（环境工程专业论文）可控波形的脉冲声生成技术.pdf

摘要 在应用声学领域，声学材料与结构的吸声测量始终是一项重要的工作。目前， 常用的测量方法( 驻波管法和混响室法) 属于实验室方法，其结果给出了待测样 本在标准声学条件下的声学性能，为声学应用提供了重要的参考。但实践证明： 这样的测量结果与实际使用环境中的声学特性有一定差别，因此，一些适用于现 场测量的现代吸声测量技术有了很大地发展。这些技术普遍地使用脉冲回波方法， 因此，性能优良的脉冲声源是现代吸声测量技术中必不可少的工具。 本论文根据基于时域参数反演方法的吸声测量技术的要求，研究具有普遍意 义的可控脉冲声生成技术，包括原理、设计与实现，研制了一套性能良好的脉冲 声源。 完成的工作主要有： 分析了电声系统频率响应函数的求解方法，选择脉冲f f t 方法来完成实验， 讨论了测量频率响应函数时几种激励信号，包括b u t t e r w o r t h 、c h e b y s h e v 滤波器 特性函数和白噪声信号；根据吸声测量的要求，设计了多种脉冲声信号，包括： 单周期正弦脉冲信号、衰减正弦信号和微分高斯信号等，脉冲长度分别为l m s 和 0 5 m s ；通过解算获得脉冲声源的驱动信号，研究表明这种方法是可行的，能够获 得所需要的脉冲声信号。 完成了脉冲声源的设计与加工，研制了一套脉冲声源系统，控制系统分别可 以由基于n id a q c a r d p x l 4 4 7 2 和n id a q c a r d p c m c i a 6 0 6 2 e 数据采集卡完成； 在半消声室得到了质量好的脉冲声信号；对脉冲声信号传播特性进行的实验证明： 它能够很好地满足点源辐射要求。另外，在普通房间进行了脉冲声的实验研究。 进行了脉冲反射实验。利用产生的几种脉冲信号，对不同材料进行了反射实 验。实验表明：不同材料的反射声波是不同的，它包含了材料的吸声特性。这正 是基于时域参数反演方法进行吸声测量的理论依据。由于传声器与反射面相对位 置的不同，反射波与入射波分别表现为完全分离、刚好连接以及信号叠加等。实 验结果与理论分析一致。 完成了脉冲瞬态抑制方法的初步研究。利用换能器的等效电路模型，通过电 路的反向推导，得到了换能器输入电压的表达式。通过仿真计算，验证了脉冲瞬 态抑制方法的可行性i 关键词：吸声测量脉冲声源频率响应函数脉冲反射实验脉冲瞬态抑制方法 感谢西北工业大学研究生创业种子基金( 编号z 2 0 0 5 0 5 ) 和国家自然科学基金( 编 号1 0 6 7 4 1 1 1 ) 的资助! a b s 仃a c t l n a p p l i e do c o u s u c sf i e l d t h es o u n da b s o r p t i o nm e a s u r e m e n to fo n a c o u s t i cm a t e r i a la n ds t r u c t u r ei sa l w a y sa ni m p o r t a n ta n db a s i ct a s k a t p r e s e n t , s o m et r a d i t i o n a ll a bm e t h o d s i n c l u d i n gt h es t a n d i n gw o v et u b e m e t h o da n dt h er e v e r b e r a t i o nr o o mm e t h o d o r ec o m m o n l yu s e d t h er e s u l t o ft h e s em e a s u r e m e n t sg i v e st h ea c o u s t i ca b s o r p t i o np e r f o r m a n c eo ft h e s p e c i m e n i ns t a n d a r da c o u s t i cc o n d i t i o n sa n d p r o v i d e s a ni m p o p u 3 n t r e f e r e n c ef o ri t sa p p l i c a t i o n h o w e v e r t h i sp e r f o r m a n c ei su s u a l l yd i f f e r e n t f r o mt h a tm e a s u r e dl no na c t u a le n v i r o n m e n t a sar e s u l t s o m em o d e r n t e c h n i q u e sw h i c ho r ea p p l i c a b l ef o rl n s u i tm e a s u r e m e n th a v eb e e n d e v e l o p e d m o s to ft h e s et e c h n i q u e su s et h ee c h o - - i m p u l s em e t h o d t h e r e f o r e o ni m p u l s i v es o u n ds o u r c ew i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei sak e y p r o b l e mb e c a u s ei ti sa ni n d i s d e n 5 a b l et o o lf o rt h es o u n da b s o r p t i o n m e a s u r e m e n tl nt h ee c h o - i m p u l s em e t h o d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h et i m e - d o m a i np a r a m e t s ri n v e r s i o n m e t h o d ad i g l t s i l y c o n t r o l l e di m p u l s i v es o u n ds o u r c eh a sb e e ns u c c e s s f u l d e v e l o p e d t h ep r i n c i p l e d e s i g na n de x p e r i m e n to r ei n t r o d u c e di nt h l sp a p e r t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s t h ef r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o n ( f r f ) o fa ne l e c t r i c - a c o u s t i cs y s t e mi s a n a l y z e d a n dt h ep u l s ef f tm e t h o di ss e l e c t e df o rt h em e a s u r e m e n ta n d s o l u t i o no ft h ei m p u l s i v es o u r c e f r f s e v e r a le x c l t s t i o ns i g n a l s i n c l u d i n g t h ef u n c t i o no fb u t t e r w o r t hf i l t er - c h e b y s h e vf i l t e ra n dw h i t en o i s es i g n a lo r e d i s c u s s e dw h e nt h e yo r eu s e df o rf r fm e a s u r e m e n t s o m es o u n dp u l s e s s u c ha ss i n g l ec y c l es l n u s o l d a ls i g n a l d a m p e ds i n g l ec y c l es l n u s o l d a ls i g n a la n d d i f f e r e n t i a lg u a s s i a ns i g n a l o r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e d t h ep u l s el e n g t h s o r e1 m sa n d0 5 m s t h ed r i v e ns i g n a lo ft h ei m p u l s i v es o u r c ei sf i n a l l y c a l c u l a t e d e x p e r i m e n tr e s u l ts h o wt h a tt h ed e v e l o p e dl m p u l s i v es o u r c eo a n r a d i a t et h ed e s i r e ds o u n dp u l s e ss u c c e s s f u l l y t h ei m p u l s i v es o u r c ei s d e s i g n e d a n d p r o d u c e d d i g i t a l c o n t r o li s i m p l e m e n t e db yd o t ea c q u i s i t i o nc a r do fn id a q c a n d p x l 4 4 7 2 o rn i d a q g o r d p c m g i a 6 0 6 2 e g o o dq u a i l t ys o u n dp u l s e so r eg e n e r a t e db yt h i s s o u r c ei nos e m i - a n e c h o i cc h a m b e r p r o p a g a t i o ne x p e r i m e n tv a l i d a t e si ta p o i n ts o u r c e e x p e r i m e n t sb yi m p u l s i v es o u r c eo r ea l s oc a r r i e do u tf na c o m m o nr o o m r e f l e c t i o ne x p e r i m e n t sf o rd i f f e r e n ta c o u s t i cm a t e r i a l sh o v eb e e n c o m p l e t e db yt h eg e n e r a t e ds o u n dp u l s e s t h er e s u l f 3s h o wt h a tr e f l e c t i o n w a v e so r en o ts a m ef o rd i f f e r e n tm a b 3 r i a l st h a tp r o v et h el n f o r m a t i o no f s o u n da b s o r p t i o nc h a r a c t e r l s t i c so r ec o n t a i n e dl nt h er e f l e c t i o n s t h i sl st h e t h e o r e t i c o lf o u n d a t i o no ft h et i m e - d o m a i np a r a m e h c e ri n v e r s i o nm e t h o d e x p e r i m e n td a t as h o wt h es i g n a l so fr e f l e c t i o na n dj n c i d e n c eo r es e p a r a t e d j u s tc o n n e c t e do ro v e r l a p p e dd u et ot h ep o s i t i o no ft h em i c r o p h o n ea n dt h e r e f l e c t o r , w h i c hl sc o n s i s t e n tw i t ht h e o r e t i c a lr e s u l t t h em e t h o do fp u l s et r a n s i e n ts u p p r e s s i o nh a sb e e nd i s c u s s e d t h e f o r m u l ao ft r a n s d u c e ri n p u tv o l t a g eh a sb e e nd e d u c e df r o mt h ee q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e l t h ef e a s i b i l f t yo ft h i sm e t h o di sv a l i d a t e db ys i m u l a t i o na n o l y s i s k e y w o r d s ：s o u n da b s o r p t i o nm e a s u r e m e n t i m p u l s i v es o u n ds o u r c e f r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t o n s p u l s er e f l e c t i o ne x p e r i m e n 匕 p u l s et r a n s i e n ts u p p r e s s i o n f i n a n c i a ls u p p o r tb yg r a d u a t es t a r t i n gs e e df u n do fn o r t h w e s t e r n p o l y t e c h n i c o lu n i v e r s i t y ( g r a n tn o ，z 2 0 0 5 0 5 ) a n dt h en o t a r i a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d o t o no fc h i n o ( g r a n tn o 1 0 6 7 4 1 1 1 ) o r eg r c t e f u l l ya c k n o w l e d g e d m 2 0 0 7 年3 月 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业火学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 八有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：幺金主丝 弦；舄b 指导教师签名 俊秀 删7 年j 月日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：熔地 加1 年岁月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究的背景及意义 吸声系数反映了吸声结构的宏观声学性能，是噪声治理工程中选用声学 结构的重要理论依据。吸声系数与材料的特性阻抗以及声学结构( 厚度、被 衬等) 密切相关，是入射波频率和入射角度的函数。在局部反映条件下，它 取决于端面的法向声阻抗率。 长期以来，吸声测量技术的研究始终是一项重要的基础性工作。常用的 测量方法是实验室方法，测量结果给出待测样本的一般吸声特性，但与实际 使用环境，特别是一些极端环境如存在流场、有温度和压力梯度或高声强等 条件下的吸声特性有很大差别。随着现场测量的要求，一些近代自由场方法 ( 如脉冲回波法) 有了较深入的研究，但现有方法一般需要将反射波与入射 波分离，而且是在频域处理数据，难于实现在实际测量环境，特别是极端环 境中进行吸声测量。近年来，一些适用于在线吸声测量的方法，如时域参数 反演方法等逐渐发展起来。 下面对这些方法做一些简单介绍，以说明本文研究的背景和意义。 1 吸声测量的实验室方法 这是一种最常用的传统测量方法，主要有阻抗管法和混响法。阻抗管法 包括驻波比法和传递函数法。 驻波比法【l 】( s w r ) 利用阻抗管中平面波形成的驻波波幅比值，确定样 品的法向吸声系数、反射系数、表面声阻抗和声导纳。该方法测量精度较高， 但它要求以纯音为测量信号，测量步骤较为烦琐和费时。 传递函数法【2 】( t i t ) 采用具有平稳性和各态遍历性的宽带随机信号激励， 通过测量驻波管壁上两双传声器位置处声压时域信号，对采样信号经过傅立 叶变换以获得传递函数，进而计算吸声系数等参数。该方法理论推导严密， 测量速度快，但有两个主要缺陷：一是要求双传声器通道的相位匹配，二是 对测量频率有所限制。针对第一个问题，c h u 3 】提出采用伪随机噪声( m l s ) 作 为激励信号，用单传声器顺序测量，保证了前后两次测量时声场一致。俞悟 周等【4 】进一步提出三点测量方法，其要点是借助第三点所得额外数据提高计算 精度。由于驻波管管长和管径的限制，测量频率总是有一定范围。 阻抗管法的优点是直接测量获得法向吸声系数等，然而它需要一个特制 西北工业大学硕士学位论文 的阻抗管。由于受声管内径的限制，这种方法主要用于研究比较小的吸声材 料，无法正确观察和研究吸声系数依赖于吸声材料尺寸及边界条件的影响。 再加上管长和管径的限制，测量频率( 特别是低频) 有一定范围。另外，它 只能测量垂直入射吸声系数。 混响室法【5 】通过测量有无样品时房间的混响时间，确定样品在扩散声场中 的吸声系数。它能测量声波无规入射时的平均吸声系数，可以是大样品和非 均匀材料。然而，它需要专门的、花费高的混响室。而且，不能仅仅从吸声 系数导出准确的复阻抗。另外，由于混响声场扩散程度以及材料边缘效应的 影响，各混响室对同一材料吸声系数的测量结果有时差别很大，而且吸声系 数随材料面积及测量位置的变化也很大，在中高频段得到的吸声系数有时会 大于1 p e l l a m 6 首次尝试从散射理论出发，推导了有限宽度的无限长条材料 的吸声系数。d a n i e l h 给出了有限大材料与无限大材料吸声系数的关系。贺加 添嘲分析了声场扩散对吸声系数的影响关系，提出了一些解决扩散问题的可能 途径。 显然，驻波管法和混响室法都属于实验室方法，因为需要为“测量”创 造一种特殊的“声环境”，如驻波、扩散声场等，其理论依据是吸声系数定义 中的简谐信号和平面波的假设条件。虽然这两种方法已获得广泛的应用，也 有相应的测量标准，但是，由此测量方法获得的吸声系数往往不能准确地描 述声学材料实际应用时的声学特性，其原因是：( 1 ) 实际应用条件通常不满 足实验室测量所要求的特殊声环境；( 2 ) 吸声系数与实际使用时的安装条件 密切相关；( 3 ) 在有些应用环境，如流场中，有温度和压力梯度或高声强等 条件下，实验室不能方便准确地模拟实际应用环境；( 4 ) 实验室测量通常在 低频时误差较大。 由于实验室方法测量的结果与实际使用环境有一定差别，所以发展现场 吸声测量技术成为一个非常重要的研究课题。 2 现场吸声测量方法 在吸声测量实验中，具有3 4 0 m s 速度的声波在短时间内可以到达包括待 测样本和周围环境在内的所有区域并形成多次反射。因此，待测表面的反射 信号很容易被其它反射波污染，且往往难于从入射信号中分离出来。所以， 现场测量大多选择时间与空间延续短暂、便于信号记录的脉冲信号。而且， 短脉冲包含着丰富的频率成份，可以同时获得较宽频带范围的待测物理量。 正由于此，近代现场吸声测量技术主要采用脉冲回波方法( e c h o i m p u l s e m e t h o d ) ，根据所采用的声脉冲和所采取的信号处理方法不同，形成了几种不 同的技术方案，它们的主要特点是： 2 第一章绪论 基于i d l s 序列的脉冲叠加法( s u b , a c t i o nt e c h n i q u e ) 使用m l s 作为测量信号的主要优点是可以改善背景噪声的干扰，该技术最 早可追溯到上世纪三十年代，现代的基于 i l s 序列的测量装置从上世纪九十年 代开始出现【9 i2 1 。其假设条件是平面波法向入射或斜入射，有两个测量步骤： 首先在自由场测量入射波( 包括可能的环境反射) 作为参考信号；其次在反射 面附近( 愈近愈利于斜入射情况) 布放单传声器测量反射前后的声信号。利用 “时间窗”并将两次测量信号相减获得反射波时间序列。将入射与反射信号做 傅立叶变换，计算复频域的反射系数和吸声系数。文献 1 0 ，1 1 3 表明：对垂直入 射，低于2 5 0 h z 的测量结果是不准确的。这种方法需要的用于l m s 序列的声源 发射与数据采集系统在技术实现上并没有很大困难，然而，在进行吸声系数计 算时，要求将反射波与入射波分离。为此，需要进行自由场测量获得参考信号。 同时，需要采用“时间窗”去除边缘或环境等附加反射信号。而且，数据处理 在频域完成，涉及时频转换时的信号处理与补偿问题。目前，此方法已成为某 些测量标准( 如e u r o p e a ns t a n d a r d p r e n v1 7 9 3 5 ) 的理论基础，同时有商业软 件( 完成自动“加窗“处理以及反射系数吸声系数计算等) 可以在测量中使用。 传递函数法( t r a n s f e rf u n c t i o n m e t h o d ) 在这种测量系统中，使用m l s 序列作为脉冲声源，通过测量脉冲响应而获 得传递函数，再计算吸声系数 1 3 - 1 5 】。假设条件是球面波掠入射，测量时声源不 能靠近反射面。有两个测量步骤：一是远离反射面测量从扬声器到传声器的脉 冲响应，并做加窗处理作为参考信号；二是在反射面附近布放传声器再次测量 脉冲响应，并做加窗处理。将两次脉冲响应做f f t 并相除，获得从扬声器到传 声器的传递函数，利用球面波传播规律，可以计算反射系数。该方法与脉冲叠 加法的原理有所不同，但测量步骤基本一致，所以存在的问题也是类似的。文 献 1 6 对以上这两种方法有详细的对比分析。 扩展脉冲技术( s t r e t c h e dp u l s et e c h n i q u e ) 为了改善单一脉冲测量时的信噪比问题，k i m u r a 等提出利用一种扩展脉 冲技术”1 9 1 。该脉冲经过一个逆滤波器压缩后就成为一个短脉冲，经加窗处理 获得反射信号。对硬、软两种表面的反射信号做频谱分析，利用功率谱之比计 算出该入射角时不同频率的吸声系数。该技术除要解决好用于扩展脉冲声源发 射和数据采集问题，以及反射波与入射波的分离问题外，涉及的主要问题是逆 滤波器设计与时频域信号处理。 与传统实验室方法相比，脉冲回波法不需要特殊的声场环境，适用于现场 测量。然而，将这些技术用于实际测量时，对小尺寸样品降低测量频率并提高 西北工业大学硕士学位论文 测试精度是需要解决的关键问题。因为这些方法要求在接受信号中将入射波与 反射波能够有效地分开，且不受衍射波的干扰。在吸声测量实验中，通常情况 下传声器采集的声信号时间序列为：入射波、入射波+ 反射波、衍射波。为减 小边缘衍射的影响，一般要求样品短边至少为测试波长的5 倍【2 0 l ，因此，吸声 测量方法有低频限制。为了加大入射声与反射声的声程差，需要将传声器远离 样品，但为了反射声脉冲与边缘衍射波的分离又要求传声器靠近样品表面。对 于大样品，采取传声器远场测量方法是较为有效的。但对于小样品，传声器与 样品间距布放的矛盾不好解决。李水、朱蓓丽等f 2 1 五】同样采用了“声脉冲叠加 法”，但发现会出现反射波与入射波相消干涉现象，这时干扰噪声的影响将增 大，使误差高达3 0 。 显然，有效地缩短脉冲宽度，对入射波、反射波和衍射波的分离是大有好 处的，这涉及到脉冲生成技术。p i q u e t t e 等 2 3 , 2 4 提出了瞬态抑制 ( t r a n s i e n t - s u p p r e s s i o nt h e o r y ) 方法，改善了脉冲声信号的瞬态过程，使脉冲声 源能够辐射需要的波形完美的宽带短脉冲，朱蓓丽等【2 2 】对也对这种方法进行了 研究。他们采用等效电路方法( e q u i v a l e n t c i r c u i ta p p r o a c h ) ，参数的物理意义明 显，但需要对声源等效电路参数做精确估计。理论上讲，可以使声源发出只包 含卜2 个完美的正弦波的声脉冲。李水等【2 5 1 采用反滤波方法改进了脉冲声源， 使脉冲声更加尖锐。 脉冲回波方法属于一种自由场方法，此外，声强测量方法也可以用于吸声 测量方面。已有的研究表明：该方法固有的误差来源主要是双传声器的有限 间距和两通道的相位失配。要减小双传声器间距对测量结果的影响，要求间距 乘入射角的余弦应远小于入射声波最高频率所对应的波长，由此决定了测量的 频率范围不能太高。声强探头相位失配会严重影响测量精度，因此需要发展行 之有效的误差补偿方法1 27 1 。随着计算机与数字信号处理技术的不断发展，一些 新的方法不断被应用于吸声测量技术中。如朱从云等【2 8 】提出了一种基于倒频谱 分析的吸声系数测量方法，该方法采用稳态随机声源，单传声器测量反射前后 的声压信号，通过求采样信号的倒功率谱计算被测材料的吸声系数。 3 时域参数反演方法 从计算声学的角度看，待测的声学阻抗实际上是一个边界条件。阻抗边界 模型的建立是声场计算中需要解决的一个关键问题。模型建立后，确定模型参 数就是参数估计( p a r a m e t e r se s t i m a t i o n ) 问题，可以利用反演( i n v e r s i o n ) 方法。 在声与振动学研究领域，这类问题很多见。比如，浅海环境参数尤其是地声参 数的直接测量不仅费时、昂贵，而且很难大面积实施，匹配场反演是快速低成 第一章绪论 本获取局部海域环境参数信息的有效方法，这方面已有许多深入的研究【2 9 “j 。 结构动力特性参数反演也是一类重要问趔3 2 1 。 这种参数反演的思想也可以用于吸声测量技术中，基本思想是：在吸声测 量系统中，脉冲声源、待测阻抗面( 包括声传播通道) 与声接收阵( 传声器或 水听器) 是研究的三个因素。由脉冲声源特性和反射后的声场信息可以反演阻 抗面吸声特性( 包括声传播通道信息) 。参数估计中，频域方法研究较早，也 较成熟，但频域法一般要求数据的信噪比高，在f f t 变换时有谱泄漏现象。研 究证明，时域反演方法往往优于频域方法，特别对在线测量更有益处。 阻抗参数反演的前提是时域阻抗模型的建立和时域脉冲反射声场的理论 预测。近年来，f u n g 和j u t 3 5 健出一种满足因果性的时域阻抗边界条件。通 过对反射系数旷= ；二鲁求逆傅立叶变换，获得时域吸声系数。他们证明，当 l+z 声阻抗采用阻尼谐振子模型时，即z ( 叻= r 。+ f ( z 一，肠+ x 功，对应的时域吸 声系数是稳定的、并满足宽带要求。最新研究表n t 】：常用材料表面阻抗可由 3 或5 个以内的阻尼谐振子近似表示，一般地，时域吸声系数可以由一系列阻 尼谐振子表示为e 指数脉冲函数形式，即形( f ) = 日( 0 罗段p 椰，其中h ( t ) 是 h e a v i s i d e 阶跃函数，以和以分别是吸声系数旷的第k 阶极点和留数。显然， 当获得这些极点和留数参数后，反射面声阻抗和吸声系数也就确定了。在文献 3 7 - 3 9 中，均匀流的影响被用一种等效声阻抗表示为z 。= z o + 肘js i n 口) ， “为马赫数，口为等效入射角，它与流速有关。 建立了时域阻抗边界条件，就可以在时域解决声反射问题。j u 和f u n g h 利用t d f d 方法解算了脉冲点源在阻抗表面的声反射问题。z h e n g 和z h u a n g 1 给出了一维到三维空间阻抗边界上声反射问题一些算例的数值解。 显然这种参数反演方法解算吸声或反射系数的前提是具备性能良好的脉冲 声源，脉冲声源是该技术的关键问题。最近，j i n g 和f u n g 成功地研制了一种 脉冲声源，它可以产生几种脉冲波形并具有良好的重复性1 4 2 】。但这种声源能否 依照需要辐射特殊形状的脉冲声，使脉冲声的波形具有一定的函数关系、而且 具备需要的频谱宽度、强度、持续时间等还没有确切答案。所以，研究可控波 形的脉冲声生成技术，研制性能良好的脉冲声源是基于时域参数反演方法的吸 声测量技术能否成功应用的前提条件。 西北工业大学硕士学位论文 1 2 本文研究问题的历史和现状 综上所述，研制能产生特定脉冲声波( 即脉冲声信号的空间形状、时域波 形及频谱特征可控制) 的声源在吸声测量技术中有重要的应用。不限于此，脉 冲声源还应用于其它很多场合，如声屏障【4 3 】、室内混响特征分析h 4 1 等。 在我们周围存在大量的脉冲声。常见的有自然产生的突发脉冲噪声包括闪 电、天线和静电放电。此外，某些军事作业环境和工业生产场所经常存在高强 度脉冲噪声，即枪炮声、爆炸声、纺织厂的机梭声，机械制造业的锻、铆、冲 等脉冲声。但这些脉冲声多为使用和生产过程中伴随产生的，其波形及频谱等 都是随机的，而在一些研究应用过程中所要用到的脉冲声，其空间和时域波形、 频谱和脉宽等都有一定的要求。 在石油开采领域，脉冲声被大量应用。上世纪九十年代以前，低频脉冲声 波技术已经作为较成熟的物理采油方法而被广泛应用【4 5 】，而可控脉冲压裂技术 ( c p f ) 则广泛用于油气资源的开采，它主要通过产生可控高能气体脉冲，从而 利用天然地质裂层来开采油气【4 6 】。 针对不同应用条件，需要声源发出不同特征的脉冲声信号，因而需要各种 脉冲发生器。目前，脉冲发生器有可控波形的脉冲发生器、电火花声源、气流 脉冲发生器、触发脉冲发生器、压电陶瓷脉冲发生器、烟火制造设备和用压电 聚合物构成的单极性声脉冲发生器。它们的特点分别是： 电火花声源【4 7 】：电火花声源是将储存在高压电容器中电能瞬时在水中释放 而产生脉冲压力波的一种方式。电火花声源是一种脉冲声源，它的脉冲声功率 较大，功率峰值能达到几百兆瓦。这种声源受边界条件影响很大。用电火花发 生器做为声源时，可作为稳定宽频带噪声，也可作为可重复的脉冲声。 气流脉冲发生器【4 s l ：调制气流发声扬声器源自6 0 年代发展起来的大功率声 源，其原理类似人的发声过程。使用压缩空气作为动力源，经过一个电动的调 制，就可以将压缩空气所携带的机械能量转化为声能。吴铭权等已研制出一种 高强度可调脉冲噪声发生器 4 9 1 ，它由脉冲控制器、固态继电器、电磁阀和气流 扬声器等几部分组成，可对脉冲声的强度、脉宽和重复率进行调节，但无法调 节频谱。由于该脉冲声源主要针对高强度脉冲，脉宽一般在几十毫秒到几百毫 秒， 触发脉冲发生器：具有一定自动动作能力的电路处于静止时，为使该电路 动作所施加的脉冲称为触发脉冲。触发脉冲发生器的作用是产生和分配触发脉 冲，脉冲在时间上的调整涉及到参考脉冲由同步系统所产生。当参考脉冲与系 6 第一章绪论 统电压同步时，这些脉冲的定时必须在很大程度上不受电压畸变的影响，以限 制可能导致电压畸变加剧或造成控制不稳定的非特征谐波的产生。 在新兴的基于时域参数反演方法的吸声测量技术中，需要一种波形可控， 频谱、脉宽及中心频率可调的短脉冲声源，且要求声源要具有良好的重复性。 本文成功研制了一套可控脉冲声源，论文将详细介绍它的原理、方案及实现过 程。 1 3 本文研究的主要内容 可控脉冲声源就是要使声源能够辐射需要的脉冲声信号，并具有良好的重 复性。由于电声器件具有容易控制、重复性好的特点，因此脉冲声源系统选择 电动式扬声器为发声器件，在此基础上进行设计加工，使其声场特性同时满足 点源辐射的特点。关键技术是声源驱动信号的求解。总体技术方案是：首先获 得脉冲声源的系统特性( 即频率响应函数) ，然后提出需要的脉冲声信号，最后 解算声源的驱动信号。 由于瞬态抑制技术可以进一步改善脉冲声信号波形，它也是另外一种脉冲 声生成的技术方案，因此，论文对这种方法也进行了初步的理论研究。 围绕以上内容，本文完成的主要工作及各章节安排如下： 第二章分析了电声系统频率响应函数的求解方法，比较各种方法后选择脉 冲f f t 方法来完成实验；针对f f t 方法，讨论了测量频率响应函数时几种激励 信号，包括b u t t e r w o r t h 、c h e b y s h e v 滤波器特性函数和白噪声信号；依据吸声 测量的需求，设计了七种需要的脉冲信号，其时间长度为m s 量级。 第三章介绍了脉冲声源的设计、结构及加工；通过实验求解了声源系统的 频率响应函数，并求解获得了所需要的驱动信号；利用求得的驱动信号得到了 三种脉冲波形，长度分别为l m s 和0 5 m s 。在半消声室和普通房间进行了实际 测量，得到了较为满意的脉冲声信号。对脉冲声信号传播特性进行的实验证明： 它能够很好地满足点源辐射要求。在这一阶段，由于脉冲声源系统的发射与接 收设备采用两套设备，使得激励与响应的一一对应关系不容易准确得到，生成 的脉冲声信号两侧波形不够平坦。 第四章介绍了基于n i d a q c a r d - 6 0 6 2 e 数据采集卡的脉冲声源系统。首先介 绍了系统的硬件构成和软件功能；然后，对影响脉冲质量的多种影响因素进行 实验研究，确定了实验的最佳参数：在半消声室中得到了七种波形、质量好的 脉冲声信号，长度分别为0 5 m s 和l m s 。同时给出了在普通房间获得的脉冲声 西北工业大学硕士学位论文 信号。最后，进行了不同材料的脉冲反射实验。实验证实：不同材料的反射声 波形是不同的。传声器与反射面的相对位置不同时，反射声与直达声的时间间 隔不同，造成两个波完全分离、刚好连接或者叠加等。 第五章参照有关文献的结论，利用换能器的等效电路模型，通过电路的反 向推导，得到了输入电压的表达式。通过仿真计算，求解了水声换能器不同周 期正弦脉冲信号的激励信号。在此基础上，对扬声器系统的脉冲瞬态抑制方法 进行了初步的理论研究。 第六章对全文工作进行了总结，提出了尚须解决的一些问题。 第二章脉冲声源系统的频率响应函数与脉冲声信号 第二章脉冲声源系统的频率响应函数与脉冲声信号 本章介绍了获得脉冲声源系统频率响应函数的方法，包括频域和时域方法， 讨论了各种方法的优缺点，最终确定使用频域f f t 方法。研究了求解频率响应 函数时激励信号的选择。提出了时域参数反演方法用于吸声测量时所需要的几 种脉冲声信号。最后，说明了利用获得的频率响应函数和脉冲声信号求解驱动 信号的过程。 2 1 脉冲声源系统传递函数的求解 2 1 1 系统函数概述 1 传递函数 若对象的特性是线性时不变的，即可用线性常微分方程来描述，假设它的 一般形式为： y “( r ) + y ”一1 ( r ) + 一l y ”2 ( ，) + + 啦夕( f ) + q y ( f ) ( 2 - 1 ) = k “押( r ) + 吒一l “( m - i ) ( f ) + + 6 l 本o ) + 6 0 ”( f ) 其中，u ( t ) 是输入量，“t ) 是输出量，在实际对象中，疗所，微分方程属于时域 描述，如果对象处在零值初始条件下，即 y ( o ) = 夕( o ) = 夕( o ) = 2 ( o ) ( 2 2 ) u ( o ) = n ( o ) = “( o ) = = 甜( m - 1 ) ( o ) 、 则式( 2 1 ) 可以变换为 ，+ + 一”2 吃s + q m = k ，+ b r a _ l s m - i + 拙+ 6 0 【，( s ) 、 令 踯，= 器= 簪岩糍 q q 称h ( s ) 为传递函数，其中s 为复变量，f = 口+ j e 。 传递函数的特点： 1 ) h ( s ) 与输入u ( t ) 及系统的初始状态无关，它只表达了系统的传输特性。 2 ) h ( s ) 只反映系统传输特性而不拘泥于系统的物理结构。 9 西北工业大学硕士学位论文 3 ) 、6 埘等系数的量纲将因具体物理系统和输入、输出的量纲而异。 4 ) h ( s ) 中的分母取决于系统的结构。 2 频率响应函数 频率响应函数是在频率域中描述和考察系统特性的。 与传递函数相比较，频率响应的物理概念明确，也易通过试验来建立；利 用它和传递函数的关系，由它极易求出传递函数。因此频率响应函数是实验研 究系统的重要工具。 频率响应函数的求法 1 ) 在系统的传递函数已知的情况下，只要令h ( s ) 中s _ j 。便可求得。 2 ) 通过实验来求得。 实验求得频率响应函数的原理： 图2 1 频率响应函数求解原理图 v 对某个q ，有一组4 = 争和鳃= 妒( j ，) 一妒( 彳) ，全部的4 一q 和仍一q ，i = 1 2 0 j 便可表达系统的频率响应函数。 也可在初始条件全为零的情况下，同时测得输入x ( t ) 和输出y ( t ) ，由其傅立 叶变换x ( 。) 和y ( m ) 求得频率响应函数h ( ( - o ) = j ，( 功x ( ) 3 脉冲响应函数 若输入为单位脉冲，即z ( f ) = a ( t ) ，则x ( j ) = 三p ( ，) 】= 1 。装置的相应输出 是y ( s ) = 日( d x 0 ) = 日( d ，其时域描述可通过对y ( s ) 的拉普拉斯反变换得 到 y ( 力= 1 7 1 【( s ) 】= h ( t ) h ( t ) 常称为系统的脉冲响应函数或权函数。 图2 - 2 三者关系 1 0 第二章脉冲声源系统的频率响应函数与脉冲声信号 2 1 2 脉冲声源系统的频率响应函数测量 脉冲声源系统频率响应函数的测量属于电声测量的范围。电声测量是电声 学中一个重要分支，长期以来一直在频域中进行，与上世纪九十年代发展起来 的时域测量相对应，可称其为频域法。频域法是一种传统的测量方法，在国内 可追朔到建国初期，南京大学的魏荣爵教授根据国家需要，带领南京大学的教 师研制了远程广播用的号筒扬声器，号筒长1 5 米，口径1 米，声的传播距离 可达1 0 公里，在对金门马祖广播中发挥了重要作用【5 们。当时国内还没有消声室， 电声测量则采用频域法在露天自由声场中进行。 九十年代前后，随着数字技术，尤其计算机和数字信号处理技术的发展， 一系列的非消声室测量方法相继出现，并逐渐被广泛应用。如k a t e s 和b e r m a n 以及新田恒雄f 5 1 l 等人提出的脉冲法非消声室测量技术，该方法用l o 微秒的窄矩 形脉冲作激励信号，以快速傅氏变换( f f t ) 为基础来测量电声器件的电声性能。 又如时间延迟谱技术也可在普通房间进行电声测量，用该方法测量时，加在扬 声器上的电信号快速从高频扫到低频，由于空间传播的声程差，使得直达声与 反射声到达测试传声器的频率不同，只要使传声器接收到的信号通过同步扫频 的低通或带通滤波器时把滤波器的中心频率调整在直达声的频率处，并使带宽 足够窄，就可实现非消声室测试。尽管上述技术可以不用消声室，但其低频下 限频率受到限制。 1 频域方法 频率响应函数测量的频域方法有脉冲f f t 方法和m l s 序列法。 1 ) 脉冲f f i 法 - y t ) ，、，、 ，一 t v ”v ii v v 7 卜t 1 叫i 。l 、 17 i 卜t 2 一 f t 法原理图 西北工业大学硕士学位论文 脉冲数字测量法出现于1 9 7 3 年，其测量在时域进行，从傅立叶变换的角 度，“时域”和“频域”是等效的，系统的冲击响应而( f ) 同频率响应函数日( ) 互 为傅立叶变换，日( 叻的实部即系统的频率响应，所以测量时使用窄脉冲( 例如 1 0 u s 方脉冲) 激励时，扬声器输出波形经f f r 就得到系统频响。由它实现非消 声室测量，即对时域波形加时间窗，使反射声限制于窗外。这样，直达声和第 一次反射声的时间间隔应大于可测低频信号的周期，距离声程差应大于波长。 举例说明：当测量传声器离扬声器为1 米时，要达到1 0 0 h z 时房间最小尺寸( 如 高度) 需要4 5 米，2 0 0 h z 时2 6 米，所以一般说，在普通房间只能实现2 0 0 h z 以上的测量。具体测量原理如图2 - 1 所示。对脉冲f f t 技术的优缺点可以概括 如下： ( 1 ) 实现非消声室测量的低频极限受房间大小的限制。 ( 2 ) 脉冲信号的信噪比低，用同步相加法只能稍微有改善。 ( 3 ) 低端测量的频率分辨率与f p t 计算时每帧取数有关。需用细化方法改 善低频分辨率。 2 ) m l $ 序列法 用最长序列( m l s ) 测量线性系统脉冲响应的基本