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声学与水声学实验

声学与水声学实验. 主讲：许鹭芬 ( lfxu@xmu.edu.cn ). 任意波形发生器. 实验目的 ★ 熟悉任意波形发生器，用任意波形发生器产生常用波形信号，并学会使用软件产生需要的任意波形信号. 实验原理. ★ 采用任意波形发生器内置的常用信号，只需要设置发射波形类型、频率、幅值，即可产生我们需要的常用信号，如正弦波、矩形波、三角波以及 sinc 等特殊函数波形。 ★ 将任意波形发生器连接电脑，可利用配套软件绘制出任意我们需要产生的波形（甚至不规则的）并下载到任意波形发生器上产生波形。. FFT 分析仪的应用. 实验目的

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声学与水声学实验

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Presentation Transcript

  1. 声学与水声学实验 主讲：许鹭芬(lfxu@xmu.edu.cn)

  2. 任意波形发生器 实验目的 ★熟悉任意波形发生器，用任意波形发生器产生常用波形信号，并学会使用软件产生需要的任意波形信号

  3. 实验原理 ★采用任意波形发生器内置的常用信号，只需要设置发射波形类型、频率、幅值，即可产生我们需要的常用信号，如正弦波、矩形波、三角波以及sinc等特殊函数波形。 ★将任意波形发生器连接电脑，可利用配套软件绘制出任意我们需要产生的波形（甚至不规则的）并下载到任意波形发生器上产生波形。

  4. FFT分析仪的应用 实验目的 ★通过本实验学会利用数字示波器将输入的时域信号进行频谱分析

  5. 实验原理与方法 ★由信号发生器产生信号，作为数字示波器的输入源，利用数字示波器内置的傅立叶变换模块功能，将其转化为频域上的分布图像，确定其频率成份。

  6. 用声级计测量噪声 实验目的 ★了解噪声的量度和评价，熟悉用声级计测量噪声声级的方法。

  7. 实验原理与方法 ★定义噪声声压级Lp=20lg(P/P0) dB 噪声对人影响大小，要由人们主观感受来衡量，人耳听声，虽说声压越大，声音越响，但声压与人耳感觉的响度并不是成正比关系，而是成对数关系。 ★测量方法：噪声源发出的噪声，由声级计直接测量。

  8. 脉冲循环法测量液体的声速 实验目的 ★了解脉冲循环法测量声速的原理和具体实施方法 ★了解声速与水媒质的温度、盐度和压力的依赖关系 ★学会声速测量数据的分析和处理方法，并找出它的经验公式

  9. 实验原理与方法 ★脉冲循环法测量声速是以测量某一固定距离L之间声传播所需的时间T为基础 C=2L/T=2L×f ★纯水中的声速 C=1402.3+4.95T-0.55T2+0.00029T3

  10. 舰船及海洋环境噪声的频谱分析 实验目的 ★了解舰船及海洋环境噪声频谱的基本特性 ★掌握噪声信号的采集及频谱分析的基本方法

  11. 实验原理与方法 ★海洋噪声来源：动力噪声、冰下噪声、生物噪声、地震噪声、工业噪声 ★舰船噪声的频谱特性 机械噪声：主机、辅机和各种空调设备产生的机械振动，它通过船壳辐射到海中 螺旋桨噪声：螺旋桨转动产生水介质空化引起的空化噪声，及它的划水声和涡流声 水动力噪声：水流过船壳产生的摩擦及附件产生共振所辐射的声音

  12. ★海洋噪声是由各种原因产生的，并且受到许多因素绵影响。整个噪声级的变化趋势是随f增加而下降，在1Hz到100KHz范围内变化120~103dB，但就某一频率而言，其动态范围在40~60dB，在低频段，一般下降较陡，每倍频程下降8~10dB，在100Hz~20KHz范围是目前水声工作中较常用的频段，它的噪声级高达60~70dB，与风力大小关系最密切，低频段还与舰船噪声的大小有关，一般随频率的增加而下降。在高频段的风噪声，反而随频率增高而增强，每倍频程增大6dB★海洋噪声是由各种原因产生的，并且受到许多因素绵影响。整个噪声级的变化趋势是随f增加而下降，在1Hz到100KHz范围内变化120~103dB，但就某一频率而言，其动态范围在40~60dB，在低频段，一般下降较陡，每倍频程下降8~10dB，在100Hz~20KHz范围是目前水声工作中较常用的频段，它的噪声级高达60~70dB，与风力大小关系最密切，低频段还与舰船噪声的大小有关，一般随频率的增加而下降。在高频段的风噪声，反而随频率增高而增强，每倍频程增大6dB

  13. 浅海声脉冲传播包络起伏特性 实验目的 ★掌握声波在浅海传播时包络幅度起伏的测量方法 ★学会使用数理统计方法分析声脉冲包络幅度起伏的统计特性 ★了解浅海信道声脉冲传播中包络幅度的统计特性随距离的变化规律

  14. 实验原理 声信号在海中传播时，海水介质的参数随时间和空间变化、海面起伏不定、海底不平整以及海中湍流等因素，使声场变得复杂化，不但引起声脉冲参数产生随机变化，而且还削弱了声场中的相干分量，特别是浅海信道存在显著的多路径效应，它来自海面和海底单次或多次散射或反射。当接收距离加大时，问题更为复杂，这时由直达和海面海底反射来的声波程差减少，多路径信号的间隔就变得小于声脉冲的宽度，以致接收信号成为到达该点的各途径信号的叠加。

  15. 实验方法 由于实验室暂没有在海上实验的条件，本次实验在室内水池模拟海水环境进行测量 1.由信号发生器产生一脉冲，通过换能器在水池中传播 2.利用水听器接收信号，量出水听器与换能器的距离，同时不断使换能器进行小位移移动，以模拟海洋环境 3.水听器接收到的信号经过放大器（30dB），传送至数字示波器 4.读出接收到信号的最大峰值，随机记录150组峰值数据V1 5.水听器移动到不同的距离，重复以上步骤 6.在Excel中求方差：VARP（number1:numberN），平均值：Average(number1:numberN)。由于经过放大器，示波器测得幅度为放大30dB之后的信号，还原为真实幅度：V=Vo/(1030/10)=0.001*Vo

  16. 记录CH1信号电压值为Vi，CH2信号电压值为Vo，实际接收信号电压值为Vt,记录CH1信号电压值为Vi，CH2信号电压值为Vo，实际接收信号电压值为Vt, 则可得：50=10lg（Vo/Vt）即得Vt=Vo/105 响应级的计算：响应级L= -20lg(Vt/Vi）

  17. 水声换能器发射响应的测量 实验目的 ★掌握水声换能器发射电压响应的测量方法

  18. 实验原理 ★发射响应：在单位输入电压或电流下换能器的声源级 ★发射电压响应：Sv是发射换能器在指定方向上，离其有效中心参考距离上产生的自由场表现声压Pf与加在换能器输入端的电压V的比值 SVL=20lgSV=20lg（Pf/v）+120 ★声压Pf的测量 ★声压d的测量 有效声中心----发射换能器辐射声波远场中指定方向上某处的声压与换能器上或附近某一位置的点声源在该处产生的声压（幅度+相位）则该点声源位置为此发射换能器的有效声中心 Pd=Po/d1=Po/d-△d

  19. 实验方法 ★测量发射换能器的发送电压级 ★没出发送响应的频率特性曲线，并根据曲线求出该发射换能器的发送响应宽带

  20. 浅海通信多途效应 实验目的 ★了解多途效应的产生的原理 ★识别接收端的多途包络确定第一到达信号

  21. ★多途定义：多径效应即接收器所接收到的信号是通过直射、反射、折射等不同的路径到达接收器的。在水声信道中，多途主要是由于所辐射的信号经海面、海底单次或多次反射在接收点随机叠加而形成的，在此过程中，声波的折射决定着声线的走向。★多途定义：多径效应即接收器所接收到的信号是通过直射、反射、折射等不同的路径到达接收器的。在水声信道中，多途主要是由于所辐射的信号经海面、海底单次或多次反射在接收点随机叠加而形成的，在此过程中，声波的折射决定着声线的走向。 ★多途结构：多途和直达脉冲有的是彼此分离的，有的和直达的迭合在一起，多途的幅度总体上有随时间减少的趋势，但有的却大于直达的。 ★多途特征 1.多途出现是随机的，它在直达脉冲后，时延Td几毫秒，甚至长达几十毫秒 2.多途的和直达的脉冲，有的迭合在一起，有的彼此可分离 3.多途脉冲的幅度随时延增加总体上有减少的趋势，但有的比直达的还大

  22. 实验原理 ★多途效应：由于水声信道的复杂性，信号在水下的传播不是像在空气中那样可以准确的传播，而是由于海底、海面、鱼群、暗礁等物体的反射或者折射使得接收端的接收器收到的信号不会是一个完整的发射初始信号，而可能是许多由于干扰而形成的波形互相叠加而成，在接收端形成一个包络。 记录CH1信号电压值为Vi，CH2信号电压值为Vo，实际接收信号电压值为Vt, 则可得：50=10lg（Vo/Vt）即得Vt=Vo/105 响应级的计算：响应级L= -20lg(Vt/Vi）

  23. 实验方法 1.利用信号发生器产生一特定频率信号，以f=13kHz为始 2.将信号传送到换能器，并且以示波器CH1读取信号Vi到示波器 3.在一米距离处以水听器接受信号（灵敏度为30V/uPa） 4.将水听器接收到的信号经过放大器放大50dB的信号Vo用CH2读取到示波器 5.以步长为0.1KHz改变频率到18KHz并且保持距离不变测量Vi和Vo的幅度值 6.改变距离为1.5m和2.0m重复以上步骤

  24. ★多途影响 1.幅度衰落，即接收信号忽大忽小，在浅海域大尝试衰落是频发性的，时常 衰到小至无法检测，衰落的机理是：沿各途径的信号（假设为简正波）到达接收器时相位不同相干形成的，对此，用提高发射功率来改善，显然收效甚微 2.码间干扰无线电短波各径间最大相对延时差绝大多数在5ms以内，水声则不然，由于海水的声速只有1500ms,中、远距离的传播，各径间相对时差就较大，同一符号的接收信号以梳状结构分布在较宽的时间轴上，如果传播的是没有间隙的脉冲序列，多径将造成接收信号发生不同码元重叠，这给判决带来困难

  25. 水声遥控系统综合实验 ★综合实验拟设计一个水声遥控系统。 ★水声遥测遥控技术广泛应用于水下工程、水下观测等领域。由于水下多途、噪声等环境，就需要比较可靠的遥测遥控系统。本实验的任务就是设计一个水声遥控的发射接收系统，将系统搭建在实验面包上，并测试系统性能。

  26. 遥控系统概述 ★本系统是一个用于水声遥控的发射接收系统。系统主体部分构建均基于模拟及数字电路原理。系统收发换能器的中心频率为5.8KHz，要求该水声遥控系统能够辐射半径为3km的水域，采用单频FSK的调制方式（载波频率在带宽范围内）。该系统可分为发送和接收和信号处理三大部分。 ★拟设计系统的主要参数： 周期：40ms 中心频率：5.8KHz 脉冲宽度：4ms 放大倍数：105 ~106

  27. 系统电路原理图

  28. 发送部分 ★首先，系统发射信号采用单频FSK的调制方式，载波频率必须在收发换能器的带宽之内，信号初步设定为：脉宽约4ms，单个信号时长约40ms，占空比约为1/10，采用单频FSK的调制方式，载波频率为5.8KHz。

  29. 发送部分电路图

  30. 接收部分 ★前置放大电路 考虑到水声信道对声信号的衰减较大，必须在接收前端加以前置放大器。考虑到方案的易实现，前置放大电路采用TL084中的运算放大器模块构成放大电路。

  31. 接收部分电路图

  32. 带通滤波电路 ★考虑到实用性及可靠性的折中，带通滤波器的设计采用双二阶滤波器电路 ，电路图为

  33. 检波电路 ★信号滤波后必须经过检波和低通的处理才可作为初步控制输入比较器，考虑到半波整流电路性能不高，这里采用线性检波电路完成检波功能，电路图如下：

  34. 比较电路 ★检波后信号接入比较器中进行比较，比较器采用芯片LM311，该电路中通过可变电阻将比较电平设定为2.2V，这样就可以输出周期性的脉冲波形（T≈48ms）。其电路图如下：

  35. 信号后续处理部分 ★比较器输出的信号必须经过鉴宽和脉冲个数的计数以判别是否为有效的控制信号，这部分信号的处理采用单片机及相应的软件编程实现。 ★由于方波信号的周期T=40ms，脉宽τ=4ms；设置采样周期t=50μs。故一周期内采样T/t=880个数据，其中应有m=τ/t=79个“1”。

  36. 程序框图

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