Шумомер

(54), ШУМ (57) Изоб ной техни ние чувст гается за вольно ра ников шу измерений щее на ми ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗ(56) Авторское свидетел1226065, кл. б 01 Н ОМЕРретенне относ итс я к из мери тел ье. Цель изобретения - повышеительности шумомера - достисчет устранения влияния произсположенных посторонних источма дальней зоны на результаты Акустическое поле, воздействуюкрофондавления, преобразуется 2в электрический сигнал, который усиливается и подается на первый вход первого сумматора 4, на второй вход которого подается сигнал, пропорциональный сумме сигналов шести дополнителных микрофонов 11 - 16 давления, расположенных в вершинах октаэдра, в центре которого расположен мик. рофондавления. 11 ричем 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 иочеховых лсточникон и остатка помех дальней зоны.илИзобретение 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 произвольно 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 переменным 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 11 - 16 давления через последовательно соединенные третий сумматор 17, инвертор 18 и четвертый усилитель 19 с переменным коэффициентом усиления подключены 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 11- 16 давления, расстояние Й 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 дополнитепьные шесть микрофонов1 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 расположение 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 (l, пропорциональный звуковому давлению Рь Затем этот сигнал поступает на вход предварительного усилителя 2, который предназначен для со 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 Оь Далее сигнал с выхода первого усилителя 3 поступает на первый вход первого сумматора 4. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Одновременно на вход каждого из шести дополнительных микрофонов 11 - 16 давления, расположенных в вершинах октаэдра, воздействует акустическое поле, преобразующееся в напряжения Ог, Уз, У 4, Уь, Оь, (/, пропорциональные звуковым давлениям Рг, Р.Р 4, Рь, Рь, Р 7 в местах расположения дополнительных микрофонов соответственно С выхода дополнительных микрофонов 1 в 16 давления сигналы (/г - 177 поступают на третий сумматор 7. осуществляющий суммирование сигналов lг - (/7. Далее суммированный сигнал /=Х К через инвертор 18Аизменяющий фазу сигнала на 180, посту. пает на вход четвертого усилителя 19, который осуществляет усиление инвертированного сигнала (Г. 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, г 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 по- меховых 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 производная50 55 по времени от давления и модуль градиента давления отличаются только множителем, равным скорости звука в среде, в то время как компенсации полезных источников ближ. ней зоны не происходит ввиду невыполнения для них этого условия.Более конкретно, сигнал на выходе первого сумматора с точностью до членов порядка (6/1), где 1 - 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 источни. ков. 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/г, 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 (Й/Х, а для полезного источника ближней зоны - величиной порядка (1/г).Благодаря указанному различию проис. ходит 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 Й от центра. Выберем декартову систему координат так, чтобы ее начало совпадало с центром системы, а оси х, у, г совпадали с осями октаэдра. Пусть система находится в акустическом поле, характеризуемом звуковым давлением р(г, 1), где T - радиус-вектор точки. Тогда сигналы на выходах указанных микрофонов будут равны:1/(1)=ЙРЩ, 1),1.12(1) Р(Я 1),1, Й - единичные орты координатныхосей.Выберем для определения сигнал 1/(1) и запишем для него формулу Тейлора по степеням 6Ь(1)=А) р(0, 1)+Ь+ - , + ар(О, 1) 14 арО 1)дх 2 хрФ ( ) Проведя аналогичное разложение лля лругих сигналов, получаем для суммарного сиг 9 нала Сl(1)=Х И 1) на втором входе первого+, - )-+,+)О, 1+01". 15 В то же время для сигнала, принимаемого на микрофон, расположенный в центре системы, и поступающего на первый вход первого сумматора 4Ф= - 6 й. 20 В результате на выходе первого сумматора, т. е. на втором входе второго сумматора 6 имеем 1.1 1) - (,1 1)=1(1 рО, 1)+ -- е+ - е+ - )д а 4 4 аг1) 25 ХО, 1.С другой стороны, звуковое давление удовлетворяет волново.у уравнению-р, 1) 3 С- ф 1-- , - , -- рг, =О, те 1 а-,г Лрг, 1)= - ,с- а 1. где С - скорость звука в среде.Поэтому, подбирая коэффициент усиле . М ния, равный - для сигнала, нрихолящегоС-" с выхода конденсаторного микрофона через двойной дифференциатор 20 и второй усилитель 5, получаем на выходе второго сумма тора 6 С/.,(1)= -- )- + - +-(ХО, 1).а" Ь а12 Р эф дхЕсли в качестве источников используются 45 акустические монополи, расположенныс на координатных осях, то2 Ф - й )р 0, 1); ближняя зона ( (т) = -- )рО, 1), - дальняя12 где г - расстояние от источника.Коэффициент изменения отношения сигнал/шум равен4 я=24(, - )2 лгПусть 1=./4, а полезный источник расположен в ближней зоне на расстоянии ,/3 от центра системы, при этом мешающие ис1633291 формула изобретения 10 Гоставитель К. ТавлиновРедактор С. Патрушева Техред А, Кравчук Корректор Т. МалецЗаказ 612 Тираж 313 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж - 35, РаушсКая наб., д. 45Производственно. издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул, Га;арина, 101 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 (г=6), расположенных в вершинах октаэдра, то коэффициент изменения отношения сигнал/шум составляет уже величину, равную 4. Если /т=г=Л/5, то а=9,4.Из этого следует, что с уменьшением Й увеличивается отношение сигнал/шум, и при г 1(Л/4 выигрыш по этому критерию становится существенным. Однако уменьшение гт не может быть беспредельным, так как одновременно с уменьшением Й уменьшается чувствительность системы и возрастает относительный вклад собственных шумов системы микрофонов. Кроме того, значение Ь ограничено снизу размерами звукоприемников. С другой стороны, с увеличением гт уменьшается выигрыш в отношении сигнал/ /шум, и предельное значение 6 не должно превышать величину Л/4. Так, например, для частоты =5 кГц предельное расстояние 6=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 шумомерпозволяет 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. Ш умо мер, содержа щи й последовательносоединенные микрофон давления, предварительный усилитель, первый усилитель ипервый сумматор, последовательно соединенные второй усилитель, второй сумматор,блок фильтров, третий усилитель, среднеквадратичный детектор и индикатор, а такжечетвертый усилитель, отличающийся тем,что, с целью повышения избирательности,он снабжен шестью дополнительными микрофонами давления, расположенными в вершинах октаэдра, в центре которого расположенмикрофон давления, последовательно соединенными третьим сумматором и инвертором,двойным дифференциатором, вход которого25 подключен к выходу предварительного усилителя, а выход - к входу второго усилителя, выходы шести дополнительных микрофонов давления подключены к соответствующим входам третьеЬз сумматора, вход четвертого усилителя подключен к выходу ин 30вертора, а выход - к второму входу первогосумматора, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, расстояние Ьмежду микрофоном давления и дополнительными микрофонами давления определяетсяиз условияс 8(6(Л/4,где д - размер микрофона;Л - минимальная рабочая длина волныисследуемого источника шума.