一種聲學特性測量裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種聲學特性測量裝置及方法，測量裝置包括上位機、采樣管、聲學換能器、水聽器組、聲波儀；聲波儀接收上位機發送的根據當前輸入的測試波類型生成的攜帶有測試波類型的第一信號，并根據第一信號生成相應的測試波形信號發送給聲學換能器；聲學換能器將測試波形信號轉化為相應的第一聲波并射入采樣管中的待測樣品中；水聽器組中的各個水聽器采集第一聲波通過待測樣品后形成的聲波并生成相應信號發送至聲波儀；聲波儀進行放大處理后發送至上位機；上位機對當待測樣品為液體或沉積物時聲波儀發送的放大信號進行解析并計算液體中沉積物的聲學特性。基于上述測量裝置保證了在對液體中沉積物聲學特性進行測量時結果的準確度。
【專利說明】
一種聲學特性測量裝置及方法
技術領域
[0001] 本發明涉及聲學探測技術領域，尤其涉及一種聲學特性測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 廣闊的江河湖海中布滿沉積物，沉積物的聲學特性是研究存在于水中的沉積物的 最有效的方法。以海底沉積物為例，其是海洋物理和工程研究的重要對象，其聲學特性研究 一直備受國內外學者的重視，是船艦航行、潛艇潛行、海底資源探測、海洋工程作業等必須 知道和了解的特性。海底沉積物聲學特性包含兩個主要的特性參數:聲速和聲衰減，其中， 聲速反應出聲波在海底傳播的快慢程度，聲衰減反映出海底底質對聲波傳播或地震波作用 距離的影響。
[0003] 目前對液體中沉積物的聲學測量方法主要有聲學遙測、原位測量和采樣測量三種 方法，其中，聲學遙測方法需要原位測量方法和采樣測量方法獲取的聲學特性作為分析依 據和評判標準。對液體中沉積物進行原位測量需要專用的原位聲學測量儀器，而當前的原 位測量儀器測量的頻率有限，無法實現多種聲學特性測量的需要并且存在采樣和二次作業 的問題，因此原位聲學測量方法雖然精度高但是成本高、耗時高、研究局限性大。因此，通過 采樣測量方法采集沉積物樣品，然后在實驗室進行測量成為廣泛應用的方法。
[0004] 在實驗室測量過程中，對于聲衰減系數的測量普遍采用同軸間距測量法。同軸間 距測量法需要分割樣品、移動換能器，這就破壞了樣品的主體結構。另外，當前的聲衰減系 數測量方法均未驗證在液體中的擴散損失，由于無法消除擴散所帶來的誤差，因此會產生 較大誤差。對于聲速的測量普遍采用一發一收，由于存在多途路徑聲波的干擾和起跳點誤 差，從而引起聲速測量結果的不準確。
[0005] 有鑒于此，現有的技術方案在對液體中沉積物聲學特性進行測量時，無法保證測 量結果的準確度。

【發明內容】

[0006] 有鑒于此，本發明提供一種聲學特性測量裝置及方法，以解決現有的技術方案在 對液體中沉積物聲學特性進行測量時，無法保證測量結果的準確度的問題。技術方案如下：
[0007] -種聲學特性測量裝置，包括：
[0008] 上位機；
[0009] 設置于測量支架上，用于放置待測樣品的采樣管；
[0010] 水平放置于所述測量支架上的聲學換能器，所述聲學換能器的輸出端與所述采樣 管中所述待測樣品的端面耦合相連；
[0011] 水聽器組，所述水聽器組豎直設置于所述測量支架上且所述水聽器組中各個水聽 器的采樣端插入于所述采樣管的徑向端，其中，所述水聽器組中至少包含并排設置且間隔 預設距離的第一水聽器和第二水聽器；
[0012] 聲波儀，所述聲波儀的第一接收端和第一輸出端與所述上位機相連，第二輸出端 與所述聲學換能器的輸入端相連，第二接收端與所述水聽器組中各個水聽器的輸出端相 連；
[0013] 所述聲波儀接收所述上位機發送的根據當前輸入的測試波類型生成的攜帶有測 試波類型的第一信號，并根據所述攜帶有測試波類型的第一信號生成相應的測試波形信號 發送給所述聲學換能器;所述聲學換能器將所述測試波形信號轉化為相應的第一聲波并射 入所述采樣管中的所述待測樣品中；
[0014] 當所述待測樣品為液體時，所述水聽器組中的各個水聽器采集所述第一聲波通過 所述液體后形成的第二聲波，并生成相應的第二信號發送至所述聲波儀;所述聲波儀將所 述第二信號進行放大處理，并生成第三信號發送至所述上位機；
[0015] 當所述待測樣品為沉積物時，所述水聽器組中的各個水聽器采集所述第一聲波通 過所述沉積物后形成的第三聲波，并生成相應的第四信號發送至所述聲波儀;所述聲波儀 將所述第四信號進行放大處理，并生成第五信號發送至所述上位機；
[0016] 所述上位機對所述第三信號和所述第五信號進行解析，并計算所述液體中所述沉 積物的聲學特性。
[0017]優選的，所述水聽器組包括:針式水聽器組。
[0018] 優選的，所述上位機包括：
[0019] 用于存儲所述水聽器組中各個水聽器之間的所述預設距離、所述第三信號和所述 第五信號的存儲器；
[0020] 用于對所述第三信號和所述第五信號進行解析并計算所述液體中所述沉積物的 聲學特性的處理器。
[0021] 優選的，所述處理器具體包括：
[0022] 波形處理器，用于解析所述第三信號和所述第五信號，得到相應的聲學波形，判斷 所述聲學波形中起跳點的位置，并選取以起跳點為基準開始的預設η個周期的波形作為有 效波，獲取所述有效波在第一預設特征點的采樣數和在第二預設特征點的聲壓幅值，其中， η的取值范圍為大于0的整數，具體為3,所述第一預設特征點包括零點、峰值點和/或峰谷 點，所述第二預設特征點為所述峰值點；
[0023]第一計算器，用于基于所述第三信號對應的有效波在所述第一預設特征點的采樣 點數，計算所述液體中的第一時間差
&其中，下 標j表示所述第一水聽器，下標k表示所述第二水聽器，a為所述第三信號對應的有效波中零 點采樣點數ZP的總數，b為所述第三信號對應的有效波中峰值點采樣點數PP的總數，c為所 述第三信號對應的有效波中峰谷點采樣點數DP的總數，Ts為獲取采樣點數的周期；
[0024]第二計算器，用于根據所述第一時間差Δ ti，計算所述液體中的聲延時Δ to = Cw〇/ d〇-Atl，其中，CwQ為標準聲速，do為所述第一水聽器和所述第二水聽器之間的所述預設距 離；
[0025]第三計算器，用于依據所述第三信號對應的有效波在所述第二預設特征點的聲壓 幅值，計算所述液體中的第一聲衰減系數其中，APPi為所述第三
} 信號對應的有效波中第i個所述第二預設特征點的聲壓幅值；
[0026] 第四計算器，用于基于所述第五信號對應的有效波在所述第一預設特征點的采樣 點數，計算所述沉積物中的第二時間差
其中，m為所述第五信號對應的有效波中零點采樣點數ZP的總數，η為所述第五信號對應的 有效波中峰值點采樣點數ΡΡ的總數，1為所述第五信號對應的有效波中峰谷點采樣點數DP 的總數；
[0027] 第五計算器，用于根據所述第五信號對應的有效波在所述第二預設特征點的聲壓
幅值，計算所述沉積物中的第二聲衰減系數 其中，APPi為所述第五 ， 信號對應的有效波中第i個所述第二預設特征點的聲壓幅值；
[0028]第六計算器，用于基于所述聲延時Δ to和所述第二時間差Δ t2，計算所述液體中所 述沉積物的聲學特性中的聲速cP = do/( Δ t2_A to);
[0029] 第七計算器，用于依據所述第一聲衰減系數αι和所述第二聲衰減系數〇2，計算所述 液體中所述沉積物的聲學特性中的聲衰減系數α ρ = α2-αι。
[0030] 優選的，所述聲波儀具體用于：
[0031] 當當前輸入的測試波類型為脈沖波，所述聲學換能器為預設頻率的窄頻聲學換能 器時，接收所述上位機發送的根據當前輸入的脈沖波類型生成的攜帶有脈沖波類型的第一 信號，并根據所述攜帶有脈沖波類型的第一信號生成脈沖波形信號發送給所述窄頻聲學換 能器。
[0032]優選的，所述聲波儀具體用于：
[0033] 當當前輸入的測試波類型為正弦波，所述聲學換能器為寬頻聲學換能器時，接收 所述上位機發送的根據當前輸入的正弦波類型生成的攜帶有正弦波類型的第一信號，并根 據所述攜帶有正弦波類型的第一信號生成正弦波形信號發送給所述寬頻聲學換能器。
[0034] -種聲學特性測量方法，應用于上述任意一個方案所述的測量裝置，所述測量裝 置包括上位機、采樣管、聲學換能器、水聽器組和聲波儀，其中，所述水聽器組中至少包含并 排設置且間隔預設距離的第一水聽器和第二水聽器，所述測量方法包括：
[0035] 所述聲波儀接收所述上位機發送的根據當前輸入的測試波類型生成的攜帶有測 試波類型的第一信號，并根據所述攜帶有測試波類型的第一信號生成相應的測試波形信號 發送給所述聲學換能器；
[0036] 所述聲學換能器將所述測試波形信號轉化為相應的第一聲波并射入所述采樣管 中的所述待測樣品中；
[0037] 當所述待測樣品為液體時，所述水聽器組中的各個水聽器采集所述第一聲波通過 所述液體后形成的第二聲波，并生成相應的第二信號發送至所述聲波儀；
[0038] 所述聲波儀將所述第二信號進行放大處理，并生成第三信號發送至所述上位機；
[0039] 當所述待測樣品為沉積物時，所述水聽器組中的各個水聽器采集所述第一聲波通 過所述沉積物后形成的第三聲波，并生成相應的第四信號發送至所述聲波儀；
[0040] 所述聲波儀將所述第四信號進行放大處理，并生成第五信號發送至所述上位機；
[0041] 所述上位機對所述第三信號和所述第五信號進行解析，并計算所述液體中所述沉 積物的聲學特性。
[0042]優選的，所述上位機對所述第三信號和所述第五信號進行解析，并計算所述液體 中所述沉積物的聲學特性，包括：
[0043]解析所述第三信號和所述第五信號，得到相應的聲學波形；
[0044] 判斷所述聲學波形中起跳點的位置，并選取以起跳點為基準開始的預設η個周期 的波形作為有效波，其中，η的取值范圍為大于0的整數，具體為3;
[0045] 獲取所述有效波在第一預設特征點的采樣數和在第二預設特征點的聲壓幅值，其 中，所述第一預設特征點包括零點、峰值點和/或峰谷點，所述第二預設特征點為所述峰值 占 .
[0046] 基于所述第三信號對應的有效波在所述第一預設特征點的采樣點數，計算所述液 體中的第一時間差；
[0047]其中，下標j表示所述第一水聽器，下標k表示所述第二水聽器，a為所述第三信號 對應的有效波中零點采樣點數ZP的總數，b為所述第三信號對應的有效波中峰值點采樣點 數PP的總數，C為所述第三信號對應的有效波中峰谷點采樣點數DP的總數，Ts為獲取采樣點 數的周期；
[0048] 根據所述第一時間差Δ ti，計算所述液體中的聲延時Δ to = Cw〇/d()-A ti，其中，Cw〇 為標準聲速，do為所述第一水聽器和所述第二水聽器之間的所述預設距離；
[0049] 依據所述第三信號對應的有效波在所述第二預設特征點的聲壓幅值，計算所述液 體中的第一聲衰減系數
其中，ΑΡΡ,*所述第三信號對應的有效波 中第i個所述第二預設特征點的聲壓幅值；
[0050] 基于所述第五信號對應的有效波在所述第一預設特征點的采樣點數，計算所述沉 積物中的第二時間差
[0051]其中，m為所述第五信號對應的有效波中零點采樣點數ZP的總數，η為所述第五信 號對應的有效波中峰值點采樣點數ΡΡ的總數，1為所述第五信號對應的有效波中峰谷點采 樣點數DP的總數；
[0052]根據所述第五信號對應的有效波在所述第二預設特征點的聲壓幅值，計算所述沉 積物中的第二聲衰減系數
其中，ΑΡΡ,*所述第五信號對應的有效波 中第i個所述第二預設特征點的聲壓幅值；
[0053]基于所述聲延時△ to和所述第二時間差△ t2,計算所述液體中所述沉積物的聲學 特性中的聲速cP = do/( Δ t2_A to);
[0054] 依據所述第一聲衰減系數αι和所述第二聲衰減系數〇2，計算所述液體中所述沉積 物的聲學特性中的聲衰減系數叫=α 2-αι。
[0055] 優選的，當當前輸入的測試波類型為脈沖波，所述聲學換能器為預設頻率的窄頻 聲學換能器時，所述聲波儀接收所述上位機發送的根據當前輸入的測試波類型生成的攜帶 有測試波類型的第一信號，并根據所述攜帶有測試波類型的第一信號生成相應的測試波形 信號發送給所述聲學換能器，具體包括：
[0056] 所述聲波儀接收所述上位機發送的根據當前輸入的脈沖波類型生成的攜帶有脈 沖波類型的第一信號，并根據所述攜帶有脈沖波類型的第一信號生成脈沖波形信號發送給 所述窄頻聲學換能器。
[0057] 優選的，當當前輸入的測試波類型為正弦波，所述聲學換能器為寬頻聲學換能器 時，所述聲波儀接收所述上位機發送的根據當前輸入的測試波類型生成的攜帶有測試波類 型的第一信號，并根據所述攜帶有測試波類型的第一信號生成相應的測試波形信號發送給 所述聲學換能器，具體包括：
[0058]所述聲波儀接收所述上位機發送的根據當前輸入的正弦波類型生成的攜帶有正 弦波類型的第一信號，并根據所述攜帶有正弦波類型的第一信號生成正弦波形信號發送給 所述寬頻聲學換能器。
[0059] 相較與現有技術，本發明實現的有益效果為：
[0060] 以上本發明所提供的一種聲學特性測量裝置及方法，測量裝置包括上位機、采樣 管、聲學換能器、水聽器組、聲波儀;聲波儀接收上位機發送的根據當前輸入的測試波類型 生成的攜帶有測試波類型的第一信號，并根據第一信號生成相應的測試波形信號發送給聲 學換能器;聲學換能器將測試波形信號轉化為相應的第一聲波并射入采樣管中的待測樣品 中；水聽器組中的各個水聽器采集第一聲波通過待測樣品后形成的聲波并生成相應信號發 送至聲波儀;聲波儀進行放大處理后發送至上位機;上位機對當待測樣品為液體或沉積物 時聲波儀發送的放大信號進行解析并計算液體中沉積物的聲學特性。基于上述測量裝置保 證了在對液體中沉積物聲學特性進行測量時結果的準確度。
【附圖說明】
[0061] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據 提供的附圖獲得其他的附圖。
[0062] 圖1為本發明實施例一公開的一種聲學特性測量裝置結構示意圖；
[0063] 圖2為本發明實施例二公開的一種聲學特性測量裝置結構示意圖；
[0064] 圖3為本發明實施例二公開的另一種聲學特性測量裝置中處理器的結構示意圖；
[0065] 圖4為本發明實施例三公開的一種聲學特性測量方法流程圖；
[0066] 圖5為本發明實施例四公開的一種聲學特性測量方法中部分流程圖；
[0067] 圖6為本發明場景示例一公開的一種聲學特性測量裝置結構示意圖。
【具體實施方式】
[0068] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0069] 實施例一
[0070] 本發明實施例公開的一種聲學特性測量裝置，其結構示意圖如圖1所示，聲學特性 測量裝置100包括：
[0071] 上位機 101;
[0072] 設置于測量支架上，用于放置待測樣品的采樣管102;
[0073] 水平放置于測量支架上的聲學換能器103,聲學換能器103的輸出端與采樣管102 中待測樣品的端面耦合相連；
[0074] 水聽器組104,水聽器組104豎直設置于測量支架上且水聽器組104中各個水聽器 的采樣端插入于采樣管102的徑向端，其中，水聽器組中至少包含兩個并排設置且間隔預設 距離的第一水聽器(圖1中未示出）和第二水聽器(圖1中未示出）；
[0075]聲波儀105,聲波儀105的第一接收端和第一輸出端與上位機101相連，第二輸出端 與聲學換能器103的輸入端相連，第二接收端與水聽器組104中各個水聽器的輸出端相連；
[0076]聲波儀105接收上位機101發送的根據當前輸入的測試波類型生成的攜帶有測試 波類型的第一信號，并根據攜帶有測試波類型的第一信號生成相應的測試波形信號發送給 聲學換能器103;聲學換能器103將測試波形信號轉化為相應的第一聲波并射入采樣管102 中的待測樣品中；
[0077]當待測樣品為液體時，水聽器組104中的各個水聽器采集第一聲波通過液體后形 成的第二聲波，并生成相應的第二信號發送至聲波儀105;聲波儀105將第二信號進行放大 處理，并生成第三信號發送至上位機101;
[0078]當待測樣品為沉積物時，水聽器組104中的各個水聽器采集第一聲波通過沉積物 后形成的第三聲波，并生成相應的第四信號發送至聲波儀105;聲波儀105將第四信號進行 放大處理，并生成第五信號發送至上位機101;
[0079]上位機101對第三信號和第五信號進行解析，并計算液體中沉積物的聲學特性。
[0080] 在本發明實施例公開的技術方案中，水聽器組104中的各個水聽器由測量支架裝 夾固定和調節，通過保持間隔距離和插入高度的穩定，保證了各次測量的接收狀態的一致 性。
[0081] 需要說明的是，水聽器組104包括但不局限于針式水聽器組（圖1中未示出）；上位 機101包括但不局限于電腦、筆記本、平板或其他終端，具體視實際情況而定;液體包括海水 或淡水或其他測試液體，具體視實際情況而定;沉積物包括:海底沉積物或江河湖底等沉積 物或土壤或其他具有軟性的可將水聽器插入其中的沉積物形狀材料。
[0082]還需要說明的是，上述測量過程中待測樣品的類型并不一定先為液體，后為沉積 物，也可以先對沉積物進行測量，后對液體進行測量。
[0083]由此可見，本發明采用上位機、采樣管、聲學換能器、水聽器組和聲波儀構成聲學 特性測量裝置。聲波儀基于上位機發送的攜帶有測試波類型的第一信號生成相應的測試波 形信號發送給聲學換能器;聲學換能器將測試波形信號轉化為相應的第一聲波并射入采樣 管中的待測樣品中；水聽器組采集第一聲波通過待測樣品后形成的聲波并生成相應信號發 送至聲波儀;上位機對當待測樣品為液體或沉積物時聲波儀發送的放大信號進行解析并計 算液體中沉積物的聲學特性。基于上述聲學特性測量裝置保證了在對液體中沉積物聲學特 性進行測量時結果的準確度。
[0084] 實施例二
[0085] 基于上述本發明實施例一公開的聲學特性測量裝置和附圖1，本發明實施例二還 公開一種聲學特性測量裝置，其結構示意圖如圖2所示，上位機101具體包括:存儲器201和 處理器202,其中，
[0086]存儲器201，用于存儲水聽器組中各個水聽器之間的預設距離、第三信號和第五信 號；
[0087]處理器202,用于對第三信號和第五信號進行解析并計算液體中沉積物的聲學特 性。
[0088]結合上述本發明實施例二公開的聲學特性測量裝置和附圖2,本發明實施例二還 公開一種聲學特性測量裝置，處理器202結構示意圖如圖3所示，處理器202包括:波形處理 器301、第一計算器302、第二計算器303、第三計算器304、第四計算器305、第五計算器306、 第六計算器307和第七計算器308,其中，
[0089]波形處理器301，用于解析第三信號和第五信號，得到相應的聲學波形，判斷聲學 波形中起跳點的位置，并選取以起跳點為基準開始的預設η個周期的波形作為有效波，獲取 有效波在第一預設特征點的采樣數和在第二預設特征點的聲壓幅值，其中，η的取值范圍為 大于〇的整數，具體為3,第一預設特征點包括零點、峰值點和/或峰谷點，第二預設特征點為 所述峰值點；
[0090]第一計算器302,用于基于第三信號對應的有效波在第一預設特征點的采樣點數， 計算液體中的第一時間差
其中，下標j表 示第一水聽器，下標k表示第二水聽器，a為第三信號對應的有效波中零點采樣點數ZP的總 數，b為所述第三信號對應的有效波中峰值點采樣點數PP的總數，c為第三信號對應的有效 波中峰谷點采樣點數DP的總數，Ts為獲取采樣點數的周期；
[0091] 第二計算器303,用于根據第一時間差Δ ti，計算液體中的聲延時Δ to = cw〇/d()-A ，其中，CwQ為標準聲速，do為第一水聽器和第二水聽器之間的預設距離；
[0092]第三計算器304,用于依據第三信號對應的有效波在所述第二預設特征點的聲壓 幅值，計算液體中的第一聲衰減系1 其中，APPi為第三信號對應的
? 有效波中第i個第二預設特征點的聲壓幅值；[0093]第四計算器305,用于基于第五信號對應的有效波在第一預設特征點的采樣點數，
計算沉積物中的第二時間差 其中，m為第五 ，. 信號對應的有效波中零點采樣點數ZP的總數，η為第五信號對應的有效波中峰值點采樣點 數ΡΡ的總數，1為第五信號對應的有效波中峰谷點采樣點數DP的總數；
[0094]第五計算器306,用于根據第五信號對應的有效波在第二預設特征點的聲壓幅值， 計算沉積物中的第二聲衰減系數
其中，ΑΡΡ,為第五信號對應的 有效波中第i個第二預設特征點的聲壓幅值；
[0095]第六計算器307,用于基于聲延時Δ to和第二時間差Δ t2，計算液體中沉積物的聲 學特性中的聲速cP = do/ ( Δ t2_ Δ to);
[0096] 第七計算器308,用于依據第一聲衰減系數αι和第二聲衰減系數α2,計算液體中沉 積物的聲學特性中的聲衰減系數a P = (12-?。
[0097] 需要說明的是，本發明實施例公開的上述波形處理器和各計算器可作為集成電路 設置于該處理器中。
[0098] 由此可見，本發明實施例中上位機通過存儲器存儲測量過程中的預設參數、產生 的信號和計算程序;通過處理器中的波形處理器和各計算器對預設參數、產生的信號進行 解析并計算聲學測量結果。基于上述聲學特性測量裝置保證了在對液體中沉積物聲學特性 進行測量時結果的準確度。
[0099] 實施例三
[0100] 基于上述本發明各實施例提供的聲學特性測量裝置，本實施三則對應公開了上述 聲學特性測量裝置的聲學測量方法，流程圖如圖4所示，聲學測量方法包括：
[0101] S401，聲波儀接收上位機發送的根據當前輸入的測試波類型生成的攜帶有測試波 類型的第一信號，并根據攜帶有測試波類型的第一信號生成相應的測試波形信號發送給聲 學換能器；
[0102] S402,聲學換能器將測試波形信號轉化為相應的第一聲波并射入采樣管中的待測 樣品中；
[0103] S403,當待測樣品為液體時，水聽器組中的各個水聽器采集第一聲波通過液體后 形成的第二聲波，并生成相應的第二信號發送至聲波儀；
[0104] S404聲波儀將第二信號進行放大處理，并生成第三信號發送至上位機；
[0105] S405,當待測樣品為沉積物時，水聽器組中的各個水聽器采集第一聲波通過沉積 物后形成的第三聲波，并生成相應的第四信號發送至聲波儀；
[0106] S406,聲波儀將第四信號進行放大處理，并生成第五信號發送至上位機；
[0107] S407,上位機對第三信號和第五信號進行解析，并計算液體中沉積物的聲學特性。
[0108] 由此可見，本發明采用上位機、采樣管、聲學換能器、水聽器組和聲波儀構成聲學 特性測量裝置。聲波儀基于上位機發送的攜帶有測試波類型的第一信號生成相應的測試波 形信號發送給聲學換能器;聲學換能器將測試波形信號轉化為相應的第一聲波并射入采樣 管中的待測樣品中；水聽器組采集第一聲波通過待測樣品后形成的聲波并生成相應信號發 送至聲波儀;上位機對當待測樣品為液體或沉積物時聲波儀發送的放大信號進行解析并計 算液體中沉積物的聲學特性。基于上述聲學特性測量裝置保證了在對液體中沉積物聲學特 性進行測量時結果的準確度。
[0109] 實施例四
[0110] 基于上述本發明實施例三公開的一種聲學特性測量方法，如圖4所示出的步驟 S407中，上位機對第三信號和第五信號進行解析，并計算液體中沉積物的聲學特性的具體 執行過程，如圖5所示，包括如下步驟： S501，解析第三信號和所述第五信號，得到相應的聲學波形；
[0112] S502,判斷聲學波形中起跳點的位置，并選取以起跳點為基準開始的預設η個周期 的波形作為有效波，其中，η的取值范圍為大于0的整數，具體為3;
[0113] S503,獲取有效波在第一預設特征點的采樣數和在第二預設特征點的聲壓幅值， 其中，第一預設特征點包括零點、峰值點和/或峰谷點，第二預設特征點為峰值點；
[0114] S504,基于第三信號對應的有效波在第一預設特征點的采樣點數，計算液體中的 第一時間差Δ ti;
[0115]在S504中，計算第一時間差At!采用公式（1):
⑴
[0117]其中，下標j表示第一水聽器，下標k表示第二水聽器，a為第三信號對應的有效波 中零點采樣點數ZP的總數，b為第三信號對應的有效波中峰值點采樣點數PP的總數，c為第 三信號對應的有效波中峰谷點采樣點數DP的總數，Ts為獲取采樣點數的周期；
[0118] S505,根據第一時間差Δ ti，計算液體中的聲延時Δ to = Cw〇/d()-A ti，其中，Cw〇為標 準聲速，do為第一水聽器和所述第二水聽器之間的預設距離；；
[0119] S506,依據第三信號對應的有效波在第二預設特征點的聲壓幅值，計算液體中的 第一聲衰減系數αι;
[0120]在S506中，計算液體中的第一聲衰減系數(^采用公式(2):
(2)
[0122] 其中，APPi為第三信號對應的有效波中第i個第二預設特征點的聲壓幅值；
[0123] S507,基于第五信號對應的有效波在第一預設特征點的采樣點數，計算沉積物中 的第二時間差A t2;
[0124] 在S507中，計算第二時間差Δ t2采用公式(3): (3)
[0126] 其中，m為第五信號對應的有效波中零點采樣點數ZP的總數，η為第五信號對應的 有效波中峰值點采樣點數ΡΡ的總數，1為第五信號對應的有效波中峰谷點采樣點數DP的總 數；
[0127] S508,根據第五信號對應的有效波在第二預設特征點的聲壓幅值，計算沉積物中 的第二聲衰減系數α2;
[0128] 在S508中，計算沉積物中的第二聲衰減系數<12采用公式(4):
(4)
[0130]其中，APPiS第五信號對應的有效波中第i個第二預設特征點的聲壓幅值；
[0131] S509,基于聲延時Δ to和第二時間差Δ t2，計算液體中沉積物的聲學特性中的聲速 Cp ;
[0132] 在S509中，計算液體中沉積物的聲學特性中的聲速cP采用公式(5):
[0133] cP = do/( Δ t2~ A to) (5)
[0134] S510，依據第一聲衰減系數和第二聲衰減系數α2，計算液體中沉積物的聲學特性 中的聲衰減系數αΡ;
[0135] 在S510中，計算液體中沉積物的聲學特性中的聲衰減系數αρ采用公式(6):
[0136] αρ = α2-αι (6)
[0137] 本發明實施例公開的聲學特性測量方法，上位機可對接收到第三信號和第五信號 進行解析并計算液體中沉積物的聲學特性。基于上述聲學特性測量方法消除了聲波在液體 中的擴散損失，保證了在對液體中沉積物聲學特性進行測量時結果的準確度。
[0138] 基于上述本發明實施例公開的聲學特性測量裝置和方法，以下通過具體的應用場 景示例進一步進行說明：
[0139] 示例一
[0140] 為測量海底沉積物的聲學特性的應用場景，其中，如圖6所示，上位機為計算機 601，測量支架包括支架602、支撐塊603、連接桿604和底座605，水聽器組包含第一針式水聽 器6061和第二針式水聽器6062,采樣管607設置于支架602上，聲學換能器608通過支撐塊 603水平放置在支架602上且與采樣管607中待測樣品的端面耦合相連，第一針式水聽器 6061和第二針式水聽器6062通過機械固緊裝置設置在連接桿604上，以保證間隔距離和采 樣端插入采樣管607徑向端的穩定性。
[0141]結合上述本發明實施例公開的聲學特性測量方法，具體的聲學特性測量過程如 下：
[0142]聲波儀609接收計算機601發送的根據當前輸入的測試波類型生成的攜帶有測試 波類型的第一信號，并根據攜帶有測試波類型的第一信號生成相應的測試波形信號發送給 聲學換能器608;
[0143] 此時進行第一次測量，采樣管607中的待測樣品為海水；
[0144] 聲學換能器608將測試波形信號轉化為相應的第一聲波并射入采樣管607中的海 水；
[0145] 第一針式水聽器6061采集第一聲波通過海水后形成的第二聲波并生成第二信號 發送至聲波儀609,第二針式水聽器6062采集第二聲波通過海水后形成的第三聲波并生成 第三信號發送至聲波儀609;
[0146] 聲波儀609將第二信號和第三信號進行放大處理，并生成第四信號發送至計算機 601 〇
[0147] 此時進行第二次測量，采樣管607中的待測樣品為沉積物；
[0148] 聲學換能器608將測試波形信號轉化為相應的第一聲波并射入采樣管607中的沉 積物；
[0149] 第一針式水聽器6061采集第一聲波通過沉積物后形成的第四聲波并生成第五信 號發送至聲波儀609,第二針式水聽器6062采集第四聲波通過沉積物后形成的第五聲波并 生成第六信號發送至聲波儀609;
[0150]聲波儀609將第五信號和第六信號進行放大處理，并生成第七信號發送至計算機 601 〇
[0151]計算機601對第四信號和第七信號進行解析，并計算海水中沉積物的聲學特性。 [0152]需要說明的是，上述第一次測量和第二次測量中待測樣品的類型并不一定先為海 水，后為沉積物，也可以先對沉積物進行測量，后對海水進行測量。
[0153] 本發明實施例公開的聲學特性測量方法，消除了測試波在海水中的擴散損失，保 證了在對海水中沉積物聲學特性進行測量時結果的準確度。
[0154] 示例二
[0155] 基于上述示例一的聲學特性測量過程，若上位機當前輸入的測試波類型為脈沖 波，此時聲學換能器為預設頻率的窄頻聲學換能器(例如研究100kHz時海底沉積物的聲學 特性，采用100kHz，頻帶為±5kHz窄頻換能器)時，水聽器組中包含第一水聽器和第二水聽 器，其中，第一水聽器或第二水聽器的頻寬范圍為20Hz~180kHz。
[0156] 結合上述本發明實施例公開的聲學特性測量方法，具體的聲學特性測量過程如 下：
[0157] 聲波儀接收上位機發送的根據當前輸入的脈沖波類型生成的攜帶有脈沖波類型 的第一信號，并根據攜帶有脈沖波類型的第一信號生成脈沖波形信號發送給窄頻聲學換能 器；
[0158]此時進行第一次測量，采樣管中的待測樣品為液體；
[0159] 窄頻聲學換能器將脈沖波形信號轉化為預設頻率的脈沖波并射入采樣管的液體 中；
[0160] 第一水聽器和第二水聽器分別采集預設頻率的脈沖波通過液體后形成的第一脈 沖波和第二脈沖波，并生成相應的第二信號和第三信號發送至聲波儀；
[0161]聲波儀將第二信號和第三信號進行放大處理得到第四信號并發送至上位機。
[0162]此時進行第二次測量，采樣管中的待測樣品為沉積物；
[0163] 窄頻聲學換能器將脈沖波形信號轉化為預設頻率的脈沖波并射入采樣管的沉積 物中；
[0164] 第一水聽器和第二水聽器分別采集預設頻率的脈沖波通過沉積物后形成的第三 脈沖波和第四脈沖波，并生成相應的第五信號和第六信號發送至聲波儀；
[0165] 聲波儀將第五信號和第六信號進行放大處理得到第七信號并發送至上位機。
[0166] 上位機對第四信號和第七信號進行解析，并計算液體中沉積物的聲學特性。
[0167] 需要說明的是，上述第一次測量和第二次測量中待測樣品的類型并不一定先為液 體，后為沉積物，也可以先對沉積物進行測量，后對液體進行測量。
[0168] 本發明實施例公開的聲學特性測量方法，消除了脈沖波在液體中的擴散損失，保 證了在對液體中沉積物聲學特性進行測量時結果的準確度，同時計算了預設頻率下液體中 沉積物的聲學特性。
[0169] 示例三
[0170] 基于上述示例一的聲學特性測量過程，若上位機當前輸入的測試波類型為正弦 波，此時聲學換能器為寬頻聲學換能器(例如研究80kHz~160k頻帶內的沉積物的聲學特 性，采用120kHz，頻帶為±40kHz寬頻聲學換能器)時，水聽器組包含第一水聽器和第二水聽 器，其中，第一水聽器或第二水聽器的頻寬范圍為20Hz~180kHz。
[0171] 結合上述本發明實施例公開的聲學特性測量方法，具體的聲學特性測量過程如 下：
[0172]聲波儀接收上位機發送的根據當前輸入的正弦波類型生成的攜帶有正弦波類型 的第一信號，并根據攜帶有正弦波類型的第一信號生成正弦波形信號發送給寬頻聲學換能 器；
[0173]窄頻聲學換能器將正弦波形信號轉化為正弦波并射入采樣管的待測樣品中；
[0174]此時進行第一次測量，采樣管中的待測樣品為液體；
[0175]第一水聽器和第二水聽器分別采集正弦波通過液體后形成的第一正弦波和第二 正弦波，并生成相應的第二信號和第三信號發送至聲波儀；
[0176]聲波儀將第二信號和第三信號進行放大處理得到第四信號并發送至上位機。
[0177] 此時進行第二次測量，采樣管中的待測樣品為沉積物；
[0178] 窄頻聲學換能器將脈沖波形信號轉化為預設頻率的脈沖波并射入采樣管的沉積 物中；
[0179]第一水聽器和第二水聽器分別采集正弦波通過沉積物后形成的第三正弦波和第 四正弦波，并生成相應的第五信號和第六信號發送至聲波儀；
[0180]聲波儀將第五信號和第六信號進行放大處理得到第七信號并發送至上位機。
[0181]上位機對第四信號和第七信號進行解析，并計算液體中沉積物的聲學特性。
[0182] 需要說明的是，上述第一次測量和第二次測量中待測樣品的類型并不一定先為液 體，后為沉積物，也可以先對沉積物進行測量，后對液體進行測量。
[0183] 本發明實施例公開的聲學特性測量方法，消除了正弦波在液體中的擴散損失，保 證了在對液體中沉積物聲學特性進行測量時結果的準確度，同時通過調節寬頻聲學換能器 的頻率可計算不同頻率下液體中沉積物的聲學特性。
[0184] 以上對本發明所提供的一種聲學特性測量裝置及方法進行了詳細介紹，本文中應 用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理 解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在
【具體實施方式】及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發 明的限制。
[0185] 需要說明的是，本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重 點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。 對于實施例公開的裝置而言，由于其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相 關之處參見方法部分說明即可。
[0186] 還需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個 實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間 存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語"包括"、"包含"或者其任何其他變體意在涵 蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備所固有的要素， 或者是還包括為這些過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下， 由語句"包括一個……"限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備 中還存在另外的相同要素。
[0187] 對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。 對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的 一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明 將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一 致的最寬的范圍。
【主權項】
1. 一種聲學特性測量裝置，其特征在于，包括： 上位機； 設置于測量支架上，用于放置待測樣品的采樣管； 水平放置于所述測量支架上的聲學換能器，所述聲學換能器的輸出端與所述采樣管中 所述待測樣品的端面耦合相連； 水聽器組，所述水聽器組豎直設置于所述測量支架上且所述水聽器組中各個水聽器的 采樣端插入于所述采樣管的徑向端，其中，所述水聽器組中至少包含并排設置且間隔預設 距離的第一水聽器和第二水聽器； 聲波儀，所述聲波儀的第一接收端和第一輸出端與所述上位機相連，第二輸出端與所 述聲學換能器的輸入端相連，第二接收端與所述水聽器組中各個水聽器的輸出端相連； 所述聲波儀接收所述上位機發送的根據當前輸入的測試波類型生成的攜帶有測試波 類型的第一信號，并根據所述攜帶有測試波類型的第一信號生成相應的測試波形信號發送 給所述聲學換能器;所述聲學換能器將所述測試波形信號轉化為相應的第一聲波并射入所 述采樣管中的所述待測樣品中； 當所述待測樣品為液體時，所述水聽器組中的各個水聽器采集所述第一聲波通過所述 液體后形成的第二聲波，并生成相應的第二信號發送至所述聲波儀;所述聲波儀將所述第 二信號進行放大處理，并生成第三信號發送至所述上位機； 當所述待測樣品為沉積物時，所述水聽器組中的各個水聽器采集所述第一聲波通過所 述沉積物后形成的第三聲波，并生成相應的第四信號發送至所述聲波儀;所述聲波儀將所 述第四信號進行放大處理，并生成第五信號發送至所述上位機； 所述上位機對所述第三信號和所述第五信號進行解析，并計算所述液體中所述沉積物 的聲學特性。2. 根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述水聽器組包括:針式水聽器組。3. 根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述上位機包括： 用于存儲所述水聽器組中各個水聽器之間的所述預設距離、所述第三信號和所述第五 信號的存儲器； 用于對所述第三信號和所述第五信號進行解析并計算所述液體中所述沉積物的聲學 特性的處理器。4. 根據權利要求3所述的測量裝置，其特征在于，所述處理器具體包括： 波形處理器，用于解析所述第三信號和所述第五信號，得到相應的聲學波形，判斷所述 聲學波形中起跳點的位置，并選取以起跳點為基準開始的預設η個周期的波形作為有效波， 獲取所述有效波在第一預設特征點的采樣數和在第二預設特征點的聲壓幅值，其中，η的取 值范圍為大于〇的整數，具體為3,所述第一預設特征點包括零點、峰值點和/或峰谷點，所述 第二預設特征點為所述峰值點； 第一計算器，用于基于所述第三信號對應的有效波在所述第一預設特征點的采樣點 數，計算所述液體中的第一時間差庫中，下標j表示 所述第一水聽器，下標k表示所述弟二水聽器，a為所還弟三信兮對應的有效波中零點采樣 點數ZP的總數，b為所述第三信號對應的有效波中峰值點采樣點數PP的總數，C為所述第三 信號對應的有效波中峰谷點采樣點數DP的總數，Ts為獲取采樣點數的周期； 第二計算器，用于根據所述第一時間差Δ ti，計算所述液體中的聲延時Δ to = cw〇/d()-A t，其中，CwQ為標準聲速，do為所述第一水聽器和所述第二水聽器之間的所述預設距離； 第三計算器，用于依據所述第三信號對應的有效波在所述第二預設特征點的聲壓幅 值，計算所述液體中的第一聲衰減系]中，APP1S所述第三信號 對應的有效波中第i個所述第二預設特征點的聲壓幅值； 第四計算器，用于基于所述第五信號對應的有效波在所述第一預設特征點的采樣點 數，計算所述沉積物中的第二時間I其中，m為 所述第五信號對應的有效波中零點采樣點數ZP的總數，η為所述第五信號對應的有效波中 峰值點采樣點數PP的總數，1為所述第五信號對應的有效波中峰谷點采樣點數DP的總數； 第五計算器，用于根據所述第五信號對應的有效波在所述第二預設特征點的聲壓幅 值，計算所述沉積物中的第二聲衰減系I卩中，APP1為所述第五信 號對應的有效波中第i個所述第二預設特祉點的戶壓但； 第六計算器，用于基于所述聲延時A to和所述第二時間差△ t2,計算所述液體中所述沉 積物的聲學特性中的聲速Cp = (!〇/( Δ t2-A to); 第七計算器，用于依據所述第一聲衰減系數<^和所述第二聲衰減系數α2,計算所述液體 中所述沉積物的聲學特性中的聲衰減系數αΡ = α2-αι。5. 根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述聲波儀具體用于： 當當前輸入的測試波類型為脈沖波，所述聲學換能器為預設頻率的窄頻聲學換能器 時，接收所述上位機發送的根據當前輸入的脈沖波類型生成的攜帶有脈沖波類型的第一信 號，并根據所述攜帶有脈沖波類型的第一信號生成脈沖波形信號發送給所述窄頻聲學換能 器。6. 根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述聲波儀具體用于： 當當前輸入的測試波類型為正弦波，所述聲學換能器為寬頻聲學換能器時，接收所述 上位機發送的根據當前輸入的正弦波類型生成的攜帶有正弦波類型的第一信號，并根據所 述攜帶有正弦波類型的第一信號生成正弦波形信號發送給所述寬頻聲學換能器。7. -種聲學特性測量方法，其特征在于，應用于權利要求1~6任意一項所述的測量裝 置，所述測量裝置包括上位機、采樣管、聲學換能器、水聽器組和聲波儀，其中，所述水聽器 組中至少包含并排設置且間隔預設距離的第一水聽器和第二水聽器，所述測量方法包括： 所述聲波儀接收所述上位機發送的根據當前輸入的測試波類型生成的攜帶有測試波 類型的第一信號，并根據所述攜帶有測試波類型的第一信號生成相應的測試波形信號發送 給所述聲學換能器； 所述聲學換能器將所述測試波形信號轉化為相應的第一聲波并射入所述采樣管中的 所述待測樣品中； 當所述待測樣品為液體時，所述水聽器組中的各個水聽器采集所述第一聲波通過所述 液體后形成的第二聲波，并生成相應的第二信號發送至所述聲波儀； 所述聲波儀將所述第二信號進行放大處理，并生成第三信號發送至所述上位機； 當所述待測樣品為沉積物時，所述水聽器組中的各個水聽器采集所述第一聲波通過所 述沉積物后形成的第三聲波，并生成相應的第四信號發送至所述聲波儀； 所述聲波儀將所述第四信號進行放大處理，并生成第五信號發送至所述上位機； 所述上位機對所述第三信號和所述第五信號進行解析，并計算所述液體中所述沉積物 的聲學特性。8.根據權利要求7所述的測量方法，其特征在于，所述上位機對所述第三信號和所述第 五信號進行解析，并計算所述液體中所述沉積物的聲學特性，包括： 解析所述第三信號和所述第五信號，得到相應的聲學波形； 判斷所述聲學波形中起跳點的位置，并選取以起跳點為基準開始的預設η個周期的波 形作為有效波，其中，η的取值范圍為大于O的整數，具體為3; 獲取所述有效波在第一預設特征點的采樣數和在第二預設特征點的聲壓幅值，其中， 所述第一預設特征點包括零點、峰值點和/或峰谷點，所述第二預設特征點為所述峰值點； 基于所述第三信號對應的有效波在所述第一預設特征點的采樣點數，計算所述液體中 的第一時間差ζ其中，下標j表示所述第一水聽器，下標k表示所述第二水聽器，a為所述第三信號對應 的有效波中零點采樣點數ZP的總數，b為所述第三信號對應的有效波中峰值點采樣點數PP 的總數，c為所述第三信號對應的有效波中峰谷點采樣點數DP的總數，Ts為獲取采樣點數的 周期； 根據所述第一時間差Δ ti，計算所述液體中的聲延時Δ to = cw〇/d()-A ti，其中，CwQ為標 準聲速，do為所述第一水聽器和所述第二水聽器之間的所述預設距離； 依據所述第三信號對應的有效波在所述第二預設特征點的聲壓幅值，計算所述液體中 的第一聲衰減J車中，APPi為所述第三信號對應的有效波中第i 個所述第二預設特征點的聲壓幅值； 基于所述第五信號對應的有效波在所述第一預設特征點的采樣點數，計算所述沉積物 中的第二時間i其中，m為所述第五信號對應的有效波中零點采樣點數ZP的總數，η為所述第五信號對 應的有效波中峰值點采樣點數PP的總數，1為所述第五信號對應的有效波中峰谷點采樣點 數DP的總數； 根據所述第五信號對應的有效波在所述第二預設特征點的聲壓幅值，計算所述沉積物 中的第二聲衰減系類車中，APP1為所述第五信號對應的有效波中第 i個所述第二預設特征點的聲壓幅值； 基于所述聲延時A to和所述第二時間差△ t2,計算所述液體中所述沉積物的聲學特性 中的聲速cP = do/( Δ t2_ A to); 依據所述第一聲衰減系數W和所述第二聲衰減系數^，計算所述液體中所述沉積物的 聲學特性中的聲衰減系數αΡ = α2-αι。9. 根據權利要求7所述的測量方法，其特征在于，當當前輸入的測試波類型為脈沖波， 所述聲學換能器為預設頻率的窄頻聲學換能器時，所述聲波儀接收所述上位機發送的根據 當前輸入的測試波類型生成的攜帶有測試波類型的第一信號，并根據所述攜帶有測試波類 型的第一信號生成相應的測試波形信號發送給所述聲學換能器，具體包括： 所述聲波儀接收所述上位機發送的根據當前輸入的脈沖波類型生成的攜帶有脈沖波 類型的第一信號，并根據所述攜帶有脈沖波類型的第一信號生成脈沖波形信號發送給所述 窄頻聲學換能器。10. 根據權利要求7所述的測量方法，其特征在于，當當前輸入的測試波類型為正弦波， 所述聲學換能器為寬頻聲學換能器時，所述聲波儀接收所述上位機發送的根據當前輸入的 測試波類型生成的攜帶有測試波類型的第一信號，并根據所述攜帶有測試波類型的第一信 號生成相應的測試波形信號發送給所述聲學換能器，具體包括： 所述聲波儀接收所述上位機發送的根據當前輸入的正弦波類型生成的攜帶有正弦波 類型的第一信號，并根據所述攜帶有正弦波類型的第一信號生成正弦波形信號發送給所述 寬頻聲學換能器。
【文檔編號】G01N29/032GK106018550SQ201610520403
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月1日
【發明人】鄒大鵬, 肖體兵, 王鑫
【申請人】廣東工業大學