сигналы. Отношение уровней падающего и отраженного сигналов используются для определения коэффициента отражения образца звукопоглощающей конструкции в вычислительном устройстве. При помощи дискретной антенны 3 формируется узкая диаграмма направленности, максимумы которой направлены как в сторону образца материала, так и в сторону излучателя - источника зондирующего сигнала. Для фокусирования диаграммы направленности сигналы, принимаемые приемными элементами дискретной антенны, задерживаются на время, определяемое дистанцией между приемными элементами и расстояниями между образцом звукопоглощающей конструкции и каждым приемным элементом дискретной фазированной антенны. Детектирование принятых сигналов при помощи детекторов 5 и 6 и последующее перемножение результатов детектирования в перемножителе 7 обеспечивает однонаправленный прием падающих и отраженных сигналов с высоким пространственным разрешением. Это позволяет рассчитать коэффициент отражения в вычислительном устройстве 8 при существенном подавлении влияния отражений от стенок гидроакустического бассейна.
Работа устройства в соответствии с предлагаемым способом описывается следующим образом.
0,5
Приемные элементы дискретной антенны устанавливаются относительно друг от друга на расстоянии d<λ, где:
d - расстояние между приемными элементами;
λ - длина акустической волны на частоте измерений.
0
0
Расстояние r между приемными элементами однонаправленного приемника удовлетворяет условию r<0,25λ.
Сигналы на выходе каждого из звукоприемников пропорциональны звуковому давлению в точке их расположения и зависят от чувствительности приемных элементов, амплитуды падающей звуковой волны, волнового числа и коэффициента отражения.
За нулевой отсчет фазы принята фаза падающей волны в месте расположения центрального приемного элемента.
Выделение обрабатываемых сигналов, например сигнала пропорционального звуковому давлению в падающей волне, производится, как и в прототипе, при помощи следующих операций.
В один из сигналов, снимаемых с выходов приемных элементов однонаправленного приемника, вводится задержка, соответствующая расстоянию между приемниками.
При последующем суммировании (вычитании) два сигнала, имеющих одно направление, суммируются, а противоположное направление - взаимно уничтожаются, что позволяет выделить сигнал, пропорциональный звуковому давлению только в падающей волне или отраженной волне.
Сущность способа обработки сигналов для измерения коэффициента отражения с использованием однонаправленного приема заключается в том, что  выделяют сигналы, пропорциональные звуковым давлениям в падающей и отраженной волнах, а коэффициент отражения находят как отношение амплитуд отраженного и падающего сигналов. Следует подчеркнуть, что измерения осуществляются в поле стоячей волны в результате формирования с помощью двух гидрофонов и фазовращающего устройства кардиоидной диаграммы направленности. При ориентации ее максимума на источник звука, а минимума - на измеряемый образец оценивают уровень и фазу зондирующего сигнала. Если диаграмма направленности ориентирована в противоположную сторону, то оценивают давление и фазу сигнала, отраженного от образца конструкции.
Работу антенны, используемую в предлагаемом способе, можно пояснить следующим образом.
Пусть, например, на линейную эквидистантную антенну, состоящую из n приемных элементов, падает плоская волна под углом θ, отсчитываемым между направлением падающей волны и осью однонаправленного приемника.
Разность хода лучей между первым и n приемными элементами составляет ΔS=(n-1)dsin(θ), где:
n - число элементов антенны;
d - расстояние между соседними приемными элементами.
Разность задержек между элементами равна , где:
с - скорость распространения волны.
В результате синфазного сложения полосовых сигналов при компенсации разности задержек формируется диаграмма направленности. При этом условием единственности главного лепестка диаграммы направленности является соотношение: .
В результате детектирования сигналов, снимаемых с выходов однонаправленного приемника и дискретной антенны, и их перемножения формируется диаграмма направленности, ширина которой значительно меньше кардиоидной диаграммы направленности, формируемой по способу-прототипу, что обеспечивает подавление сигналов помехи, обусловленной отражением излучаемого и отраженного сигналов от стенок гидроакустического бассейна.
При математическом моделировании работы устройства, реализующего предлагаемый способ, рассчитывались диаграммы направленности однонаправленного приемника (фиг. 2), и фазированной дискретной антенны (фиг. 3).
Из представленных примеров следует, что в случае применения однонаправленного приемника принимается только отраженный сигнал (или падающий сигнал), но не подавляются сигналы, отраженные от стенок гидроакустического бассейна. При использовании дискретной антенны подавляются сигналы, отраженные от стенок бассейна, но падающий сигнал остается неподавленным.
Перемножение диаграмм направленности позволяет получить узкую диаграмму направленности, свободную от указанных недостатков, пример которой показан на фиг. 4. На фиг.5 приведена объемная диаграмма направленности, полученная в результате компьютерного моделирования работы устройства по предлагаемому способу.
Достоверность предлагаемого способа подтверждается результатами лабораторного эксперимента, в котором источник импульсного сигнала длительностью 2 мс на несущей частоте 6300 Гц размещался в гидроакустическом бассейне. Исследуемые сигналы принимались линейной дискретной антенной из 4 приемных элементов, расстояние между которыми составляло 0,125 м. Одновременно принимались сигналы системой приемников, расстояние между приемными элементами которых равнялось 0,065 м. В результате обработки измерительных данных по предлагаемому способу формировался результирующий сигнал, амплитудная огибающая которого представлена на фиг.6 (график 8). Здесь же приведены огибающие сигналов, полученные при помощи однонаправленного и ненаправленного приемников (графики 9 и 10 соответственно). Сравнение огибающих сигналов, полученных по способу-прототипу (график 9) и предлагаемому способу (график 8), показывает, что основное преимущество предлагаемого способа определения коэффициента отражения звукопоглощающей конструкции заключается в увеличении помехоустойчивости измерений в результате подавления влияния сигналов, отраженных от стенок гидроакустического бассейна.