СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТНОЙ ЗАВИСИМОСТИ КОМПЛЕКСНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ ЗВУКА ОТ ПОВЕРХНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШУМОВОГО СИГНАЛА
METHOD OF MEASURING FREQUENCY DEPENDENCE OF COMPLEX REFLECTION COEFFICIENT OF SOUND FROM SURFACE USING NOISE SIGNAL

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 [1], который основан на облучении исследуемой поверхности акустическим сигналом изменяющейся частоты, регистрации приемником интерференционного сигнала, представляющего собой сумму облучающего сигнала и сигнала, отраженного исследуемой поверхностью, определении коэффициента отражения по отношению максимума к минимуму интерференционного сигнала.
Недостатками известного способа является погрешность измерений, обусловленная влиянием сигналов, отраженных границами среды, в которой выполняют измерения (стенки лабораторного гидроакустического бассейна либо акустической камеры, дно и поверхность водоема). Этот способ позволяет определять коэффициент отражения 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.
Известен способ измерения частотной зависимости коэффициента отражения звука от поверхности, принятый за прототип [2]. Способ заключается в расположении излучателя, исследуемой поверхности и приемника в гидроакустическом бассейне так, чтобы первым по времени прихода на приемник отраженным сигналом был сигнал от исследуемой поверхности, облучении исследуемой поверхности и приемника линейно частотно-модулированным сигналом, регистрации тока излучателя, регистрации приемником интерференционного акустического сигнала, представляющего собой сумму облучающего и отраженных сигналов, получении комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-приемник, выделении в полученной зависимости комплексной частотной зависимости осцилляции, обусловленной отражением сигнала облучения от исследуемой поверхности, определении комплексной частотной зависимости коэффициента отражения звука по полученной частотной зависимости осцилляции.
Недостаток прототипа заключается в том, что вследствие нестационарности линейно частотно-модулированного сигнала при его использовании в качестве сигнала облучения результат измерений частотной зависимости коэффициента оказывается искажен переходным процессом, также возникает погрешность, обусловленная несовпадением мгновенных частот облучающего и отраженного от исследуемой поверхности сигналов.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является повышение точности измерения частотной зависимости коэффициента отражения за счет исключения погрешностей, обусловленных нестационарностью сигнала облучения.
Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе, заключающемся в расположении излучателя, исследуемой поверхности и приемника в гидроакустическом бассейне так, чтобы первым по времени прихода на приемник отраженным сигналом был сигнал от исследуемой поверхности, определении относительно начала излучения временных задержек прихода на приемник облучающего и отраженных сигналов, возбуждении излучателя линейно частотно-модулированным сигналом с заданными параметрами, регистрации мгновенных значений тока в цепи излучателя и выходного напряжения приемника, определении по полученным значениям тока и напряжения комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-приемник в реверберационном звуковом поле, подавлении в полученной зависимости осцилляций, обусловленных влиянием отраженных сигналов, скользящим комплексным взвешенным усреднением с использованием взвешивающих функций, которые конструируют исходя из временных задержек облучающего и отраженных сигналов, получении комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-приемник  в которой подавлены осцилляции, обусловленные отраженными сигналами, и зависимости  в которой сохранена осцилляция, обусловленная первым по времени прихода отражением, и подавлены осцилляции от второго и более поздних по времени прихода отражений, определении частотной зависимости комплексного коэффициента отражения  по отношению  к
0
1
1
0
где τ и τ - временные задержки облучающего сигнала и сигнала, отраженного исследуемой поверхностью, соответственно, Δτ = τ - τ, K(Δτ) - коэффициент пропускания пространственного фильтра, реализуемого обработкой скользящим комплексным взвешенным усреднением при получении , излучатель возбуждают шумовым сигналом, мощность которого распределена в заданной полосе частот, регистрируют мгновенные спектры тока в цепи излучателя и выходного напряжения приемника, по мгновенным спектрам тока и напряжения рассчитывают спектр мощности тока в цепи излучателя и взаимный спектр тока излучателя и напряжения приемника, а комплексную частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-приемник в реверберационном звуковом поле получают как отношение взаимного спектра к спектру мощности.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема реализации способа при измерениях в гидроакустическом бассейне (ГАБ); на фиг. 2-6 приведены диаграммы, поясняющие работу способа.
Излучатель 2, исследуемую поверхность 1 и приемник 3 располагают в ГАБ, как это показано на фиг. 1, чтобы первым по времени прихода на приемник отраженным сигналом был сигнал 5, отраженный исследуемой поверхностью. В памяти ЭВМ 10 формируют шумовой сигнал, мощность которого распределена в заданной полосе частот. С помощью цифроаналогового преобразователя 11 цифровой шумовой сигнал преобразуют в электрическое напряжение и подают на усилитель мощности 7. Напряжением с выхода усилителя мощности возбуждают излучатель, акустическим сигналом которого облучают приемник и исследуемую поверхность. При этом на приемник падают прямая звуковая волна излучателя 4, звуковая волна 5, отраженная исследуемой поверхностью, и звуковые волны 6, отраженные посторонними поверхностями, условно показанные на фиг.1 отражениями от стенок ГАБ. С помощью переключателя 8 через усилитель 9 на аналого-цифровой преобразователь 12 подают выходное напряжение гидрофона или напряжение, падающее на калиброванном сопротивлении R в цепи излучателя. Реализации мгновенных значений напряжений записывают в память ЭВМ, которая выполняет математическую обработку.
Процедура измерений и математическая обработка включают в себя следующие операции. Относительно сигнала возбуждения излучателя определяют временные задержки прихода на приемник облучающего и отраженных сигналов. Мгновенные значения тока излучателя получают по мгновенным значениям напряжения, падающего на калиброванном сопротивлении R, и значению этого сопротивления. Регистрируют мгновенные спектры тока  и напряжения  которые получают преобразованием Фурье реализаций мгновенных значений тока излучателя и напряжения на выходе приемника (k - означает номер реализации). По полученным мгновенным спектрам рассчитывают спектр мощности тока  и взаимный спектр тока и напряжения  (<…>обозначает усреднение по реализациям, * - комплексное сопряжение).
Комплексную частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-приемник в реверберационном поле определяют, как отношение взаимного спектра к спектру мощности:
В полученной частотной зависимости  подавляют осцилляции, обусловленные влиянием отраженных сигналов, для чего зависимость  подвергают обработке по методу скользящего комплексного взвешенного усреднения (СКВУ) [3-5]:
j
ву
ву
j
где n - количество отражений, подлежащих подавлению, τ - временная задержка i-го отраженного сигнала относительно сигнала облучения, Δ - частотный интервал взвешенного усреднения, H(f) - взвешивающая функция, полученная сверткой n единичных прямоугольных окон шириной τ.
Комплексную частотную зависимость  получают, подавив в зависимости  осцилляции, начиная с осцилляции, обусловленной первым по времени прихода отраженным сигналом.
Комплексную частотную зависимость  получают, сохранив при обработке  по формуле (1) осцилляцию первого по времени прихода отраженного сигнала (отражение от исследуемой поверхности) и подавив осцилляции, обусловленные более поздними по времени прихода отраженными сигналами (отражения от посторонних поверхностей).
Вычисляют K(Δτ) - коэффициент пропускания пространственного фильтра, реализуемого обработкой по методу СКВУ, при получении
Частотную зависимость осцилляции, обусловленной отражением звука от исследуемой поверхности, с учетом затухания звука при распространении сферической волны и характеристики пропускания реализуемого обработкой по методу СКВУ пространственного фильтра получают по формуле:
0
1
где τ и τ - временные задержки облучающего сигнала и сигнала, отраженного исследуемой поверхностью, соответственно.
Частотную зависимость комплексного коэффициента отражения  рассчитывают по формуле:
1
0
где Δτ = τ - τ.
Изложенное выше проиллюстрировано результатами физического эксперимента при излучении шумового сигнала в частотном диапазоне от 1 до 6 кГц, представленными на фиг. 2 - 6.
На фиг. 2 представлен модуль частотной зависимости  которую получили расположив излучатель и приемник в ГАБ так, чтобы первым по времени прихода на приемник отраженным сигналом был сигнал от поверхности воды в ГАБ - границы раздела сред вода-воздух, значение комплексного коэффициента отражения звука от которой известно и не зависит от частоты [6]. Осцилляции модуля частотной зависимости  обусловлены отражениями от исследуемой поверхности, стенок и дна ГАБ. На фиг. 3 кривой 1 представлен модуль частотной зависимости  которую получили, подавив в частотной зависимости  осцилляции, начиная с осцилляции, обусловленной первым по времени прихода отраженным сигналом. Кривой 2 представлен модуль частотной зависимости  которую получили, подавив в частотной зависимости  осцилляции, обусловленные вторым и последующими отражениями (дно и стенки бассейна), и сохранив осцилляцию, обусловленную первым отражением (граница раздела сред вода-воздух).
1
0
В эксперименте отношение временных задержек  составило 3,39, разность временных задержек Δτ = τ-τ составила 0,44 мс. На фиг. 4 изображена характеристика пропускания пространственного фильтра, реализованного обработкой по методу СКВУ при получении  пунктирными прямыми отмечено значение коэффициента пропускания K(Δτ)=0,96.
На фиг. 5 приведены действительная и мнимая части частотной зависимости осцилляции  полученной по формуле (2).
На фиг. 6 изображены частотные зависимости модуля и аргумента комплексного коэффициента отражения  от границы раздела сред вода-воздух, рассчитанные по формуле (3).
Полученные в эксперименте значения коэффициента отражения звука и аргумента комплексного коэффициента отражения составляют, соответственно, (100 ± 11)% и (π ± 0,1) рад, что весьма близко к теоретическим значениям: коэффициент отражения звука от границы раздела сред вода-воздух равен единице и не зависит от частоты, при отражении от границы раздела сред вода-воздух падающая из воды звуковая волна меняет фазу на противоположную (см. приложение 2 в [6]).
Литература
1. Боббер Р. Дж. Гидроакустические измерения / Пер. с англ. под ред. А.Н. Голенкова // М: Мир. - 1974.
2. Исаев А.Е., Николаенко А.С. Способ измерения частотной зависимости коэффициента отражения звука от поверхности. Патент на изобретение №2655478, С1. МПК G01N 29/00, опубликован 28.05.2018. Бюл. №16.
3. Исаев А.Е., Черников И.В. Лабораторная градуировка гидроакустического приемника в реверберационном поле шумового сигнала // Акуст. журн. - 2015. - Т. 61 -№5. -С. 1-9.
4. Исаев А.Е., Матвеев А.Н. Градуировка гидрофонов по полю при непрерывном излучении в реверберирующем бассейне // Акуст. журн. - 2009. - Т. 55. - №6. - С. 727-736.
5. Исаев А.Е. Точная градуировка приемников звукового давления в водной среде в условиях свободного поля // Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ». - 2008. - 369 с.
6. Румынская И.А. Основы гидроакустики // Л.: «Судостроение». - 1979 г.