声速测量实验

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声速测量实验范文第1篇

关键词：振动；噪声；发动机；瞬时转速；测量

1 振动和噪声法测转速概述

科学研究表明振动和噪声与发动机转速间存在一定关系，基于此可将其振动和噪声作为依据进行发动机转速测量依据。汽车发动机工作过程中气缸内压力处于动态变化中。气缸活塞往复运动以及曲轴旋转形成的惯性力存在周期性函数关系，同时这些惯性力也是产生噪声和振动的关键所在，因此通过噪声和振动测量发动机转速具有一定理论依据。通过生噪声和振动测量发动机转速过程中可发现发动机内部异常情况，一举多得。在实际设计过程中可采集发动机缸盖处的振动信息及噪声信息，并将采集到的信息进行比对处理，得出信息处理结果。从可行性和有效性上看利用振动和噪声进行发动机转速信息测量不仅具有一定精度，且在操作上快速方便。将振动和噪声作为测量依据不仅可提升测量结果可靠性，还可为后续测量做足准备，如在缺少转速计或无法获得转速信号情况下便可通过振动和噪声进行转速分析。

2 振动和噪声测量发动机瞬时转速系统方案

前文已经叙述通过振动和噪声进行汽车发动机信号测量具有一定可行性，且可通过该种方式判断发动机性能现状。实际设计中要求振动和噪声测量系统具有结构简单、体积小、便于携带、精度高等特点，因此在设计中需结合单片机或DSP作为控制程序，本文研究的振动和噪声测量系统选取合适数字处理器作为设计基础，系统测量方案流程见图1。

2.1 传感器的选型

传感器是收集信号的重要装置，振动和噪声测量发动机瞬时转速系统中，完整传感器装置组成图见图2。根据实际情况其组成存在一定差异。如对于精度要求不高的传感器装置其中间装置可相应减少，对精度较高的传感器装置可在中间添加某些环节。

传感器对振动和噪声信号收集与发动机工作过程中输出信号与汽车位移、速度、加速度等有一定关系。汽车发动机振动信号频率带在传感器量测极限范围内，因此实际测量中应结合汽车发动机性能与工作实际情况进行选择。例如本文研究振动和噪声测量系统时经过对比、筛选最终确定传感器为接触式传感器ZD-24，该传感器自身电路可对收集信号进行预处理，其中包括信号放大处理，因此使用该传感器无需添加信号放大器。ZD-24传感器具有片状磁体装置，可吸附于磁性物质上，可促使其探头与发动机缸盖紧密连接于一起。发动机主体结构为铁质材料，因此使用该传感器可确保传感器与发动机有效接触。ZD-24传感器在测量过程中其探头测量方向与振动方向平行，当被测物体出现振动和噪声等情况时传感器可随之振动，安装于传感器探头内敏感元件便可有效感知振樱产生电信号，经电路被输出。

2.2 安装点选取

测点选择与测量质量息息相关，与后续测量处理工作有重要关系。作为信号收集核心点，安装点是提取振动和噪声信号的窗口。选择安装点时需遵循两个原则，其一是充分反映被测对象实际状况，且信号稳定，对发动机故障信息较为敏感；其二是安装点便于安装测试，且不会对发动机运行造成影响，通过对发动机各部分进行研究分析发现缸盖及机身部位较为敏感，对比机身和缸盖部位发现，这两个部位信号接收结果存在一定不同，缸盖部位传感器更易接收到发动机运行信号，信息量更为丰富，因此可将安装点选取在缸盖部位。

2.3 振动信号分析方法

汽车发动机缸盖传感器受到振动和噪声信号影响会收集到相关信息，对分析结果有用的信息受到多种因素干扰，因此需要对收集到的信号进行分析处理。信号分析主要指将收集到的信号进行有效解读，得出需要的结果，在分析过程中可将收集到的信号看作多种单个信号的分量之和，可通过分量组成情况考察信号特征。信号处理主要指将一个信号加工成另一个信号的过程。信号测量过程中需要将信号分析和信号处理结合起来，在信号收集后需要分析信号组成，提取有效信息，在实际测量过程中可通过频域内分析方法、时域内分析方法等进行信息分析。

由于汽车发动机振动和噪声收集过程中具有一定随机性，无法对其进行人为掌控，因此受到传感器精度限制，振动及噪声信号较为复杂，频带分布宽，且振动信号和噪声信号与有用信号相关性较小，在实际分析中可找到结合振动信号和噪声信号的周期性，强化信号分析作用，相较于其他滤波方法，相关分析具有简单便捷、准确性较高特点，可有效提升收集信息任意频段噪声，快速得出结果。

3 结束语

发动机转速是其综合性能重要组成部分，测量发动机转速对汽车发动机研究有重要推动作用。转速变化存在一定规律，测量发动机瞬时转速获得相关参数已经成为判断发动机性能及故障检测重要手段。通过检测发动机振动和噪声可有效检测发动机瞬时转速，从而获得有效信息。在发动机上安装传感器及数据分析装置，并结合科学的数据处理方式获取有用信息，从而获得发动机瞬时转速有效信息。

参考文献

[1]余方.基于振动和离散频谱校正理论的发动机转速测量新方法及其实现[D].广州：华南理工大学，2012.

声速测量实验范文第2篇

聂洪（1987-）；男；民族：汉；籍贯：贵州省威宁县 就读于贵州师范大学物理学专业，本科

摘 要：测量声速方法有很多种。本文从测量空气中声速出发，比较如有时差法，共振干涉法，相位差法等方法。从实验原理，实验结果和实验误差等三方面对三种方法进行比较，从而体现改装过的时差法的一些优劣。

关键词：改装时差法，比较。

引言：

声速测量是物理学中最为常做的实验之一，其方法有许许多多种。声速测量也能更好体现物理学习过程和科学探究精神，对探索物理世界的知识的方法和更好的揭示物理现象与本质的关系。随着时间的推移科学的发展先进仪器的发明，人们对一些物理量测量越来越精确。但是每种新的方法的产生总是伴随着新优势的同时总会有些缺点。物理量测量越来越精确，如光速，重力加速度，万有引力常量等等的测量都更加精确。声速测量亦是如此。常见的声速测量方法中时差法最好理解，共振干涉法，驻波发，相位差法各具有点。声波是在弹性介质中传播的波，频率在20赫兹以下的是次声波，频率在20――20K赫兹范围内的是人耳可以闻的声波，频率在20K赫兹以上的就是超声波。每种声波对人类都有好有坏，关键是怎样认识其用途做到趋利避害，认识声波声学研究与应用涉及物理、化学、工程技术等各个领域。例如如何避免噪声、如何利用声的作用来促进化学反应、海底地质勘测（声音导航和测距）、超声探伤、超声清洗，声速的测定,在声波探伤、定伤、测距、 显示等方面都有重要的意义。

1．简单改进过的时差法

1.1实验原理

改进方法：

因为时差法测声速这实验中用到的是可闻声波，而可闻声波不是良好的线性，发散较大，波长较长，不易于定向发射等，所以测量结果误差较大。且原来的《大学物理教材实验》中时差法测声速的实验中对外界其他的可闻声波影响没有作出合理的处理方法。所以本文对时差法稍作改进。改进方法是在实验装置图中在扬声器和传声器之间加塑料管，其作用是防止外面的声波干扰，能起到很好的效果，粗细以能和扬声器和传声器弥合最好，但保证扬声器与传声器界面要严格平行，这样起到减少混响反射等影响，减少空气流动的影响［1］。

1.1.1声速描述声波在弹性媒质中传播快慢的物理量，方法有两类：

① 根据公式v=?・λ 其中?是频率λ是波长

②根据公式v=s/t,测出声波传播路程s和所需时间t即可求出速度v.即为时差法

①时差法测量声速得到广泛的应用。时差法测试声速的基本原理 是基于速度v=距离S/时间T，通过在已知的距离内计测声波传播的时间，从而计算出声波的传播速度。

②连续波由控制电路调制后定时发出一个声脉冲，由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。接收到的信号经放大、滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间，从而计 算出声波在某一介质中的传播速度。因为不用目测的方法，而由仪器本身来计测，所以其测量精度相对于前面两种方法要高。同样在液体中传播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的影响可以忽略不计，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。

③通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t，就可以计算出当前介质下的声波传播速度。

1.2实验内容

1.如图1所示，扬声器与低频方波信号发生器功率输入端相连接，频率取1到5赫兹。

2低频方波信号发生器电压输出端与数字式示波器CH1（通道1）连接，作为触发基准信号。

3.传声器（话筒）接收到声波信号，通过屏蔽线与CH2相连接，将光标1指示在第一个波峰上（示波器屏上显示通道2的波形）。

4.向后拉动传声器，此时示波器屏上（屏上显示通道2的波形）显示的波峰向后移动，将光标2指示在第一个波峰上。

5.读出光标1与光标2的时间差t，用尺量出传声器向后移动的距离s.并算出声速。

图1 改进

差分析

1.3.1 将测试方法设置到脉冲方式，将S1和S2之间的距离调至一定距离（50mm）。再调节接受增益，使显示时差法声速测量实验装置图

1.3实验数据处理及误的时间差值读数稳定，此时仪器内置的定时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值和显示的时间值li-1、ti-1 (时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出)。移动S2，同时调节接受增益使接受信号幅度始终保持一致。记录下这时的距离值和显示的时间值li、ti。则声速vi=（li-li-1）/（ti-ti-1）。多次测量算出vi值求平均得到结果。

数据表格

(空气温度T=130°C

(平均声速V=33802 m/s

(温度T=(t+27315)K= 28615 K 速度理论值= 33912 m/s E=｜V-Vs｜/Vs×100%=032%

1.3.2 不确定度的处理

(实验结论与理论值的比较，记录室温t（℃），在室温t下，忽略空气湿度的影响修正值为：v′=v01+tT0

（式中T0=27315K，v0为温度为T0时声速，v0=33145m/s。）

(把测得的波长λ值，求出声速实验测量值v，分别用绝对误差报告测量方法的实验结果结论：1 时差法测声速易于理解。

2 改进过的时差法避免了空气流动对结果的干扰。

3 声波从波疏介质正人射到波密介质其反射波存在半波损失。（作者单位：贵州师范大学物理与电子科学学院）

参考文献：

［1］ 潘正元、冯壁华、于瑶．大学物理实验［M］．南京：南京大学出版社，2002

［2］ 丁慎训，张孔时．物理实验教程(普通物理实验部分)［M］．北京：清华大学出版社，1992

［3］ 钱士庄 戴斌江都市仙城中学,江苏江都225200 考试周刊

声速测量实验范文第3篇

关键词：物理实验;教学方法;实验思想;问题解决能力

中图分类号：G427 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）43-0141-02

美国心理学家、哈佛大学教授威廉・詹姆士说过：教育的目的是培养满足各种生活状况的能力。教师是实现教育目的的主体，其责任除了传授知识，更重要的是培养学生的能力。因此，教师如何在教学过程中，围绕“提高学生能力”这一核心采取有效的教学方法，培养学生的素质和提高学生的能力尤为重要。每门课程都有其课程体系和相对应的教学方法。

物理学是一门实验科学，《大学物理实验》课程的目的是利用实验仪器，通过合理的实验设计方案，采用一定的实验方法，让学生通过亲自动手去验证、发现、探究物理学规律，从而巩固所学物理知识，培养学生的科学思维习惯，提高发现问题、解决问题的能力。因此，教师在教学过程中如何培养学生的科学思维，通过课程学习和实践训练，继而提高解决问题的能力，是摆在实验课教师面前的重要课题。本文主要阐述教学过程中教师围绕如何培养学生的科学思维习惯、正确提问和解答，从而提高他们应对不同状况的能力，并取得较好的教学效果。

一、重点内容“问题化”

心理学实验研究表明，提问可以引起注意，不同的问题可以引导人们向不同的方向思考。因此，问什么问题很重要[1]。对于教学来说，每节课都有其重点内容，如何使学生在短暂的时间内尽快掌握其重点很关键。教师在上课前应设计一些覆盖教学重点的问题，让学生回答，引导他们思考，寻找解决问题的答案。

例如，弗兰克赫兹实验的重点是：在理解波尔理论的基础上，通过原子和电子碰撞的方法，实现原子状态的改变，从而在原子状态改变的时刻或者说原子从基态向激发态跃迁的时候测到原子的第一激发电位[2]。为了让学生在有限的课堂时间内抓住实验重点，在讲弗兰克赫兹实验时，教师可要求学生依次回答以下几个问题：（1）实验目的是什么？（2）实验原理是什么？（3）实现原子状态改变方法有哪些？（4）怎样实现电子和原子的碰撞？（5）如何确定电子和原子碰撞的时刻，从而测出原子的第一激发电位等问题。通过一系列的提问，让学生明白：实验目的是测量亚原子的第一激发电位;要想测到第一激发电位，根据波尔理论，必须让原子状态改变（从基态向激发态跃迁）;实现原子状态改变的方法是：让具有一定能量的电子和原子发生碰撞，将能量传递给原子，从而实现原子状态的改变。最终，利用弗兰克赫兹实验仪完成上述过程，实现预定的实验目的。

这会让学生在回答问题时不知不觉地跟着教师设计好的思路思考和解决遇到的问题。整个过程可以总结为：引导性提问―引起注意―关注性思考―寻找答案―掌握重点。经过不断的训练，学生会逐渐养成设问―解答的习惯，抓住问题的重点和解决问题的方法，有助于培养学生的科学思维习惯和实验思想，从而提高其有效解决问题的能力。

二、解决问题“方法化”

提问是为了引起学生对重点问题的注意和重视，方法是解决问题的必经之路，物理实验注重实验方法，实验方法设计巧妙，就能很好地达到实验目的。每一个物理实验，都会有自身的一套实验方法用来测量相关的物理量。在选用实验方法，进行实验设计，编排实验或在实验中进行调节和测量时，具有普遍意义的思想称为实验思想[3]。物理实验课程的教学目的是：通过课程训练，培养学生的实验思想和科学思维习惯，提高解决问题的能力。因此，在教学过程中，如何引导学生主动寻找解决问题的方法，显得十分重要。

比如，测空气比热容比采用绝热膨胀法，电桥测电阻运用对称测量的方式，声速测量采用驻波和行波法，弗兰克赫兹实验采用电子和原子碰撞方法，光电效应采用零电流法等。每种实验不止一种方法，上课时应充分激发学生积极思考，寻找合理有效的实验方法对提高学生解决问题的能力至关重要，有助于提高学生解决问题的能力。

例如，空气比热容比实验。为了让学生自主设计和寻找实验方法，教师可以从空气比热容比的概念出发，引导学生寻找实验方法。空气比热容比又叫绝热系数，对这个量的测量就会在绝热过程中进行。如果要测量这个量，就应构建绝热过程，从而引导学生考虑利用现有实验仪器，思考如何构建绝过绝热过程，寻找实验方法（绝热膨胀过程），进而在绝热膨胀过程中测量P、V、T三个状态量，并将其代入绝热方程求出空气比热容比。三个绝热方程，使用哪个更简单、有效，又易于实现，可让学生选择合理的测量公式，使得整个过程学生一直都在参与思考，寻找解决问题的方法，既可以提高学生兴趣，使其积极参与，也可逐步引导学生思考并寻找解决问题的方法，培养他们严谨的科学思维模式，在遇到问题时，知道首先应从哪些方面入手，如何思考和寻找解决问题的方法。在解决问题的过程中，方法很重要，如果选择合适，会获得事半功倍的效果。

三、复杂问题“简单化”

在预习实验时，由于学生看不到真实仪器，对一些实验方法和实验步骤很难明白，这就需要教师在课堂上把一些看起来比较复杂的问题简单化，以便学生在课堂上容易理解和接受。例如，声速测量。这个实验对大部分学生来说有点儿难，教师不能一开始就讲测量原理和测量方法，而应先从简单的速度概念出发：速度是单位时间内经过的位移，那么声速就是单位时间声波传播的距离，从而引出时差法。或从速度、波长、频率的关系引出声速测量的方法。如果利用声速C、频率f和波长λ间的关系：C=f×λ进行测量，那么其实验设计思路如下：（1）首先产生一种超声波;（2）测出超声波f;（3）测量超声波波长λ;（4）计算声速C=f×λ。再由设计思路出发，为大家讲解如何使用实验仪器产生超声波及其产生原理以及如何测量频率、波长，从而引出驻波法和行波法。

驻波法和行波法在测量超声波的声速时，会有很多学生并不理解它们，认为这两种方法相互独立，没有什么联系。实际上，这两种方法是确定并测量驻波波幅最大时接收器与发射源之间的距离，只是观察量不同而已。两种方法的区别在于：驻波法是通过示波器观察驻波共振时的最大波幅，行波法利用示波器观察驻波共振时两列波合成的李萨如图形，从而确定接收器的位置。所以这两种方法有异曲同工之妙。通过巧妙的设计思路，把声速测量问题进行简化，按照实验思路，寻找实验方法，并把两种方法对比讲解，使复杂问题简单化，有利于学生理解和进行实验操作。

四、专业问题“通俗化”

专业人士有时会高估自己听众的理解力，想当然地认为听众已经理解了常说的专有名词。还有一些教师在讲解时，会把本来很简单的问题复杂化，增加学生的理解难度。比如，直接提问：什么是示波器？它是用来干什么的？一般学生很少能直接简单地回答出来。实际上，示波器是显示波形的仪器，凡是可以转化为电信号的波形都可以在示波器上显示出来，并进行测量。物理实验涉及许多专有名词，如全息照相、示波器、分光仪等，如果能把这些专有名词通俗化，便于学生理解和记忆。例如，全息照相可以说是对物光波全部信息的记录和再现的一种照相技术。全息指的是物体表面发出的全部信息（包括光波的振幅和相位），可以很好地让学生区分普通照相和全息照相，记住全息照相的内容，了解全息照相的干涉原理和再现原理。再如，分光仪是一种分光仪器，进一步理解如何分光和测量波长等原理。因此，专业名词通俗化有助于学生理解和记忆，提高学习效率。

总之，物理实验是一门实践课程，学生在教师的引导下，通过亲自动脑和动手，在实际训练过程中，养成科学的思维习惯和正确的实验思想，寻找合理的实验方法，逐步提高解决问题的能力。教师在教学实践过程中，应始终以提高学生问题解决能力为宗旨，采用有效的教学方法进行教学，可取得很好的教学效果。其基本方法是“四化”教学法：重点内容“问题化”、解决问题“方法化”、复杂问题“简单化”、专业问题“通俗化”。学生通过一段时间的课程训练后，不但能培养出良好的实验思维习惯和提高问题解决能力，还能不断提高应对生活中各种状况的能力。

参考文献：

[1]王滟明，邹简.哈佛积极心里学笔记[M].中国言实出版社，2011.

声速测量实验范文第4篇

关键词：大型铸件；双晶探头；超声波检测；灵敏度

1.前言

铸件被广泛应用制造业中，它在各种类型的机械设备中占比较大。而在铸造铸件的过程中，常常会出现孔洞类缺陷，裂纹、冷隔类缺陷，夹杂类缺陷等，导致生产的产品不合格造成重大经济损失和安全隐患。因此，需要研究铸件无损检测技术对确保铸件的安全性和可靠性具有重要的实际意义。

当前比较有效的铸件无损检测技术包括超声检测、X射线透射检测及射线层析摄影法等[1]，它们各有其自身的特点，在铸件检测中都得到了不同程度的应用，根据具体被测铸件的材料、几何形状等特征选择合适的缺陷检测方法是很重要的。但是对于大型铸件来说，其特殊的声学特性，比如晶粒粗大、组织不致密性等，会造成超声波在传播的过程中衰减严重。如果对其采用一般的超声检测方法进行检测则很容易造成漏检和误检的危险。 因此本文采用底波衰减法对大铸件质量进行检测

2.铸件超声波探伤

超声波探伤具有灵敏度高、穿透性强、检测速度快、成本低和对人体无害等优点。检测时，超声波会从缺陷处反射而在荧光屏上出现缺陷波，缺陷波的波形及波幅因缺陷的几何形状不同而发生变化，可根据缺陷波波形特性来评判缺陷性质。

对于大厚度的大型铸件，超声检测则是很有效的，可以比较精确地测出内部缺陷的位置、当量大小和分布的情况。铸件内部组织粗大、致密性差，致使超声波的衰减大、穿透性差。超声波在粗大的晶粒界面上会产生杂乱的晶界反射，使声能衰减严重，检测频率越高衰减越大，由晶界反射产生的杂波干扰越严重，因此，在铸件检测时，一般选用较低的超声波频率。经过表面加工的铸件可用机油作偶合剂采用直接接触法进行超声检测，表面粗糙的铸件可采用水浸法。对不同类型和材质的铸件进行检测时，除内部质量好的铸件可采用反射法外，一般采用底波衰减法，根据底波衰减的程度来评价铸件质量。

3.实验分析

对铸件进行超声检测时，一般要对声速、声阻抗和材质衰减系数等声学参数进行测定，以便于选择K 值、频率、晶片尺寸等探头参数。但同种材料不同工件的声学特性参数都有细微的差别。因此，下面就其声速和声阻抗进行了测量。

3.1大型铸钢件声速的测量

声速的测量有很多方法，如共振法、示波器法和用测速仪直接测试等。本文采用PXUT-27型数字探伤仪对工件进行示波器法声速测量。

测试原理为：

3.2大型铸钢件试样检测

影响探头检测效果的因数很多，检测效果是否达到最佳状态需要经过实际测试才能获取，所以检测时采用不同频率的探头分别调节一下灵敏度以选择适当的频率参数。

3.2.1 频率的选择

对铸件检测来说探头频率的选择是最为重要的工作之一，检测频率一般为0.5～5MHz。厚度较大的可在此范围内选择较低一点的频率，厚度较小或经过晶粒细化处理的工件可在此范围内选择较高一点的频率。

按照 3.1 节中测量的声速我们可以算出超声波在不同频率下在工件中的波长。当？=1.25MHz 时，λ=4.76mm；当？=2.5MHz 时，λ=2.38mm；当？=5.0MHz 时，λ=1.19mm。利用 PXUT-27 型数字机在不同的频率对探伤灵敏度进行了调节。调节灵敏度是先按照工件两平行面的底波来调整，再按照φ2当量的平底孔进行修正。

3.2.2 探头选择和扫查方式

对于外径和厚度较大的管类铸件其受力部位一般都在管的内表面，如果管的外壁较为光滑耦合较好，则除了在两端面用直探头扫查外还要从管外用直探头和斜探头径向扫查，斜探头要正反两个方向扫查，以便发现不同取向的缺陷。但是大型铸件的外表面一般很粗糙，模砂和坑凹很多探头难以耦合，遇到这种情况可以从内表面径向探测。但是一般的直探头有一定的盲区和始波占宽，很难保证内近表面缺陷的检测，如此可选择双晶直探头从内表面进行扫查。

双晶探头尺寸参数的也很重要，主要是根据工件的形状和尺寸来选择。对于曲率半径大或厚度较大的工件可选择较大的晶片尺寸；对于曲率半径较小的工件则要选择小尺寸的晶片，如果选的过大则耦合不好。

用两种不同的双晶探头，一种晶片为 1-3 压电复合材料）对工件的离内表面不同深度的φ3 长横孔进行了扫查。

普通的 PZT 双晶探头对 5mm 深的孔也难以分辨，而1-3 压电复合材料双晶探头对深度为 5mm 的孔能很好的分辨出来且波形很尖锐。这是因为 1-3 压电复合材料晶片有高阻尼、低机械 Q 值等优良特性，使回波的波形尖锐而且可以很好的抑制杂波。

4.结论

本文采用底波衰减法研究大铸件超声波探伤，得出以下结论：

（1） 测试出大型筒类铸钢件的声速为5955m/s，材质衰减系数为0.071dB/mm。

（2） 说明了探测大型铸钢件时选择探头频率的原则，在大致确定频率范围的情况下，要根据灵敏度的要求从低频到高频逐个选择探头进行调节，以确保在灵敏度满足要求的条件下尽量选择频率较低的探头进行检测。灵敏度的调节一般是根据被检工件的两平行底面的底面波来调节，以保证材质的同一性。探头晶片的尺寸要根据工件的大小和形状来选择，主要是要满足能量和耦合的要求。

（3） 针对文中所涉及的筒类铸件，介绍了探头和扫查方式的选择原则。除了平行端面要用直探头双面扫查外，当外表面光滑时从外表面用直探头和斜探头扫查，当外表面粗糙时从内表面用双晶探头扫查。

（4） 使用1-3压电复合材料晶片可以有效地抑制草状回波而且可以锐化波形。

声速测量实验范文第5篇

【关键词】时域格林函数 噪声互相关函数经验模态分解

1 引言

近年来，国外许多研究证明，对两个接收点记录到的长时间的海洋环境噪声进行互相关处理，得到的长时间互相关函数可近似表示这两点之间的格林函数。2004年，Roux, Kuperman首次通过实验证明，使用海洋环境噪声可近似地估计两点之间的时域格林函数（TDGF）的波前到达结构。随后，国外许多研究机构对使用NCF提取TDGF的技术及其应用进行了研究。而国内对于该方面的研究基本都处于起步阶段，对这方面的研究报道也不多见。

实际上，在海洋中每个独立噪声源产生的声场中，声波经过长距离传播后在不同的两个点接收到的噪声信号是相关的，只是这种微小的相关成分，被整个海洋中广泛分布的非相关声场所淹没。然而，对两个接收点记录的海洋环境噪声进行长时间的互相关处理可以将这种相关成分提取出来，得到的相干波前与格林函数的结构一致。本文的主要工作是利用海洋环境噪声提取格林函数，将经验模态分解(EMD)与波束形成相结合的方法应用到格林函数提取中以提高信噪比,优化提取方法，并进一步进行声速反演。

2 原理与方法

2.1 NCF与TDGF的相似性

本文采用了如下海洋模型，仅有一层水体覆盖于半无限大的海底之上，且水体、海底的密度以及其中的声速分别为ρ1，c1(z)，ρ2，c2(z)，海面为压力释放界面，海底为刚性海底。

图2.2.1为 噪声场模型示意图，噪声源平面位于海面下深度z’处，海洋中的两个点分别位于(r1,z1),(r2,z2)处

图中海洋的声学环境可看作一个波导。海洋当中位于深度z1和z2，水平间距为R的两个场点之间的格林函数可以用简正波形式表示为：

Gω(R,z1,z2)=(knR)

（2-1-1）

其中，ρ为声源所在处的海水密度，S(ω)为声源的频谱。对式（2-1-1）进行逆傅立叶变换，就可以得到时域格林函数（TDGF）的表达式：

Gt(R,z1,z2)= dωGt(R,z1,z2) exp(iωt)（2-1-2）

上面已经得到两点之间时域格林函数（TDGF）的表达式。若表面噪声源被等效为位于深度 处的一个布满点噪声源的平面，海洋环境噪声互谱密度的表达式可以表示为：

Gω(R,z1,z2)=

（2-1-3）

其中，Q2(ω)为噪声源的能量谱，z'为噪声源深度，αn为模态衰减系数。

将式（2-1-1）与式（2-1-3）进行比较，可以很明显的看出，两个式子求和号之前的项为标量不影响格林函数和互谱密度函数的结构，二者求和号之后的项在结构上具有相似性，故而理论上可以采用海洋环境噪声场中两点之间的长时间互相关函数来提取格林函数。

2.2 经验模态分解（EMD）方法简介

本文使用经验模态分解方法，在对原始噪声数据进行经验模态分解，将其作为一种特殊滤波方法，提取噪声数据中的不同频段成分，再进行互相关处理，来分析其对互相关结果的影响及有效性。

经验模态分解可以在时域范围内将复杂的原始信号分解为一系列固有模态函数（Intrinsic Mode Functions，IMF），每一个固有模态函数需要满足以下两个条件：

(1)在固有模态函数的时间序列中，函数的过零点的数量与极值点的数量必须相等，或者最多只能相差一个，

(2)在任意时间点上，由该函数的局部极大值和极小值所构成的包络的均值必须等于零。

经验模态分解方法的本质是根据原始信号自身的时间尺度特征对信号进行分解从而获得信号的固有振动模态，然后根据这些固有振动模态来分解信号的时间序列。其步骤在此不再赘述。

3 实验数据分析

2012年11月15日，中国海洋大学海洋声学研究室在青岛胶州湾海域航道附近进行了海洋环境噪声采集实验。本文对海洋环境噪声时空特性进行分析，利用噪声互相关技术提取格林函数，并进一步进行声速反演。

3.1 数据预处理结合波束形成的噪声互相关

为了提取信噪比尽可能高的噪声互相关波至，需要进行单阵元数据预处理。单阵元数据预处理的内容主要包含以下几个方面：

（1）重新降频采样。满足采样定理的前提下进行降频采样，降低数据处理难度；

（2）去均值与带通滤波；

（3）时域归一化去除异常信号；

（4）频谱白化处理

经过上述几个步骤的单阵元数据预处理后，就可以将处理后的单阵元数据应用于噪声互相关处理。

由图3.1.1中噪声场的空间功率谱可见，噪声场的主要能量集中于300~1000Hz频段，且处于垂直阵俯仰角-30°~30°之间，这说明远处行船噪声在水平方向上占据了主导。这样同一垂直阵上的阵元接收到的噪声信号相位差很小，会导致提取到的噪声互相关的时间结构不准确。

为解决这类问题，前人曾使用垂直波束形成方法。实验结果证明，垂直波束形成方法可以有效提高格林函数信噪比。实验处理的结果如下。

但是这种处理方法仍有缺陷，由图3.1.2可见，在估计的时延位置附近，仍有很大的旁瓣存在，难以准确正确估计时延位置，这将会在使用某个阵元与阵列中各个阵元进行互相关提取相干波前时产生不利影响，致使无法得到清晰的相干波前，如图3.1.3所示。

为了降低这个干扰，本文采用经验模态分解（EMD）方法与波束形成方法相结合，来提高所提取到的环境噪声互相关波至的信噪比。

3.2 基于EMD的噪声互相关

使用EMD方法对噪声信号进行分解，取分解所得到的固有模态函数中的前两阶进行信号重构，再进行波束形成及互相关处理。

EMD分解得到的各阶固有模态函数，在时域函数上保留了原始噪声数据的时域变化特征，而频域上，第一阶IMF提取成分属原始噪声数据中最高频段的信号，第二阶IMF则为次高频段的信号，其余依次类推。IMF1的互相关结果分辨率要高于IMF2的互相关结果，故本文主要采用第一阶固有模态函数进行噪声互相关处理。结果如下：

可见，经过EMD分解后的信号，再进行互相关处理与波束形成所得到的噪声互相关结果信噪比很高，明显优于仅使用预处理和波束形成的噪声互相关结果。

使用此方法，计算噪声互相关所得时延，将其与估计时延进行对比，如下图3.2.2所示：

图中实线为TDGF估计的时延位置。由于所以水听器都是在同一个垂直阵上，图3.2.2的噪声互相关结果看起来正如在海面有一声源时，在声源点正下方接收到的直达信号。此时的噪声互相关结果要优于图3.1.3中仅采用波束形成方法获得的结果。

本文亦将由两个间隔4.5m阵元之间NCF提取的时域格林函数用来反演声速，并与根据温深仪记录的深度、温度数据计算出的声速进行对比。

由噪声互相关函数提取的时域格林函数的直达波至的到达时间为0.003s，而两个阵元间距为4.5m，故而反演得到的声速为4.5/0.003m/s=1500m/s，根据这个实际段内的温深数据所求得的实际平均声速为1503.1m/s，误差为0.21%左右，可见，反演得到的声速非常接近于真实声速。但由于采样率及阵元间距的限制，图中的波至到达时间已经是最高分辨率之下的结果，要取得更好的结果，需要提高数据采样率，或者提高反演时记录噪声的两个阵元之间的间距。而由于实验条件限制，尚缺乏数据进行进一步的反演。

4 总结与展望

本文使用在青岛胶州湾航道附近的噪声采集实验数据，进行了噪声互相关处理，并将经验模态分解与垂直波数形成相结合的方法应用到噪声互相关处理上来，根据结果来看，这样的方法可以明显提高噪声互相关波至的信噪比。同时本文进行了声速的反演，并与由温深数据计算得到的声速进行对比，证明反演方法是有效的且精度也较高。

参考文献

[1]P.Roux,W.A.Kuperman,and the NPAL Group,"Extracting coherent wavefronts from acoustic ambient noise in the ocean,"J.Acoust.Soc.Am.,116(4),1995-2003,2004.

[2] Roux,P.,K.G.Sabra,W.A.Kuperman,A. Roux."Ambient noise correlation in free space:theoretical approach".J.Acoust.Soc.Am.,117(1):79-84,2005.

[3]Sabra,K.G.,P.Roux,W.A.Kuperman."Arrival structure of the time- averaged ambient noise cross-correlation function in an oceanic waveguide,"J.Acoust.Soc.Am.,117(1):164-174,2005.

[4]Karim G.Sabra,Philippe Roux,Aaron M.Thode."Using Ocean Ambient Noise for Array Self-Localization and Self-Synchronization".IEEE Journal of Oceanic Engineering,30(2):338-347,2005.

[5] M. Siderius,C.H.Harrison,and M. B.Porter,“A passive fathometer technique for imaging seabed layering using ambient noise,”J.Acoust.Soc. Am.120,1315-1323,2006.

作者简介

王奉宝（1987-），男，山东省日照市五莲县人。硕士学位。中国海洋大学，水声学。