基于调幅广播机理的测量声波频率衰减的方法及实验装置

技术领域

本发明属于声波频率衰减测量领域，尤其涉及基于调幅广播机理的测量声 波频率衰减的方法及实验装置。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在 先技术。

声波的研究以及应用经历数百年的历史。1842年，多普勒通过行进的火车， 其笛声声调发生变化的现象，得到声波频率随声源与观测者之间距离发生变化 时，声波频率发生变化的多普勒效应。

声纳用于测量水域暗藏的潜艇。声波的应用与研究逐步深入。但是声波频 率是否随传播距离有微弱的衰减？陈寿元效应认为：声波频率随传播距离，会 有微弱的衰减。但是大学物理、语音处理等课本，认为声波频率仅与波源有关， 与传播媒质无关。另一种科研现象：光波红移--频率随传播距离增加而降低的天 文观测结果。声波存在波的弥散现象。光纤通信中正、负啁啾现象，表明光波 在光媒质中传播，频率会发生变化。超新星暴发的光波出现大红移量现象。

声波随传播距离而衰减的现象如果存在，为什么科学家迄今没有发现？工 程上、实验上为什么没有测量到这种变化？

可能的解释：这种变化(声波频率衰减)非常微弱，目前测量技术精度、 处理方法不能满足这种精度的要求，因此测量不到。或者理论分析没有认识到 这种变化。

频率降低的现象很多：可以用铁证如山来形容，如频率随传播距离而(衰减) 降低，光波频率降低的天文观测结果。如1929年，哈勃首次观测到遥远星系发 来的光波，地面光学望远镜接收到光波.其光波的频率降低，波长增长的天文现 象，频率降低与传播距离成正比的定律。其观测结果铁证如山，无人能否定。 并且频率降低的相对变化量与光波传播距离成比例(被称为哈勃定律)--注： 学科被称为定律的内容，才有可能接近自然规律。哈勃望远镜发射后，更大、 更多红移天体被大批发现。

红移(百度搜索):指物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象，在可 见光波段表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，即波长变长、频率降低。 红移有多普勒红移、引力红移、宇宙学红移三种类别，最初是在人们熟悉的可 见光波段发现的，随着对电磁波谱各个波段的了解逐步深入，任何电磁辐射的 波长增加都可以称为红移。红移主要应用于物理学和天文学领域，多用于天体 的移动及规律的预测上。

下面是发明人检索到的波长增加的部分佐证材料：

材料1：(加)Terence Dickinsonz著(陈冬妮译).THE UNIVERSE AND BEYOND。 第五版，人们邮电出版社。2015年3月第一版，P122页。

材料2：[法]C.弗拉马里拉著李衍.李元译.大众天文学(下)北京大学出版 社.2013年5月,第一次印刷。P787-788

材料3：频率随传播媒质而降低：光线经过大质量天体边沿时，频率发生变 化(红移量)。北京天文台天文观测专家胡景耀的观测结果：频率随传播媒质而 降低的佐证材料：

材料4：Chu Yaoquan,Hu Jingyao.Quasars around the seyferthhe seyfertgalaxy NGC3516[j].The Astrophysical Journal 1998,500:596-598

材料5：南京大学天文系教授发表文章：伽马射线的频率随传播距离的增加 而降低的科学发现。

材料6：波长增加更快：天文观测超新星暴发：波长增加更快(天文界科学 用语：红移更大)，频率快速衰减的佐证材料：发现者因该发现已获诺贝尔奖(可 以查找)。

材料7：电磁波的在媒质中传播速度与频率有关：详见波的色散、群速、相 速章节描述。

材料8：王蔷等，电磁场理论基础，清华大学出版社，2001,2003印刷。 P213--218

材料9：王家礼等，电磁场与电磁波，西安电子科技大学出版社，2004,2005， 第8次印刷。P174--178

材料10：色散补偿技术:任海兰等,光通信信号处理.电子工业出版 社.2006.P94--100

材料11：光波频率在媒质中传播的变化：如媒质的正啁啾(红头紫尾)效应: 脉冲头部的频率降低,尾部频率升高；负啁啾(紫頭红尾)效应--脉冲头部频率升 高,尾部频率降低。一般情况脉冲两端频率降低,比中间降低的快.

材料12：刘增基等，光纤通信.西安电子科技大学出版社.2006,第11次印 刷.P161--185

声波、水波等机械波波长增加的另一种形式：频率降低的一个现象(被称 为波的弥散，科学规范用语)波的弥散。实际上就是色散。实际上就是频率由 高到低的衰减过程。

声波、水波等机械波波长增加佐证材料之一，西北工业大学(国家精品课 件)，声学基础。波的弥散章节论述，论述详细。波的弥散早已成为相关专业课 的专业用语。早已被科学界、技术界认可。

声波、水波等机械波波长增加佐证材料之二：百度搜索(波函数的弥散视 频)：波函数的弥散，视频展现频率逐渐降低的过程，红色光颜色由深变浅。实 际上就是频率降低(衰减)。

鉴于目前理论、技术达不到测量声波频率微弱衰减的精度要求。本发明提 供一种超高精度的声波频率衰减的测量方法以及实验装置。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供基于调幅广播机理 的测量声波频率衰减的方法及实验装置，其结构简单且能够显著提高声波频率 衰减的测量精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种基于调幅广播机理的测量声波频率衰减的方 法。

基于调幅广播机理的测量声波频率衰减的方法，包括：

采用信号发生模块产生低频电子正弦波信号，一路输入到双踪模拟示波器 的X通道；

另一路经放大后转换成声波，声波经声道传送至远程声波传感器，远程声 波传感器将声波信号转化为声波电子信号，声波电子信号经滤波放大后，输入 到双踪模拟示波器的Y通道；

双踪模拟示波器通过对比低频电子信号频率与声波电子信号频率之间的差 值，来计算声波频率随传播距离的衰减值。

本发明的第二个方面提供一种基于调幅广播机理的测量声波频率衰减的实 验装置。

基于调幅广播机理的测量声波频率衰减的实验装置，包括：信号发生模块、 声道、信号接收模块以及双踪模拟示波器，所述信号发生模块用于产生低频电 子信号经放大后转换成声波，声波通过声道到达信号接收模块，信号接收模块 接收、转化得到的声波电子信号与信号发生模块产生的低频电子信号输入双踪 模拟示波器，所述双踪模拟示波器使低频电子信号与声波电子信号叠加，观测 声波频率随传播距离的衰减值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用调幅广播机理实现声波频率衰减的精密测量，测量精度高、测 量成本低、易操作，且稳定性高。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述 中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例测量声波衰减的实验装置结构图；

图2是本发明实施例中低频电子信号的波形图；

图3是本发明实施例中声波电子信号的波形图；

图4是本发明实施例中双踪模拟示波器显示的包络波；

图5(a)是本发明实施例中低频电子信号u

图5(b)是本发明实施例中声波电子信号u

图5(c)是本发明实施例中低频电子信号u

图6(a)是本发明实施例中Ma<1时的已调波波形图；

图6(b)是本发明实施例中Ma＝1时的已调波波形图；

图6(c)是本发明实施例中Ma>1时的已调波波形图；

图7是本发明实施例中频率衰减测量过程中的波形图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。 除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的 普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图 限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确 指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说 明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器 件、组件和/或它们的组合。

实施例一

本实施例提供了一种基于调幅广播机理的测量声波频率衰减的方法。

如图7所示，基于调幅广播机理的测量声波频率衰减的方法，包括：

采用信号发生模块产生低频电子信号，一路输入到双踪模拟示波器的X通 道；

另一路经放大后转换成声波，声波经声道传送至远程声波传感器，远程声 波传感器将声波信号转化为声波电子信号，声波电子信号经滤波放大后，输入 到双踪模拟示波器的Y通道；

双踪模拟示波器通过对比低频电子信号频率与声波电子信号频率之间的差 值，来计算声波频率随传播距离的衰减值。

其中，低频电子信号的波形图，如图所示2；声波电子信号的波形图，如图 所示3；双踪模拟示波器显示的结果，即显示的包络波，如图4所示。

信号发生模块包括低频正弦电子信号发生器、低频信号放大器以及高音喇 叭，其中，低频正弦电子信号发生器产生稳定性高的低频电子信号；低频信号 放大器接收低频正弦电子信号发生器发来的低频电子信号，并对低频电子信号 进行线性放大；高音喇叭接收低频信号放大器送来的经放大后的低频电子信号， 并将放大后的低频电子信号转换成声波后发射出去。

调节X通道与Y通道的振幅，使接入双踪模拟示波器的低频电子信号的振 幅与声波电子信号的振幅相同，调整相位角使两者同步，使低频电子信号的波 形与声波电子信号的波形叠加，得到的包络波的周期就是低频电子信号频率与 声波电子信号频率的差值的二分之一，该差值为声道频率衰减值的二分之一。

下面介绍一种实施方式：

设低频电子信号u

u

低频电子信号u

设声波电子信号u

u

声波电子信号u

根据调幅的定义，当载波的振幅值随调制信号的大小作线性变化时，即为 调幅信号，则已调波的波形如图5(c)所示，图5(a)、图5(b)则分别为低 频电子信号和声波电子信号的波形。由图可见，已调幅波振幅变化的包络形状 与低频电子信号的变化规律相同，而其包络内的高频振荡频率仍与声波电子信 号的频率相同，表明已调幅波实际上是一个高频信号。可见，调幅过程只是改 变声波电子信号的振幅，使声波电子信号的振幅与低频电子信号成线性关系， 即使U

Ma称为调幅系数，Umax表示调幅波包络的最大值，Umin表示调幅波包络 的最小值。Ma表明载波振幅受调制控制的程度，一般要求0≤Ma≤1，以便调幅 波的包络能正确地表现出调制信号的变化。Ma>1的情况称为过调制，图6(a) 是Ma<1时的已调波波形图，图6(b)是Ma＝1时的已调波波形图，图6(c) 是Ma>1时的已调波波形图；如图6(a)、图6(b)以及图6(c)所示。

为了分析调幅信号所包含的频率成分，可将公式(3)按三角函数公式展开， 得：

低频正弦电子信号发生器发出的低频电子信号的频率为f

根据正弦声波的函数，信号发生模块的发出的低频电子信号y0：

y0＝cos(wt-kx) (6)

信号接收模块，远程声波传感器接收的声波电子信号y1：

y1＝cos(wt-vt-kx) (7)

y0+y1＝cos(wt-kx)+cos(wt-vt-kx) (8)

[根据三角函数和差化积公式：

cosa+cosb＝2cos((a+b)/2)cos((a-b)/2)] (9)

得：

y0+y1＝2cos(vt/2)cos(wt-vt/2-kx) (10)

其中：w表示发射端的发射角频率，k表示传播常数，v表示角频率减小值， v与w相比非常小，t表示传播时间，x表示传播距离。

注释：公式(10)与调幅广播信号完全一样。

cos(vt/2)认为是调幅信号。这里表达是v--声波信号由源处y0，传播到X 处，衰减为y1。频率衰减值是v，而cos(wt-vt/2-kx)相当于载波。示波器上显 示调幅波。包络波的周期就是振幅变化的周期。在调幅广播中，调幅的包络波 就是语音信号，被要发送的信号。这里本发明巧妙利用调幅波原理实现对声波 频率微弱衰减的超高精密测量。包络波的周期、频率就是声波衰减值的二分之 一。

由于频率衰减非常小，v是很小的量，即频率衰减的角速度。在双踪示波器 上显示包络波的周期，包络波的波长以及包络波的频率。

本实施例证明了可以利用调幅广播的机理实现对声波频率微弱衰减的测 量，实现对声波频率积极微小变化的超高精度的测量，提高声波频率衰减的精 度；实现人类对声波的认知实现质的飞跃。

实施步骤：声波源频率为900赫兹，喇叭功率是100瓦(安放在走廊西头)。 声波传感器采用内置2级集成电路放大器的远程声波传感器(灵敏度很高)。每 隔十米为一个测量点。试验场地：山东师范大学长清校区信息楼5层实验室以 及一百多米的长走廊。

结果结果如下表：

注释：长廊在30米处有一个方形空间，测量数值偏大。近百米处实测波形 稳定性变差，受干扰严重。十米以内，声波频率变化缓慢。十米处能够稳定测 量变化数值。在声波速度一定情况下，波长与频率成反比例关系，频率降低啦， 导致波长就自然变长。

实施例二

本实施例提高了一种基于调幅广播机理的测量声波频率衰减的实验装置。

如图1所示：基于调幅广播机理的测量声波频率衰减的实验装置，包括： 信号发生模块、声道、信号接收模块以及双踪模拟示波器，所述信号发生模块 用于产生低频电子信号经放大后转换成声波，声波通过声道到达信号接收模块， 信号接收模块接收、转化得到的声波电子信号与信号发生模块产生的低频电子 信号输入双踪模拟示波器，所述双踪模拟示波器使低频电子信号与声波电子信 号叠加，观测声波频率随传播距离的衰减值。

信号发生模块产生声波的声源位置、声道传播模块、信号接收模块以及双 踪模拟示波器的测点位置保持相对静止。

其中，信号发生模块包括依次相连的低频正弦电子信号发生器、低频信号 放大器以及高音喇叭。信号接收模块包括依次相连的远程声波传感器、滤波器 以及放大器。

具体的，低频正弦电子信号发生器，优先选用基准低频电子信号源：用于 产生稳定性很高的低频电子信号。该低频电子信号为正弦信号或余弦信号。

低频信号放大器：接收基准低频电子信号源发来低频电子信号，给予线性 放大，包括至少振幅放大，电流放大以及功率放大中的一种。

高音喇叭：接收低频信号放大器送来的放大后的低频电子信号，转换成声 波，并发射出去。

声道：传播声波的空间空气通道，要求声道传播无空气流动，无振动、无 噪声。声波频率衰减振子电磁波源，提供计时用的正弦电磁波，具有稳定高且 精度高的特点。

远程声波传感器：由于普通声波传感器，接收声波的距离不够长。只有几 米的距离。灵敏度太低。不能满足长距离接收声波的要求。因此，本实施例采 用的远程声波传感器内部采用二级集成电路放大器的声波处理器，其灵敏度很 高，可以接收几十米远的声波信号。

远程声波传感器的作用：接收声道传播来的声波信号，并转化为声波电子 信号，并将声波电子信号传输到滤波器。

滤波器和放大器：对远程声波传感器送来的声波电子信号进行滤波并放大， 去除干扰波。

双踪模拟示波器：作为显示器和处理器。

双踪模拟示波器作为处理器的作用：完成滤波器+放大器送来的声波电子信 号，接送到双踪模拟示波器的Y通道。基准低频电子信号源的低频电子信号作 为基准，接入双踪模拟示波器的X通道。通过调节X、Y通道信号，使两个通 道的信号振幅相同、相位角同步，然后得到两路信号叠加后的包络波。

双踪模拟示波器作为显示器的作用：基准低频电子信号源的低频电子信号， 振幅被调制，出现包络波。

包络波的周期就是基准低频电子信号源的电子信号频率与传感器信号频率 的差值，该差值就是声道频率衰减值。即高音喇叭发出的声波频率，经过声道 传播到远程声波传感器位置的衰减值。

由图1可知，远程声波传感器得到的声波，振幅衰减、频率衰减，波长增 加，实际上就是频率减小。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领 域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之 内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开 保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上， 本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开 的保护范围以内。