本發(fā)明屬于測量裝置領(lǐng)域，涉及一種糧食聲波衰減特性測量系統(tǒng)，特別是涉及一種糧食聲衰減系數(shù)測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

糧食的安全倉儲是關(guān)系國計民生的戰(zhàn)略大事，具有重要的社會與經(jīng)濟意義。利用聲檢測法實現(xiàn)儲糧蟲害監(jiān)測、利用聲學(xué)CT法實現(xiàn)儲糧溫度監(jiān)測，由于它們獨具特色的優(yōu)勢，近年來備受關(guān)注。而這些技術(shù)在實際糧倉中的應(yīng)用，都需要了解、掌握不同頻率的聲波在糧食中的衰減特性。

聲衰減就是聲波在介質(zhì)中傳播時其強度隨傳播距離的增加而逐漸減弱的現(xiàn)象。聲波的衰減可采用直接或間接法測量。直接法依據(jù)接收器間的能量損失或幅度的減少來計算衰減。間接法通常是依據(jù)測得的聲學(xué)參數(shù)，如反射因數(shù)或反射能量來間接計算聲波的衰減。相比于直接法，間接法誤差更大一些，且多數(shù)情況下得到的是等效值。郭敏等人在“多種糧食聲吸收的研究”一文中采用駐波比法，張林等人在“糧食聲傳播吸聲特性的研究”一文中采用傳遞函數(shù)法，測量了封裝在阻抗管一端的樣品糧食的反射因數(shù)，進(jìn)而得到糧食的吸聲系數(shù)，即(入射聲能-反射聲能)/入射聲能。但這種吸聲系數(shù)不能反映聲波在單位長度的傳播路徑上因散射和吸收導(dǎo)致的衰減量，也無法用于實際中迫切需要的、已知傳播距離的聲波信號強度的估算。

實際中真正需要的以1/m為單位的聲衰減系數(shù)，即聲波在單位長度的傳播路徑上因散射和吸收導(dǎo)致的衰減量。只有獲得糧食聲衰減系數(shù)與聲波頻率的關(guān)系曲線，才能準(zhǔn)確地估算各種頻率的聲波在實際糧倉中的信號強度，為儲糧狀態(tài)聲檢測系統(tǒng)的設(shè)計提供技術(shù)參數(shù)支撐。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：

本發(fā)明的目的在于獲得不同頻率的聲波在糧食中的以1/m為單位的聲衰減系數(shù)，即單位長度上因散射和吸收導(dǎo)致的衰減量，進(jìn)而準(zhǔn)確地估算已知傳播距離的聲波信號強度，為儲糧狀態(tài)聲檢測系統(tǒng)的設(shè)計提供技術(shù)參數(shù)支撐。

技術(shù)方案：

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

一種糧食聲衰減系數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于：包括揚聲器、近端傳聲器、近端前置放大器、遠(yuǎn)端傳聲器、遠(yuǎn)端前置放大器、功率放大器、數(shù)據(jù)采集器、信號調(diào)理器、糧槽和電腦；揚聲器、近端傳聲器、近端前置放大器、遠(yuǎn)端傳聲器、遠(yuǎn)端前置放大器均放置在裝滿糧食的糧槽中；揚聲器的中心和近端傳聲器、遠(yuǎn)端傳聲器的端面處于同一水平線上；功率放大器的輸入與電腦的聲卡Line Out相連、輸出與揚聲器相連；近端傳聲器通過螺紋與近端前置放大器相連接，遠(yuǎn)端傳聲器通過螺紋與遠(yuǎn)端前置放大器相連接；近端前置放大器和遠(yuǎn)端前置放大器分別通過BNC-BNC同軸電纜與信號調(diào)理器的輸入通道相連接；信號調(diào)理器的輸出通道通過2根BNC-BNC同軸電纜連接到數(shù)據(jù)采集器的模擬輸入通道；數(shù)據(jù)采集器通過USB數(shù)據(jù)線連接到電腦。

揚聲器與近端傳聲器的距離r1要大于揚聲器直徑的5倍；揚聲器與遠(yuǎn)端傳聲器的距離r2要大于或等于r1+0.5m；揚聲器的中心與糧層上表面的距離要大于0.4m；揚聲器、近端傳聲器、遠(yuǎn)端傳聲器與糧槽的側(cè)板、底板的距離均要大于0.1m。

揚聲器要封裝在帶大網(wǎng)孔格柵的金屬保護(hù)罩中，用細(xì)而不會振動的大網(wǎng)孔格柵避免糧食與揚聲器的直接接觸，以免影響揚聲器的發(fā)聲效果。

信號調(diào)理器既能夠?qū)斎胄盘枮V波與放大，又能夠為傳聲器和前置放大器供電。

采用上述的糧食聲衰減系數(shù)測量系統(tǒng)對糧食聲衰減系數(shù)進(jìn)行測量的方法，其特征在于：由聲卡Line Out輸出頻率為f的4個周期的正弦信號；該信號經(jīng)功率放大器放大后，送至揚聲器發(fā)出聲波；聲波信號穿過糧槽中的糧食先后被距離揚聲器為r1和r2的近端傳聲器和遠(yuǎn)端傳聲器接收并轉(zhuǎn)化為電信號；電信號分別經(jīng)近端前置放大器、遠(yuǎn)端前置放大器和信號調(diào)理器后，由數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并通過USB數(shù)據(jù)線饋入電腦；由電腦中的數(shù)據(jù)處理單元估計出近、遠(yuǎn)端對應(yīng)信號的幅度，并依據(jù)兩路信號的幅度計算出聲衰減系數(shù)。

數(shù)據(jù)處理單元由以下四個模塊組成：

1)帶通濾波模塊：用2個中心頻率為f、帶寬為100Hz的二階巴特沃斯數(shù)字帶通濾波器，分別抑制近端和遠(yuǎn)端采集信號中干擾和噪聲的影響；

2)待解調(diào)信號提取模塊：尋找濾波后近端和遠(yuǎn)端采集信號波形圖中的最大值，并在最大值所處位置左右各取半個周期，獲得對應(yīng)于近端和遠(yuǎn)端的待解調(diào)信號；

3)幅度估計模塊：分別以近端和遠(yuǎn)端的待解調(diào)信號為輸入，用正交序列解調(diào)法估計近端和遠(yuǎn)端待解調(diào)信號的幅度；正交序列解調(diào)法估計待解調(diào)信號的幅度的公式表述如下：

$s\left(n\right)=Asin(2\mathrm{\π}f\frac{n}{Fs}+\mathrm{\θ})=Asin(2\mathrm{\π}\frac{n}{N}+\mathrm{\θ})---\left(1\right);$

$r\left(n\right)=\sin \left(2\mathrm{\π}f\frac{n}{Fs}\right)=\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{n}{N}\right)---\left(2\right);$

$i\left(n\right)=\cos \left(2\mathrm{\π}f\frac{n}{Fs}\right)=\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{n}{N}\right)---\left(3\right);$

$R=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}s\left(n\right)r\left(n\right)=\frac{1}{2}NAcos\mathrm{\θ}---\left(4\right);$

$I=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}s\left(n\right)i\left(n\right)=\frac{1}{2}NAsin\mathrm{\θ}---\left(5\right);$

$A=\frac{2\sqrt{R^2+I^2}}{N}---\left(6\right);$

其中s(n)為待解調(diào)信號，r(n)和i(n)分別為其同相和正交的參考信號，A、f和θ分別為待解調(diào)信號的幅度、頻率和相位；Fs為采樣頻率；N＝Fs/f為一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)；n＝0:N-1；

4)聲衰減系數(shù)計算模塊：用式(7)計算出以1/m為單位的聲衰減系數(shù)；

$\mathrm{\α}\left(f\right)=\frac{1}{r2-r1}ln\[\frac{r1\·A1\left(f\right)}{r2\·A2\left(f\right)}\]---\left(7\right);$

其中r1為近端傳聲器(2)與揚聲器(1)的距離，r2為遠(yuǎn)端傳聲器(3)與揚聲器(1)的距離，f為聲波信號的頻率，α為聲衰減系數(shù)，A1和A2分別為近端傳聲器(2)和遠(yuǎn)端傳聲器(3)對應(yīng)信號的幅度估值，A1和A2由幅度估計模塊獲得，α(f)、A1(f)和A2(f)表示α、A1和A2是聲波頻率f的函數(shù)。

利用電腦上基于LabVIEW的人機交互界面，設(shè)置測量次數(shù)m、揚聲器與近端傳聲器的距離r1、揚聲器與遠(yuǎn)端傳聲器的距離r2、頻率測試點的個數(shù)n以及各頻率測試點所對應(yīng)的頻率值；啟動系統(tǒng)運行后，系統(tǒng)可自動地、依次發(fā)出頻率測試點所對應(yīng)頻率的聲波信號，并進(jìn)行該頻率下聲衰減系數(shù)的測量；每個頻率測試點均進(jìn)行m次測量，系統(tǒng)給出的聲衰減系數(shù)是m次測量的平均值；系統(tǒng)完成所有頻率測試點的聲衰減系數(shù)測量后，在人機交互界面上自動繪出聲衰減系數(shù)與聲波頻率的關(guān)系曲線圖。

優(yōu)點及效果：

聲衰減系數(shù)反映了聲波在單位長度的傳播路徑上因散射和吸收導(dǎo)致的衰減量，可用來估算已知傳播距離的聲波信號強度，為儲糧狀態(tài)聲檢測系統(tǒng)的設(shè)計提供依據(jù)。

本發(fā)明公開了一種糧食聲衰減系數(shù)測量系統(tǒng)。用該系統(tǒng)，可準(zhǔn)確、快捷地測量糧食聲衰減系數(shù)與聲波頻率的關(guān)系曲線，進(jìn)而推動儲糧狀態(tài)聲檢測技術(shù)的發(fā)展。

附圖說明：

圖1為系統(tǒng)組成示意圖。

圖中標(biāo)號：1-揚聲器；2-近端傳聲器；3-遠(yuǎn)端傳聲器；4-近端前置放大器；5遠(yuǎn)端前置放大器；6-功率放大器；7-數(shù)據(jù)采集器；8-信號調(diào)理器；9-糧槽；10-糧食；11-電腦。

圖2為系統(tǒng)工作流程示意圖。

圖3為大豆聲衰減系數(shù)與聲波頻率關(guān)系曲線圖。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明加做進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明所涉及的系統(tǒng)在實際制作時不限于說明中給出的具體型號和尺寸。

本發(fā)明提出一種糧食聲衰減系數(shù)測量系統(tǒng)，圖1給出了系統(tǒng)組成示意圖。其中糧槽9的內(nèi)尺寸為1.80m×0.70m×0.7m，里面裝滿大豆。揚聲器1采用的是3.5英寸型號為TC9FD-18-08的全頻喇叭，并封裝在直徑為10cm的帶大網(wǎng)孔格柵的金屬保護(hù)罩中。近端傳聲器2和遠(yuǎn)端傳聲器3的型號為MP201。近端前置放大器4和遠(yuǎn)端前置放大器5的型號為MA211。近端傳聲器2通過螺紋連接近端前置放大器4，遠(yuǎn)端傳聲器3通過螺紋連接遠(yuǎn)端前置放大器5。功率放大器6的型號為PA50。信號調(diào)理器8的型號為MC104，MC104既具有對輸入信號的濾波與放大的功能，又具有為傳聲器和前置放大器供電的功能。數(shù)據(jù)采集器7的型號為NI 9215。電腦11為筆記本電腦。功率放大器6的輸入與電腦11的聲卡Line Out相連、輸出與揚聲器1相連。近端前置放大器4和遠(yuǎn)端前置放大器5通過2根BNC-BNC同軸電纜連接到信號調(diào)理器8的2個輸入通道。信號調(diào)理器8的輸出通道通過2根BNC-BNC同軸電纜連接到數(shù)據(jù)采集器7的2個模擬輸入通道。數(shù)據(jù)采集器7通過USB數(shù)據(jù)線連接到筆記本電腦11。

封裝在金屬保護(hù)罩中的揚聲器和帶前置放大器的2個傳聲器被放置在裝滿大豆的糧槽中，揚聲器的中心和傳聲器的端面處于同一水平線上、距離糧層上表面0.5m處；揚聲器1、近端傳聲器2和遠(yuǎn)端傳聲器3距離糧槽前側(cè)板分別為0.2m、1.0m和1.5m。

由聲卡Line Out輸出頻率為f的4個周期的正弦信號；該信號經(jīng)功率放大器6放大后，送至揚聲器1發(fā)出聲波；聲波信號穿過糧槽9中的糧食10先后被距離揚聲器為r1和r2的近端傳聲器2和遠(yuǎn)端傳聲器3接收并轉(zhuǎn)化為電信號。電信號分別經(jīng)近端前置放大器4、遠(yuǎn)端前置放大器5和信號調(diào)理器8后，由數(shù)據(jù)采集器7轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并通過USB數(shù)據(jù)線饋入電腦11。

電腦11中的用LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)的數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)數(shù)據(jù)采集器7饋入的近端采集信號和遠(yuǎn)端采集信號，估計出近端和遠(yuǎn)端對應(yīng)信號的幅度，并依據(jù)兩路信號的幅度計算出聲衰減系數(shù)。數(shù)據(jù)處理單元由以下4個模塊組成：

1)帶通濾波模塊：用2個中心頻率為f、帶寬為100Hz的二階巴特沃斯數(shù)字帶通濾波器，分別抑制近端采集信號和遠(yuǎn)端采集信號中干擾和噪聲的影響。(數(shù)據(jù)處理單元中包含了2個帶通濾波器，分別用來對近端采集到的信號和遠(yuǎn)端采集到的信號做帶通濾波)。

2)待解調(diào)信號提取模塊：該模塊由功能相同的兩個子模塊組成，分別用于尋找濾波后近端采集信號和遠(yuǎn)端采集信號波形圖中的最大值，并在最大值所處位置的的左右各取半個周期，獲得對應(yīng)于近端和遠(yuǎn)端的待解調(diào)信號。

3)幅度估計模塊：該模塊由功能相同的兩個子模塊組成，分別以近端和遠(yuǎn)端的待解調(diào)信號為輸入，用正交序列解調(diào)法估計出近端和遠(yuǎn)端待解調(diào)信號的幅度，即近端和遠(yuǎn)端對應(yīng)信號的幅度；正交序列解調(diào)法可用公式(1)～(6)表述：

$s\left(n\right)=Asin(2\mathrm{\π}f\frac{n}{Fs}+\mathrm{\θ})=Asin(2\mathrm{\π}\frac{n}{N}+\mathrm{\θ})---\left(1\right)$

$r\left(n\right)=sin\left(2\mathrm{\π}f\frac{n}{Fs}\right)=sin\left(2\mathrm{\π}\frac{n}{N}\right)---\left(2\right)$

$i\left(n\right)=cos\left(2\mathrm{\π}f\frac{n}{Fs}\right)=cos\left(2\mathrm{\π}\frac{n}{N}\right)---\left(3\right)$

$R=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}s\left(n\right)r\left(n\right)=\frac{1}{2}NAcos\mathrm{\θ}---\left(4\right)$

$I=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}s\left(n\right)i\left(n\right)=\frac{1}{2}NAsin\mathrm{\θ}---\left(5\right)$

$A=\frac{2\sqrt{R^2+I^2}}{N}---\left(6\right)$

其中s(n)為待解調(diào)信號，r(n)和i(n)分別為其同相和正交的參考信號，A、f和θ分別為待解調(diào)信號的幅度、頻率和相位；Fs為采樣頻率；N＝Fs/f為一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)；n＝0:N-1。

4)聲衰減系數(shù)計算模塊：用式(7)計算出以1/m為單位的聲衰減系數(shù)；

$\mathrm{\α}\left(f\right)=\frac{1}{r2-r1}ln\[\frac{r1\·A1\left(f\right)}{r2\·A2\left(f\right)}\]---\left(7\right)$

其中r1為近端傳聲器(2)與揚聲器(1)的距離，r2為遠(yuǎn)端傳聲器(3)與揚聲器(1)的距離，f為聲波信號的頻率，α為聲衰減系數(shù)，A1和A2分別為近端對應(yīng)信號和遠(yuǎn)端對應(yīng)信號的幅度估值，A1和A2由幅度估計模塊獲得，α(f)、A1(f)和A2(f)表示α、A1和A2是聲波頻率f的函數(shù)。

系統(tǒng)的揚聲器1與近端傳聲器2的距離r1要大于揚聲器直徑的5倍，這是因為當(dāng)聲源中心與預(yù)測點之間的距離超過聲源最大尺寸的2倍時，通?？蓪⒙曉唇茷辄c聲源，要求r1要大于揚聲器直徑的5倍是為了可將聲源視為點聲源。揚聲器1與遠(yuǎn)端傳聲器3的距離r2要大于或等于r1+0.5m，這是因為衰減系數(shù)是聲波在單位長度的傳播路徑上的衰減量，傳播路徑太短的話其路徑長度的測量誤差會較大，影響衰減系數(shù)的測量精度，0.5m的距離能夠保證聲衰減系數(shù)的測量精度。揚聲器1的中心與糧層上表面的距離要大于0.4m；這樣設(shè)置是因為某一層面上糧食顆粒間的縫隙會隨著該層面與糧層上表面的距離的增加而減少并趨于穩(wěn)定，0.4m可以保證糧食顆粒間的縫隙達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，實際測量時如不能保證與糧層上表面的距離在0.4m以上時，在糧層上面加重物也可達(dá)到同樣的效果。揚聲器1、近端傳聲器2、遠(yuǎn)端傳聲器3與糧槽的側(cè)板和底板的距離均要大于0.1m，可以防止聲波被側(cè)板或底板反射后干擾測量。本實施實例中揚聲器、傳聲器位置滿足上述要求。

利用電腦上基于LabVIEW的人機交互界面，可設(shè)置測量次數(shù)m、揚聲器與近端傳聲器的距離r1、揚聲器與遠(yuǎn)端傳聲器的距離r2、頻率測試點的個數(shù)n以及各頻率測試點所對應(yīng)的頻率值；啟動系統(tǒng)運行后，系統(tǒng)可自動地、依次發(fā)出頻率測試點所對應(yīng)頻率的聲波信號，并進(jìn)行該頻率下聲衰減系數(shù)的測量；每個頻率測試點均進(jìn)行m次測量，系統(tǒng)給出的聲衰減系數(shù)是m次測量的平均值；系統(tǒng)完成所有頻率測試點的聲衰減系數(shù)測量后，在人機交互界面上自動給出各頻率測試點上的聲衰減系數(shù)、并繪出聲衰減系數(shù)與聲波頻率的關(guān)系曲線。

圖2給出了系統(tǒng)工作流程示意圖。

將測量次數(shù)m設(shè)置為20，r1和r2分別設(shè)置為0.8m和1.3m，頻率測試點個數(shù)n設(shè)置為15，頻率測試點的頻率設(shè)置為500Hz,550Hz,600Hz,...,1200Hz，即在500Hz～1200Hz的范圍內(nèi)以50Hz為間隔選取15個頻率點為測試頻率，運行系統(tǒng)進(jìn)行大豆聲衰減系數(shù)測試，測試結(jié)束后，在前面板上繪出的聲衰減系數(shù)與聲波頻率的關(guān)系曲線圖，如圖3所示。

結(jié)論：利用本發(fā)明這種糧食聲衰減系數(shù)測量系統(tǒng)，可以獲得不同頻率的聲波在糧食中的以1/m為單位的聲衰減系數(shù)，即單位長度上因散射和吸收導(dǎo)致的衰減量，進(jìn)而準(zhǔn)確地估算已知傳播距離的聲波信號強度，為儲糧狀態(tài)聲檢測系統(tǒng)的設(shè)計提供技術(shù)參數(shù)支撐。