Изобретение относится к технике акустических измерений. Повышение избирательной способности измерения звукового давления и обеспечение возможности направленного измерения скорости колебаний частиц и интенсивности акустического излучения источника звука двигается тем, что n приемников звука располагают эквидистантно на одной измерительной оси, одновременно измеряют звуковые давления в точках расположения приемников и выполняют определенные операции в соответствии с вновь установленными математическими зависимостями, связывающими сигналы, измеряемые приемниками звука со звуковым давлением, скоростью колебания частиц, активной и реактивной частями акустической интенсивности излучения источника звука в направлении оси измерений, на известном расстоянии от него. Диаграммы направленности предлагаемого способа направленного измерения акустических сигналов источника звука по давлению, скорости колебаний частиц и интенсивности в зависимости от числа приемников звука представлены математическими выражениями:
- диаграмма направленности известного конечно-разностного метода измерения давления для двух приемников; 2
0= 2K
xcos
- фазовый набег по полю метода измерений; n - количество приемников, используемых в измерениях; h = 1/K
x - частотно-зависимый коэффициент. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к технике акустических измерений и может быть использовано для определения звукопоглощающих свойств материалов и конструкций, в системах активного подавления и локализации источников звука, при измерении акустических характеристик источника звука в условиях акустических помех, а также для диагностики технического состояния машин и агрегатов, работа которых сопровождается генерацией звука.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ направленных измерений коэффициента отражения звука в акустических трубах с применением однонаправленных систем приема [1], заключающийся в разделении падающей и отраженной волн. Этот способ, выбранный в качестве прототипа, основан на конечно-разностном преобразовании сигналов двух близко расположенных по сравнению с длиной волны приемников звука и состоит из следующих операций (фиг. 2): одновременное измерение звуковых давлений в двух точках акустического поля P
1(t), P
2(t); определение полусуммы этих давлений (блок суммирования "+"); определение разности этих давлений, ее деление на расстояние между приемниками и плотность воздуха
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82348.gif)
, интегрирование результата деления и умножение на параметры окружающей среды
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
c (блоки вычитания "-", умножения "X" и интегрирования "
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8747.gif)
" ); суммирование результатов второй и третьей операций для измерения параметров падающей волны и вычитание результатов второй и третьей операций для измерения отраженной волны (блок суммы, разности "+").
Однако указанный способ не всегда обеспечивает требуемую остроту диаграммы направленности и не обладает селективной избирательностью измерения акустической скорости колебания частиц и интенсивности излучения источника звука по направлению измерений.
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение избирательной способности направленного измерения звукового давления и обеспечение возможности направленного измерения скорости колебания частиц и интенсивности акустического излучения источника звука.
Указанный технический результат достигается тем, что n приемников звука располагают эквидистантно на одной измерительной оси, одновременно измеряют звуковые давления в точках расположения приемников, выполняют попарные конечно-разностные преобразования сигналов соседних приемников, результаты преобразований вновь преобразуют попарно, пока не будет выполнено преобразование с номером
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82349.gif)
, результат которого дает звуковое давление источника звука по направлению измерительной оси приемников звука. Акустическую скорость колебания частиц по тому же направлению определяют путем вычитания результата преобразования с номером
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82350.gif)
из результата преобразования с номером
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82351.gif)
, делят эту разность на расстояние между соседними приемниками и плотность воздуха
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82352.gif)
, интегрируют результат деления. Активную часть акустической интенсивности в заданном направлении определяют как среднее значение произведения звукового давления и скорости колебаний частиц, а реактивную часть акустической интенсивности - как среднее значение произведения звукового давления и результата преобразования Гильберта скорости колебаний частиц.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где приняты обозначения: 1 - конечно-разностный формирователь сигнала направленного измерения звукового давления [1]; ПГ - преобразователь Гильберта;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8747.gif)
- интегрирующий блок,
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
c - весовой коэффициент;
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82353.gif)
- блок усреднения; X - блок перемножения; "-" - блок вычитания. На входы M
1, M
2, . . ., M
n функциональной схемы подают сигналы приемников звука, а на ее выходе снимают сигналы, пропорциональные звуковому давлению
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82354.gif)
, акустической скорости колебаний частиц
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82355.gif)
, активной
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82356.gif)
и реактивной
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82357.gif)
частям акустической интенсивности звука по направлению измерений, которые являются функциями времени. Координату x точки измерений определяют как полусумму расстояний от излучателя звука до первого и последнего приемников звука.
Спектральная обработка этих сигналов на основе Фурье преобразования 1 (блок FFT, фиг. 1) дает частотное представление результатов измерений звукового давления, скорости колебаний частиц, активной и реактивной частей акустической интенсивности
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82358.gif)
по направлению измерений.
Тот же результат -
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82359.gif)
можно получить выполнив сначала комплексные Фурье преобразования звуковых давлений, измеряемых приемниками звука, а затем преобразовать результаты в соответствии с выражениями.
Для давления
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82360.gif)
Для скорости колебаний частиц
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82361.gif)
где m=n-1.
Для активной части интенсивности
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82362.gif)
Для реактивной части интенсивности
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82363.gif)
В выражениях (1-4) приняты обозначения: P
i(
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
) - комплексный спектр сигнала i-го микрофона цепочки; Ai=(m-1)!/{(i-1)!(m-i)!} - действительный коэффициент;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
P
i(
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
) = P
i+1(
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
) - P
i(
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
); Z = jk
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
x - частотно зависимый коэффициент: k - волновое число; 2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
x - расстояние между соседними приемниками;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
c - постоянная окружающей среды,
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
- плотность воздуха, c - скорость звука в воздухе; реальная Re{S
p
n(
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
)} и мнимая Im{S
p
n(
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
)} части взаимного спектра давления - скорости, полученные для группы из n приемников. Следует отметить, что смена знаков в выражениях (1) и (2) у сомножителей в скобках, под знаком суммы, приводит к смене направления измерений, соответствующего наибольшей чувствительности приема, на противоположное.
На фиг. 3, даны диаграммы направленности предлагаемого способа измерения акустических сигналов по давлению (a), скорости колебаний частиц (b) и интенсивности (c) соответственно, которые определены для различного количества приемников звука в соответствии с выражениями:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82364.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82365.gif)
- диаграмма направленности конечно-разностного метода измерения звукового давления для двух приемников; 2
0= 2k
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
xcos
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
- фазовый набег по полю метода измерений; n - количество приемников используемых в измерениях; h = 1/k
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
x .
Как видно из выражений (5) и зависимостей фиг. 3, увеличение числа приемников приводит к резкому повышению избирательности по направлению измерений, а при количестве приемников n
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
3 в отличие от известного [1] предлагаемый способ обеспечивает избирательность измерений и для скорости колебаний частиц и для интенсивности источника звука.
Для корректной реализации предлагаемого способа измерений число приемников звука n должно выбираться из условия
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82366.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
- длина звуковой волны, излучаемой источником;
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82367.gif)
.
Источники информации
1. Писаревский Н. Н. Применение аналоговой интенсиметрической и корреляционной аппаратуры и фазированных двуслойных решеток для прямых измерений комплексного коэффициента отражения методом однонаправленного приема. Тезисы докладов 9-й научно-технической конференции по авиационной акустике. Издательский отдел ЦАГИ, 1989.
2. Pascal J. C. , Carles C. Systematic measurements errors whith two-microphone sound intensity meters. J. Sound and Vibr., 1982, v. 83, N 1, 53-65.
Формула изобретения
1. Способ направленного измерения акустических сигналов источника звука, заключающийся в конечно-разностном преобразовании, состоящем в том, что одновременно измеряют звуковые давления приемниками звука в двух точках акустического поля, определяют полусумму давлений и их разность, делят разность на расстояние между точками измерений и плотность воздуха
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
, интегрируют результат деления, умножают на параметры окружающей среды
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
c и алгебраически суммируют результат с полусуммой давлений, отличающийся тем, что вводят дополнительные приемники звука и располагают их эквидистантно на одной измерительной оси, измеряют одновременно звуковые давления в точках расположения приемников, выполняют попарные конечно-разностные преобразования сигналов соседних приемников, результаты преобразований вновь преобразуют попарно, пока не будет выполнено преобразование с номером
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82368.gif)
определяют акустическую скорость колебания частиц
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82369.gif)
по направлению измерений путем вычитания из результата преобразования с номером
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82370.gif)
результата преобразования с номером
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82371.gif)
деления этой разности на расстояние между соседними приемниками и плотностью воздуха
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82372.gif)
интегрирования результата деления, определяют активную часть акустической интенсивности
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82373.gif)
по направлению измерений как среднее значение произведения звукового давления и скорости колебания частиц, а реактивную часть акустической интенсивности
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82374.gif)
как среднее значение произведения звукового давления и результата преобразования Гильберта скорости колебания частиц, где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
- плотность воздуха, c - скорость звука в воздухе, n - количество приемников звука, i - текущий номер микрофона, t - текущее время, x - координата точки измерений сигналов излучателя звука, ее определяют как полусумму расстояний от излучателя звука до первого и последнего приемников звука.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выполняют преобразование Фурье.
3. Способ направленного измерения акустических сигналов источника звука, заключающийся в том, что одновременно измеряют звуковые давления приемниками звука в двух точках и определяют акустические характеристики источника по направлению измерений путем преобразования этих давлений, отличающийся тем, что вводят дополнительные приемники звука и располагают их эквидистантно на одной измерительной оси, измеряют одновременно звуковые давления в точках расположения приемников, выполняют для каждого сигнала комплексные Фурье преобразования, а затем получают комплексные спектры акустического давления, скорости колебания частиц, активной и реактивной частей интенсивности, выполняя преобразования в соответствии со следующими выражениями:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82378.gif)
где n - количество приемников звука, n
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
n
max=
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
/2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
x;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
- длина звуковой волны;
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82379.gif)
комплексный спектр давления в точке измерений x;
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82380.gif)
комплексный спектр скорости колебания частиц в точке измерений x;
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82381.gif)
спектр активной части интенсивности в точке измерений x;
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/8/82382.gif)
спектр реактивной части интенсивности в точке измерений x;
P
i(
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
) - комплексный спектр звукового давления сигнала i-го приемника;
Ai = (m - 1) ! / {(i - 1) ! (m - i) !} - действительный коэффициент;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
P
i(
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
) = P
i+1(
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
) - P
i(
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
);
Z = jk
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
x - комплексный частотно-зависимый коэффициент;
k - волновое число;
2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
x - расстояние между соседними приемниками группы при их эквидистантном расположении на одной измерительной оси;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
- плотность воздуха;
c - скорость звука в воздухе;
Re{S
p
n(
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
,x)}, I
m{S
p
n(
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
,x)} - реальная и соответственно мнимая части комплексного взаимного спектра давления - скорости;
x - координата точки измерений, ее определяют как полусумму расстояний от источника звука до первого и последнего приемника.
РИСУНКИ
Рисунок 1,
Рисунок 2,
Рисунок 3