Шумомер

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение чувствительности шумомера - достигается за счет устранения влияния произвольно расположенных посторонних источников шума дальней зоны на результаты измерений. Акустическое поле, воздействующее на микрофон 1 давления, преобразуется в электрический сигнал, который усиливается и подается на первый вход первого сумматора 4, на второй вход которого подается сигнал, пропорциональный сумме сигналов шести дополнительных микрофонов 11 - 16 давления, расположенных в вершинах октаэдра , в центре которого расположен мик рофон I давления. Причем в ходе преобразования сигнала дополнительных микрофонов его фаза изменяется на 180 Над сигналом , снимаемым о микрофона 1 давления, производится операция двойного дифференцирования . На входы ртярог-) сумматора 6 подаются сигналы после двойного дифференцирования сигнала микрофона 1 давления и с выхода первого сумматора соответствен но. Коэффициент усиления второго усилителя 5 выбирают таким образом, чтобы осуществить компенсацию от помеховых источников и остатка помех дальней зоны 1 ил Ю (/

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1633291 А 1 (51)5 G 01 II 3 14

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Cl Г;1 (2 ) В

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

llO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (2!) 4445948/28 (22) 23.06.88 (46) 07.03.91. Бюл. № 9 (71) Горьковский государственный университет им. Н. И. Лобачевского (72) А. И. Борновалов, А. T. Гаврилин, А. И. Гречихин и В. П. Лебедев (53) 620.179.16(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1226065, кл, G 01 Н 3/14, 1986. (54), ШУМОМЕР (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения — повышение чувствительности шумомера — достигается за счет устранения влияния произвольно расположенных посторонних источников шума дальней зоны на результаты измерений. Акустическое поле, воздействующее на микрофон давления, преобразуется

2 в электрический сигнал, который усиливается и подается на первый вход первого сумматора 4, на второй вход которого подается сигнал, пропорциональный сумме сигналов шести дополнител..ных микрофонов 11 — 16 давления. расположенных в вершинах октаэдра, в центре которого расположен микрофон давления. 11ричем в ходе преобразования сигнала дополнительных микрофонов его фаза изменяется на !80 . Над сигналом, снимаемым; микрофона 1 давления, производится операция двойного дифференцирования. На входы второго сумматора 6 подаются сигналы после двойного дифференцирования сигнала микрофона 1 давления и с выхода первого сумматора ссютветствсн

Но. Коэффициент усиления второго у илителя 5 выбирают таким образом, чтобы осуществить компенсацию от почеховых лсточникон и остатка помех дальней зоны. I ил

1633291

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения характеристик шума отдельных частей и узлов механических систем в процессе их работы.

Цель изобретения повышение чувствительности шумомера.

Поставленная цель достигается путем устранения влияния произво.чьно расположенных посторонних источников шума дальней зоны на результаты измерений.

На чертеже представлена структурная схема шумомера.

Шумомер содержит последовательно соединенные микрофон 1 давления, предварительный усилитель 2, первый усилитель 3 с переменным коэффициентом усиления и первый сумматор 4, а также последовательно соединенные второй усилитель 5 с переменHblM коэффициентом усиления, второй сумматор 6, блок 7 фильтров, третий усилитель 8 с переменным коэффициентом усиления, среднеквадратичный детектор 9 и индикатор 10. Введенные шесть дополнительных микрофонов l l — 16 давления через последовательно соединенные третий сумматор 17, инвертор 18 и четвертый усилитель 19 с переменным коэффициентом усиления подк.чючены к второму входу первого сумматора 4.

Выход предварительного усилителя 2 через двойной дифференциатор 20 подключен к входу второго усилителя 5. а выход первого сумматора 4 — к второму входу второго сумматора 6. Микрофон 1 давления находится в центре октаэдра, в вершинах которого расположены дополнительные микрофоны 1116 давления, расстояние h между микрофоном 1 давления и любым из дополнительных микрофонов 11 --16 давления меньше или равно четверти рабочей длины волны.

Выход индикатора 10 является выходом шумомера. Микрофон 1 давления. установленный в центре октаэдра, и дополнитечьные шесть микрофонов 1 16 давления, расположенные в вершинах октаэдра, размещают вблизи источника исследуемого шума на таком расстоянии, чтобы источник полезного сигнала приходился на ближнюю зону приема, а мешающие источники шума находились в дальней зоне приема.

Акустические шумы воспринимаются указанными микрофонами давления, выбранное распопожение которых позволяет исключить фазовын набег звуковой волны и обеспечить эффективную диаграмму направленности системы указанных микрофонов, близкую к сферической, какой обладает микрофон давления.

Шумомер работает следующим образом.

Акустическое поле, воздействующее на микрофон 1 давления, преобразуется последним в электрический сигнал U, пропорциональный звуковому давлению Рь Затем этот сигнал поступает на вход предварительного усилителя 2, который предназначен для со10

55 гласования высокоомного сопротивления микрофона 1 давления с входным сопротивлением первого усилителя 3.

С предварительного усилителя 2 сигнал поступает на вход первого усилителя 3, который осуществляет усиление сигнала U .

Далее сигнал с выхода первого усилителя 3 поступает на первый вход первого сумматора 4.

Одновременно на вход каждого из шести дополнительных микрофонов 11 — 16 давления, расположенных в вершинах октаэдра, воздействует акустическое поле, преобразующееся В напряжения U2, Уз, U4, У5, U6, U, пропорциональные звуковым давлениям

Р., P;„P4, Р, Pb, Р7 в местах расположения дополнительных микрофонов соответственно

С выхода дополнительных микрофонов 11—

l6 давления сигналы U — U7 поступают на третий сумматор 17. осуществляющий суммирование сигналов U — U7. Далее суммированный сигнал U = К через инвертор 18

i-й изменяющий фазу сигнала на 180, поступает на вход четвертого усилителя 19, который осуществляет усиление инвертированного сигнала Ug. С выхода четвертого усилителя 19 сигнал поступает на второй вход первого сумматора 4, на первый вход которого поступает сигнал с микрофона 1 давления. С выхода первого сумматора 4 сигнал поступает на второй вход второго сумматора 6.

Указанная система микрофонов, состоящая из шести дополнительных микрофонов в совокупности с микрофоном, размещенным в центре системы, обеспечивает пространственное двойное дифференцирование звукового давления по каждой координате х, у, z как сигнала ближней зоны, так и помех дальней зоны. В этом случае на выходе первого сумматора 4, т. е. на втором входе второго сумматора 6, сигнал от помеховых источников дальней зоны оказывается существенно ослабленным по сравнению с сигналом полезного источника ближней зоны, так как перепад градиентов поля от источников дальней зоны слабее выражен, чем от источников ближней зоны.

Кроме того, сигнал с выхода предварительного усилителя 2 через последовательно соединенные двойной дифференциатор 20, осугцествляющий двойное дифференцирование этого сигнала, и второй усилитель 5 поступает на первый вход второго сумматора 6. Второй усилитель 5 настраивается так, чтобы осуществить компенсацию от помеховых источников дальней зоны, поступающих на первый вход второго сумматора 6 и остатка помех дальней зоны, поступающих с выхода первого сумматора 4 на второй вход второго сумматора 6. Компенсация помех дальней зоны осуществляется за счет того, что для дальнего поля производная

l 633291 по времени от давления и модуль градиента давления отличаются только множителем, равным скорости звука в среде, в то время как компенсации полезных источников ближней зоны не происходит ввиду невыполнения для них этого условия.

Более конкретно, сигнал на выходе первого сумматора с точностью до членов порядка (h/i), где i — масштаб неоднородности акустического поля, пропорционален лапласиану давления в центре системы. Для полей, возбуждаемых источниками дальней зоны, масштаб неоднородности определяется практически только длиной волны и не зависит от конкретного расположения источников. В то же время для полей источников ближней зоны указанный масштаб обусловлен градиентом интенсивности ноля и существенно зависит от расстояния до источника. В первом приближении отношение упомянутых масштабов равно л/r, где г-расстояние до источника излучения. Согласно волновому уравнению лапласиан и вторая производная по времени давления с точностью до квадрата скорости равны, поэтому сигнал на выходе второго сумматора обусловлен диспропорцией между лапласианом давления и сигналом на выходе первого сумматора. Для помеховых источников дальней зоны мера этой диспропорции определяется величиной порядка (h/Х(, а для полезного источника ближней зоны — величиной порядка (h/ã) .

Благодаря указанному различию происходит существенное подавление помех из дальней зоны, приходящих с произвольных направлений, по сравнению с полезным сигналом из ближней зоны.

Пример. Рассмотрим систему, состоящую из 7 микрофонов давления, один из которых (конденсаторный) расположен в геометрическом центре системы, а остальные — в вершинах октаэдра на расстоянии h от центра. Выберем декартову систему координат так, чтобы ее начало совпадало с центром системы, а оси х, у, z совпадали с осями октаэдра. Пусть система находится в акустическом поле, характеризуемом звуковым давлением p(r, t), где /" — радиус-вектор точки. Тогда сигналы на выходах указанных микрофонов будут равны:

И,(t)=k,р(0, t), Г/2(/) — рф t)

С/3®=йр(hi, t), U4(t)= kp(h/

U (t)=kp(hj, t)

U6(t)=kp(hk, /)

U (t)=kp< — Й, t), где ki, k — коэффициенты усиления (преобразования);

i, j, k — единичные орты координатных осей.

Выберем для определения сигнал U>(t) и запишем для него формулу Тейлора по степеням h

U (t)=kI p(0, t)+h + — + ар(о,t) h Эp<0,t) дх 2 хрФ ) !

1роведя аналогичное разложение для других сигналов, получаем для суммарного сиг9 нала Ug(t)= Uiit) на втором входе первого

t eg сумматора 4:

U (ti(ki6pi0 tl+h I < >,+ -1- t)I+

+,—,I < - + j+P

В то же время для сигнала, принимаемого на микрофон, расположенный в центре системы, и поступающего на первый вход первого сумматора 4

ki= — 6k.

20 В результате на выходе первого сумматора, т. е. на втором входе второго сумматора 6 имеем

Г/

А, Р а О"е ..

Э»

0<<0, /)<}

С другой сто" оны, звуковое давление удовлетворяет волново .у уравнению

l o р<г, t)

3 0 —, — --,— — Лр<г, =0, г е. ) a- ;r t)

Лр<г, /)= — „

С 8/где С вЂ” скорость звука в среде.

Поэтому, подбирая коэффициент усиле35 . М ния, равный — „для сигнала, приходящего

С" с выхода конденсаторного микрофона через двойной дифференциатор 20 и второй усилитель 5, получаем на выходе второго сумма40 тора 6

U„.„(t)= — — I < — + — +-()<О, tii.

kh Э" Э". а а» о " з»

Если в качестве источников используются

45 акустические монополи, расположенныс Hd координатных осях, то

2k< — h) р<0, t); ближняя зона

Г/". (т) = /, 2п/, — — ) р<0, /), — дальняя

l 2 где r — расстояние от источника.

Коэффициент изменения отношения сигнал/шум равен

4 сс = 24(— ) ..

2лг

Пусть h= ./4, а полезный источник расположен в ближней зоне на расстоянии >./3 от центра системы, при этом мешающие ис1633291

Формула изобретения

Гоставитель К. Тавлинов

Редактор С. Патрушева Техред А. Кравчук Корректор Т. Малец

Заказ 612 Тираж 313 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж вЂ” 35, РаушсКая наб., д. 4!5

Производственно-издательский комбинат «Патент>, г. Ужгород, ул. Га; арина, IOI точники находятся в дальней зоне приема и сигналы от них принимаются по произвольным направлениям. Коэффициент изменения отношения сигнал-шум составляет 1,5.

Если 6=Л/4, а полезный источник ближней зоны расположен в непосредственной близости с любым из микрофонов давления (r=h)1, расположенных в вершинах октаэдра, то коэффициент изменения отношения сигнал/шум составляет уже величину, равную 4.

Если h=r=k,/5, то а=9,4.

Из этого следует, что с уменьшением h увеличивается отношение сигнал/шум, и при

6(Л/4 выигрыш по этому критерию становится существенным. Однако уменьшение h не может быть беспредельным, так как одновременно с уменьшением h уменьшается чувствительность системы и возрастает относительный вклад собственных шумов системы микрофонов. Кроме того, значение h ограничено снизу размерами звукоприемников. С другой стороны, с увеличением h уменьшается выигрыш в отношении сигнал/

/шум, и предельное значение h не должно превышать величину Л/4. Так, например, для частоты f=5 кГц предельное расстояние

h=1,5 см.

Итак, на выходе второго сумматора 6 получают сигнал, обусловленный воздействием на шумомер исследуемого источника ближней зоны излучения при подавлении шума от источников, находящихся в дальней зоне излучения. Далее сигнал с выхода второго сумматора 6 поступает на блок 7 фильтров, который формирует требуемую амплитудно-частотную характеристику шумомера, усиливается третьим усилителем 8 и через среднеквадратичный детектор 9 поступает на индикатор 10.

Таким образом, предлагаемый шумомер позволяет повысить чувствительность, а следовательно, точность измерений характеристик шума отдельного источника ближней

5 зоны при наличии мешающих сигналов, приходящих с произвольных направлений от источников дальней зоны, за счет устранения их влияния на результаты измерений.

Шумомер, содержащий последовательно соединенные микрофон давления, предварительный усилитель, первый усилитель и первый сумматор, последовательно соединенные второй усилитель, второй сумматор, блок фильтров, третий усилитель, среднеквадратичный детектор и индикатор, а также четвертый усилитель, отличающийся тем, что, с целью повышения избирательности, он снабжен шестью дополнительными микрофонами давления, расположенными в вершинах октаэдра, в центре которого расположен микрофон давления, последовательно соединенными третьим сумматором и инвертором, двойным дифференциатором, вход которого

25 подключен к выходу предварительного усилителя, а выход — к входу второго усилителя, выходы шести дополнительных микрофонов давления подключены к соответствующим входам третьеЬ> сумматора, вход четвертого усилителя подключен к выходу ин30 вертора, а выход — к второму входу первого сумматора, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, расстояние h между микрофоном давления и дополнительными микрофонами давления определяется из условия

d(/г(Л/4, где d — размер микрофона;

Л вЂ” минимальная рабочая длина волны исследуемого источника шума.