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聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)范文第1篇

關(guān)鍵詞：振動(dòng)；噪聲；發(fā)動(dòng)機(jī)；瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；測(cè)量

1 振動(dòng)和噪聲法測(cè)轉(zhuǎn)速概述

科學(xué)研究表明振動(dòng)和噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速間存在一定關(guān)系，基于此可將其振動(dòng)和噪聲作為依據(jù)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量依據(jù)。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中氣缸內(nèi)壓力處于動(dòng)態(tài)變化中。氣缸活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及曲軸旋轉(zhuǎn)形成的慣性力存在周期性函數(shù)關(guān)系，同時(shí)這些慣性力也是產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)的關(guān)鍵所在，因此通過(guò)噪聲和振動(dòng)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速具有一定理論依據(jù)。通過(guò)生噪聲和振動(dòng)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)程中可發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部異常情況，一舉多得。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中可采集發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋處的振動(dòng)信息及噪聲信息，并將采集到的信息進(jìn)行比對(duì)處理，得出信息處理結(jié)果。從可行性和有效性上看利用振動(dòng)和噪聲進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信息測(cè)量不僅具有一定精度，且在操作上快速方便。將振動(dòng)和噪聲作為測(cè)量依據(jù)不僅可提升測(cè)量結(jié)果可靠性，還可為后續(xù)測(cè)量做足準(zhǔn)備，如在缺少轉(zhuǎn)速計(jì)或無(wú)法獲得轉(zhuǎn)速信號(hào)情況下便可通過(guò)振動(dòng)和噪聲進(jìn)行轉(zhuǎn)速分析。

2 振動(dòng)和噪聲測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)方案

前文已經(jīng)敘述通過(guò)振動(dòng)和噪聲進(jìn)行汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)測(cè)量具有一定可行性，且可通過(guò)該種方式判斷發(fā)動(dòng)機(jī)性能現(xiàn)狀。實(shí)際設(shè)計(jì)中要求振動(dòng)和噪聲測(cè)量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、便于攜帶、精度高等特點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)中需結(jié)合單片機(jī)或DSP作為控制程序，本文研究的振動(dòng)和噪聲測(cè)量系統(tǒng)選取合適數(shù)字處理器作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，系統(tǒng)測(cè)量方案流程見(jiàn)圖1。

2.1 傳感器的選型

傳感器是收集信號(hào)的重要裝置，振動(dòng)和噪聲測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)中，完整傳感器裝置組成圖見(jiàn)圖2。根據(jù)實(shí)際情況其組成存在一定差異。如對(duì)于精度要求不高的傳感器裝置其中間裝置可相應(yīng)減少，對(duì)精度較高的傳感器裝置可在中間添加某些環(huán)節(jié)。

傳感器對(duì)振動(dòng)和噪聲信號(hào)收集與發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中輸出信號(hào)與汽車(chē)位移、速度、加速度等有一定關(guān)系。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)頻率帶在傳感器量測(cè)極限范圍內(nèi)，因此實(shí)際測(cè)量中應(yīng)結(jié)合汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能與工作實(shí)際情況進(jìn)行選擇。例如本文研究振動(dòng)和噪聲測(cè)量系統(tǒng)時(shí)經(jīng)過(guò)對(duì)比、篩選最終確定傳感器為接觸式傳感器ZD-24，該傳感器自身電路可對(duì)收集信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，其中包括信號(hào)放大處理，因此使用該傳感器無(wú)需添加信號(hào)放大器。ZD-24傳感器具有片狀磁體裝置，可吸附于磁性物質(zhì)上，可促使其探頭與發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋緊密連接于一起。發(fā)動(dòng)機(jī)主體結(jié)構(gòu)為鐵質(zhì)材料，因此使用該傳感器可確保傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)有效接觸。ZD-24傳感器在測(cè)量過(guò)程中其探頭測(cè)量方向與振動(dòng)方向平行，當(dāng)被測(cè)物體出現(xiàn)振動(dòng)和噪聲等情況時(shí)傳感器可隨之振動(dòng)，安裝于傳感器探頭內(nèi)敏感元件便可有效感知振櫻產(chǎn)生電信號(hào)，經(jīng)電路被輸出。

2.2 安裝點(diǎn)選取

測(cè)點(diǎn)選擇與測(cè)量質(zhì)量息息相關(guān)，與后續(xù)測(cè)量處理工作有重要關(guān)系。作為信號(hào)收集核心點(diǎn)，安裝點(diǎn)是提取振動(dòng)和噪聲信號(hào)的窗口。選擇安裝點(diǎn)時(shí)需遵循兩個(gè)原則，其一是充分反映被測(cè)對(duì)象實(shí)際狀況，且信號(hào)穩(wěn)定，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障信息較為敏感；其二是安裝點(diǎn)便于安裝測(cè)試，且不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行造成影響，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各部分進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn)缸蓋及機(jī)身部位較為敏感，對(duì)比機(jī)身和缸蓋部位發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)部位信號(hào)接收結(jié)果存在一定不同，缸蓋部位傳感器更易接收到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)，信息量更為豐富，因此可將安裝點(diǎn)選取在缸蓋部位。

2.3 振動(dòng)信號(hào)分析方法

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋傳感器受到振動(dòng)和噪聲信號(hào)影響會(huì)收集到相關(guān)信息，對(duì)分析結(jié)果有用的信息受到多種因素干擾，因此需要對(duì)收集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理。信號(hào)分析主要指將收集到的信號(hào)進(jìn)行有效解讀，得出需要的結(jié)果，在分析過(guò)程中可將收集到的信號(hào)看作多種單個(gè)信號(hào)的分量之和，可通過(guò)分量組成情況考察信號(hào)特征。信號(hào)處理主要指將一個(gè)信號(hào)加工成另一個(gè)信號(hào)的過(guò)程。信號(hào)測(cè)量過(guò)程中需要將信號(hào)分析和信號(hào)處理結(jié)合起來(lái)，在信號(hào)收集后需要分析信號(hào)組成，提取有效信息，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中可通過(guò)頻域內(nèi)分析方法、時(shí)域內(nèi)分析方法等進(jìn)行信息分析。

由于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和噪聲收集過(guò)程中具有一定隨機(jī)性，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行人為掌控，因此受到傳感器精度限制，振動(dòng)及噪聲信號(hào)較為復(fù)雜，頻帶分布寬，且振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)與有用信號(hào)相關(guān)性較小，在實(shí)際分析中可找到結(jié)合振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)的周期性，強(qiáng)化信號(hào)分析作用，相較于其他濾波方法，相關(guān)分析具有簡(jiǎn)單便捷、準(zhǔn)確性較高特點(diǎn)，可有效提升收集信息任意頻段噪聲，快速得出結(jié)果。

3 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是其綜合性能重要組成部分，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)研究有重要推動(dòng)作用。轉(zhuǎn)速變化存在一定規(guī)律，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速獲得相關(guān)參數(shù)已經(jīng)成為判斷發(fā)動(dòng)機(jī)性能及故障檢測(cè)重要手段。通過(guò)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和噪聲可有效檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，從而獲得有效信息。在發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝傳感器及數(shù)據(jù)分析裝置，并結(jié)合科學(xué)的數(shù)據(jù)處理方式獲取有用信息，從而獲得發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速有效信息。

參考文獻(xiàn)

[1]余方.基于振動(dòng)和離散頻譜校正理論的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量新方法及其實(shí)現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)范文第2篇

聶洪（1987-）；男；民族：漢；籍貫：貴州省威寧縣 就讀于貴州師范大學(xué)物理學(xué)專(zhuān)業(yè)，本科

摘 要：測(cè)量聲速方法有很多種。本文從測(cè)量空氣中聲速出發(fā)，比較如有時(shí)差法，共振干涉法，相位差法等方法。從實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)誤差等三方面對(duì)三種方法進(jìn)行比較，從而體現(xiàn)改裝過(guò)的時(shí)差法的一些優(yōu)劣。

關(guān)鍵詞：改裝時(shí)差法，比較。

引言：

聲速測(cè)量是物理學(xué)中最為常做的實(shí)驗(yàn)之一，其方法有許許多多種。聲速測(cè)量也能更好體現(xiàn)物理學(xué)習(xí)過(guò)程和科學(xué)探究精神，對(duì)探索物理世界的知識(shí)的方法和更好的揭示物理現(xiàn)象與本質(zhì)的關(guān)系。隨著時(shí)間的推移科學(xué)的發(fā)展先進(jìn)儀器的發(fā)明，人們對(duì)一些物理量測(cè)量越來(lái)越精確。但是每種新的方法的產(chǎn)生總是伴隨著新優(yōu)勢(shì)的同時(shí)總會(huì)有些缺點(diǎn)。物理量測(cè)量越來(lái)越精確，如光速，重力加速度，萬(wàn)有引力常量等等的測(cè)量都更加精確。聲速測(cè)量亦是如此。常見(jiàn)的聲速測(cè)量方法中時(shí)差法最好理解，共振干涉法，駐波發(fā)，相位差法各具有點(diǎn)。聲波是在彈性介質(zhì)中傳播的波，頻率在20赫茲以下的是次聲波，頻率在20――20K赫茲范圍內(nèi)的是人耳可以聞的聲波，頻率在20K赫茲以上的就是超聲波。每種聲波對(duì)人類(lèi)都有好有壞，關(guān)鍵是怎樣認(rèn)識(shí)其用途做到趨利避害，認(rèn)識(shí)聲波聲學(xué)研究與應(yīng)用涉及物理、化學(xué)、工程技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域。例如如何避免噪聲、如何利用聲的作用來(lái)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)、海底地質(zhì)勘測(cè)（聲音導(dǎo)航和測(cè)距）、超聲探傷、超聲清洗，聲速的測(cè)定,在聲波探傷、定傷、測(cè)距、 顯示等方面都有重要的意義。

1．簡(jiǎn)單改進(jìn)過(guò)的時(shí)差法

1.1實(shí)驗(yàn)原理

改進(jìn)方法：

因?yàn)闀r(shí)差法測(cè)聲速這實(shí)驗(yàn)中用到的是可聞聲波，而可聞聲波不是良好的線(xiàn)性，發(fā)散較大，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，不易于定向發(fā)射等，所以測(cè)量結(jié)果誤差較大。且原來(lái)的《大學(xué)物理教材實(shí)驗(yàn)》中時(shí)差法測(cè)聲速的實(shí)驗(yàn)中對(duì)外界其他的可聞聲波影響沒(méi)有作出合理的處理方法。所以本文對(duì)時(shí)差法稍作改進(jìn)。改進(jìn)方法是在實(shí)驗(yàn)裝置圖中在揚(yáng)聲器和傳聲器之間加塑料管，其作用是防止外面的聲波干擾，能起到很好的效果，粗細(xì)以能和揚(yáng)聲器和傳聲器彌合最好，但保證揚(yáng)聲器與傳聲器界面要嚴(yán)格平行，這樣起到減少混響反射等影響，減少空氣流動(dòng)的影響［1］。

1.1.1聲速描述聲波在彈性媒質(zhì)中傳播快慢的物理量，方法有兩類(lèi)：

① 根據(jù)公式v=??λ 其中?是頻率λ是波長(zhǎng)

②根據(jù)公式v=s/t,測(cè)出聲波傳播路程s和所需時(shí)間t即可求出速度v.即為時(shí)差法

①時(shí)差法測(cè)量聲速得到廣泛的應(yīng)用。時(shí)差法測(cè)試聲速的基本原理 是基于速度v=距離S/時(shí)間T，通過(guò)在已知的距離內(nèi)計(jì)測(cè)聲波傳播的時(shí)間，從而計(jì)算出聲波的傳播速度。

②連續(xù)波由控制電路調(diào)制后定時(shí)發(fā)出一個(gè)聲脈沖，由發(fā)射換能器發(fā)射至被測(cè)介質(zhì)中，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過(guò)t時(shí)間后，到達(dá)L距離處的接收換能器。接收到的信號(hào)經(jīng)放大、濾波后由高精度計(jì)時(shí)電路求出聲波從發(fā)出到接收這個(gè)在介質(zhì)傳播中經(jīng)過(guò)的時(shí)間，從而計(jì) 算出聲波在某一介質(zhì)中的傳播速度。因?yàn)椴挥媚繙y(cè)的方法，而由儀器本身來(lái)計(jì)測(cè)，所以其測(cè)量精度相對(duì)于前面兩種方法要高。同樣在液體中傳播時(shí)，由于只檢測(cè)首先到達(dá)的聲波的時(shí)間，而與其它回波無(wú)關(guān)，這樣回波的影響可以忽略不計(jì)，因此測(cè)量的結(jié)果較為準(zhǔn)確，所以工程中往往采用時(shí)差法來(lái)測(cè)量。

③通過(guò)測(cè)量二換能器發(fā)射接收平面之間距離L和時(shí)間t，就可以計(jì)算出當(dāng)前介質(zhì)下的聲波傳播速度。

1.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.如圖1所示，揚(yáng)聲器與低頻方波信號(hào)發(fā)生器功率輸入端相連接，頻率取1到5赫茲。

2低頻方波信號(hào)發(fā)生器電壓輸出端與數(shù)字式示波器CH1（通道1）連接，作為觸發(fā)基準(zhǔn)信號(hào)。

3.傳聲器（話(huà)筒）接收到聲波信號(hào)，通過(guò)屏蔽線(xiàn)與CH2相連接，將光標(biāo)1指示在第一個(gè)波峰上（示波器屏上顯示通道2的波形）。

4.向后拉動(dòng)傳聲器，此時(shí)示波器屏上（屏上顯示通道2的波形）顯示的波峰向后移動(dòng)，將光標(biāo)2指示在第一個(gè)波峰上。

5.讀出光標(biāo)1與光標(biāo)2的時(shí)間差t，用尺量出傳聲器向后移動(dòng)的距離s.并算出聲速。

圖1 改進(jìn)

差分析

1.3.1 將測(cè)試方法設(shè)置到脈沖方式，將S1和S2之間的距離調(diào)至一定距離（50mm）。再調(diào)節(jié)接受增益，使顯示時(shí)差法聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及誤的時(shí)間差值讀數(shù)穩(wěn)定，此時(shí)儀器內(nèi)置的定時(shí)器工作在最佳狀態(tài)。然后記錄此時(shí)的距離值和顯示的時(shí)間值li-1、ti-1 (時(shí)間由聲速測(cè)試儀信號(hào)源時(shí)間顯示窗口直接讀出)。移動(dòng)S2，同時(shí)調(diào)節(jié)接受增益使接受信號(hào)幅度始終保持一致。記錄下這時(shí)的距離值和顯示的時(shí)間值li、ti。則聲速vi=（li-li-1）/（ti-ti-1）。多次測(cè)量算出vi值求平均得到結(jié)果。

數(shù)據(jù)表格

(空氣溫度T=130°C

(平均聲速V=33802 m/s

(溫度T=(t+27315)K= 28615 K 速度理論值= 33912 m/s E=｜V-Vs｜/Vs×100%=032%

1.3.2 不確定度的處理

(實(shí)驗(yàn)結(jié)論與理論值的比較，記錄室溫t（℃），在室溫t下，忽略空氣濕度的影響修正值為：v′=v01+tT0

（式中T0=27315K，v0為溫度為T(mén)0時(shí)聲速，v0=33145m/s。）

(把測(cè)得的波長(zhǎng)λ值，求出聲速實(shí)驗(yàn)測(cè)量值v，分別用絕對(duì)誤差報(bào)告測(cè)量方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)論：1 時(shí)差法測(cè)聲速易于理解。

2 改進(jìn)過(guò)的時(shí)差法避免了空氣流動(dòng)對(duì)結(jié)果的干擾。

3 聲波從波疏介質(zhì)正人射到波密介質(zhì)其反射波存在半波損失。（作者單位：貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院）

參考文獻(xiàn)：

［1］ 潘正元、馮壁華、于瑤．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］．南京：南京大學(xué)出版社，2002

［2］ 丁慎訓(xùn)，張孔時(shí)．物理實(shí)驗(yàn)教程(普通物理實(shí)驗(yàn)部分)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，1992

［3］ 錢(qián)士莊 戴斌江都市仙城中學(xué),江蘇江都225200 考試周刊

聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)范文第3篇

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn);教學(xué)方法;實(shí)驗(yàn)思想;問(wèn)題解決能力

中圖分類(lèi)號(hào)：G427 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）43-0141-02

美國(guó)心理學(xué)家、哈佛大學(xué)教授威廉?詹姆士說(shuō)過(guò)：教育的目的是培養(yǎng)滿(mǎn)足各種生活狀況的能力。教師是實(shí)現(xiàn)教育目的的主體，其責(zé)任除了傳授知識(shí)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的能力。因此，教師如何在教學(xué)過(guò)程中，圍繞“提高學(xué)生能力”這一核心采取有效的教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)和提高學(xué)生的能力尤為重要。每門(mén)課程都有其課程體系和相對(duì)應(yīng)的教學(xué)方法。

物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程的目的是利用實(shí)驗(yàn)儀器，通過(guò)合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，采用一定的實(shí)驗(yàn)方法，讓學(xué)生通過(guò)親自動(dòng)手去驗(yàn)證、發(fā)現(xiàn)、探究物理學(xué)規(guī)律，從而鞏固所學(xué)物理知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維習(xí)慣，提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。因此，教師在教學(xué)過(guò)程中如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，通過(guò)課程學(xué)習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練，繼而提高解決問(wèn)題的能力，是擺在實(shí)驗(yàn)課教師面前的重要課題。本文主要闡述教學(xué)過(guò)程中教師圍繞如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維習(xí)慣、正確提問(wèn)和解答，從而提高他們應(yīng)對(duì)不同狀況的能力，并取得較好的教學(xué)效果。

一、重點(diǎn)內(nèi)容“問(wèn)題化”

心理學(xué)實(shí)驗(yàn)研究表明，提問(wèn)可以引起注意，不同的問(wèn)題可以引導(dǎo)人們向不同的方向思考。因此，問(wèn)什么問(wèn)題很重要[1]。對(duì)于教學(xué)來(lái)說(shuō)，每節(jié)課都有其重點(diǎn)內(nèi)容，如何使學(xué)生在短暫的時(shí)間內(nèi)盡快掌握其重點(diǎn)很關(guān)鍵。教師在上課前應(yīng)設(shè)計(jì)一些覆蓋教學(xué)重點(diǎn)的問(wèn)題，讓學(xué)生回答，引導(dǎo)他們思考，尋找解決問(wèn)題的答案。

例如，弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是：在理解波爾理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)原子和電子碰撞的方法，實(shí)現(xiàn)原子狀態(tài)的改變，從而在原子狀態(tài)改變的時(shí)刻或者說(shuō)原子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷的時(shí)候測(cè)到原子的第一激發(fā)電位[2]。為了讓學(xué)生在有限的課堂時(shí)間內(nèi)抓住實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)，在講弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可要求學(xué)生依次回答以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘裁?？?）實(shí)驗(yàn)原理是什么？（3）實(shí)現(xiàn)原子狀態(tài)改變方法有哪些？（4）怎樣實(shí)現(xiàn)電子和原子的碰撞？（5）如何確定電子和原子碰撞的時(shí)刻，從而測(cè)出原子的第一激發(fā)電位等問(wèn)題。通過(guò)一系列的提問(wèn)，讓學(xué)生明白：實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)量亞原子的第一激發(fā)電位;要想測(cè)到第一激發(fā)電位，根據(jù)波爾理論，必須讓原子狀態(tài)改變（從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷）;實(shí)現(xiàn)原子狀態(tài)改變的方法是：讓具有一定能量的電子和原子發(fā)生碰撞，將能量傳遞給原子，從而實(shí)現(xiàn)原子狀態(tài)的改變。最終，利用弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀完成上述過(guò)程，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

這會(huì)讓學(xué)生在回答問(wèn)題時(shí)不知不覺(jué)地跟著教師設(shè)計(jì)好的思路思考和解決遇到的問(wèn)題。整個(gè)過(guò)程可以總結(jié)為：引導(dǎo)性提問(wèn)―引起注意―關(guān)注性思考―尋找答案―掌握重點(diǎn)。經(jīng)過(guò)不斷的訓(xùn)練，學(xué)生會(huì)逐漸養(yǎng)成設(shè)問(wèn)―解答的習(xí)慣，抓住問(wèn)題的重點(diǎn)和解決問(wèn)題的方法，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維習(xí)慣和實(shí)驗(yàn)思想，從而提高其有效解決問(wèn)題的能力。

二、解決問(wèn)題“方法化”

提問(wèn)是為了引起學(xué)生對(duì)重點(diǎn)問(wèn)題的注意和重視，方法是解決問(wèn)題的必經(jīng)之路，物理實(shí)驗(yàn)注重實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)巧妙，就能很好地達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｃ恳粋€(gè)物理實(shí)驗(yàn)，都會(huì)有自身的一套實(shí)驗(yàn)方法用來(lái)測(cè)量相關(guān)的物理量。在選用實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，編排實(shí)驗(yàn)或在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行調(diào)節(jié)和測(cè)量時(shí)，具有普遍意義的思想稱(chēng)為實(shí)驗(yàn)思想[3]。物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目的是：通過(guò)課程訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思想和科學(xué)思維習(xí)慣，提高解決問(wèn)題的能力。因此，在教學(xué)過(guò)程中，如何引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)尋找解決問(wèn)題的方法，顯得十分重要。

比如，測(cè)空氣比熱容比采用絕熱膨脹法，電橋測(cè)電阻運(yùn)用對(duì)稱(chēng)測(cè)量的方式，聲速測(cè)量采用駐波和行波法，弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)采用電子和原子碰撞方法，光電效應(yīng)采用零電流法等。每種實(shí)驗(yàn)不止一種方法，上課時(shí)應(yīng)充分激發(fā)學(xué)生積極思考，尋找合理有效的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力至關(guān)重要，有助于提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力。

例如，空氣比熱容比實(shí)驗(yàn)。為了讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)和尋找實(shí)驗(yàn)方法，教師可以從空氣比熱容比的概念出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生尋找實(shí)驗(yàn)方法?？諝獗葻崛荼扔纸薪^熱系數(shù)，對(duì)這個(gè)量的測(cè)量就會(huì)在絕熱過(guò)程中進(jìn)行。如果要測(cè)量這個(gè)量，就應(yīng)構(gòu)建絕熱過(guò)程，從而引導(dǎo)學(xué)生考慮利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器，思考如何構(gòu)建絕過(guò)絕熱過(guò)程，尋找實(shí)驗(yàn)方法（絕熱膨脹過(guò)程），進(jìn)而在絕熱膨脹過(guò)程中測(cè)量P、V、T三個(gè)狀態(tài)量，并將其代入絕熱方程求出空氣比熱容比。三個(gè)絕熱方程，使用哪個(gè)更簡(jiǎn)單、有效，又易于實(shí)現(xiàn)，可讓學(xué)生選擇合理的測(cè)量公式，使得整個(gè)過(guò)程學(xué)生一直都在參與思考，尋找解決問(wèn)題的方法，既可以提高學(xué)生興趣，使其積極參與，也可逐步引導(dǎo)學(xué)生思考并尋找解決問(wèn)題的方法，培養(yǎng)他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維模式，在遇到問(wèn)題時(shí)，知道首先應(yīng)從哪些方面入手，如何思考和尋找解決問(wèn)題的方法。在解決問(wèn)題的過(guò)程中，方法很重要，如果選擇合適，會(huì)獲得事半功倍的效果。

三、復(fù)雜問(wèn)題“簡(jiǎn)單化”

在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于學(xué)生看不到真實(shí)儀器，對(duì)一些實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟很難明白，這就需要教師在課堂上把一些看起來(lái)比較復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，以便學(xué)生在課堂上容易理解和接受。例如，聲速測(cè)量。這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)大部分學(xué)生來(lái)說(shuō)有點(diǎn)兒難，教師不能一開(kāi)始就講測(cè)量原理和測(cè)量方法，而應(yīng)先從簡(jiǎn)單的速度概念出發(fā)：速度是單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)的位移，那么聲速就是單位時(shí)間聲波傳播的距離，從而引出時(shí)差法?；驈乃俣取⒉ㄩL(zhǎng)、頻率的關(guān)系引出聲速測(cè)量的方法。如果利用聲速C、頻率f和波長(zhǎng)λ間的關(guān)系：C=f×λ進(jìn)行測(cè)量，那么其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路如下：（1）首先產(chǎn)生一種超聲波;（2）測(cè)出超聲波f;（3）測(cè)量超聲波波長(zhǎng)λ;（4）計(jì)算聲速C=f×λ。再由設(shè)計(jì)思路出發(fā)，為大家講解如何使用實(shí)驗(yàn)儀器產(chǎn)生超聲波及其產(chǎn)生原理以及如何測(cè)量頻率、波長(zhǎng)，從而引出駐波法和行波法。

駐波法和行波法在測(cè)量超聲波的聲速時(shí)，會(huì)有很多學(xué)生并不理解它們，認(rèn)為這兩種方法相互獨(dú)立，沒(méi)有什么聯(lián)系。實(shí)際上，這兩種方法是確定并測(cè)量駐波波幅最大時(shí)接收器與發(fā)射源之間的距離，只是觀察量不同而已。兩種方法的區(qū)別在于：駐波法是通過(guò)示波器觀察駐波共振時(shí)的最大波幅，行波法利用示波器觀察駐波共振時(shí)兩列波合成的李薩如圖形，從而確定接收器的位置。所以這兩種方法有異曲同工之妙。通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)思路，把聲速測(cè)量問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，按照實(shí)驗(yàn)思路，尋找實(shí)驗(yàn)方法，并把兩種方法對(duì)比講解，使復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，有利于學(xué)生理解和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

四、專(zhuān)業(yè)問(wèn)題“通俗化”

專(zhuān)業(yè)人士有時(shí)會(huì)高估自己聽(tīng)眾的理解力，想當(dāng)然地認(rèn)為聽(tīng)眾已經(jīng)理解了常說(shuō)的專(zhuān)有名詞。還有一些教師在講解時(shí)，會(huì)把本來(lái)很簡(jiǎn)單的問(wèn)題復(fù)雜化，增加學(xué)生的理解難度。比如，直接提問(wèn)：什么是示波器？它是用來(lái)干什么的？一般學(xué)生很少能直接簡(jiǎn)單地回答出來(lái)。實(shí)際上，示波器是顯示波形的儀器，凡是可以轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的波形都可以在示波器上顯示出來(lái)，并進(jìn)行測(cè)量。物理實(shí)驗(yàn)涉及許多專(zhuān)有名詞，如全息照相、示波器、分光儀等，如果能把這些專(zhuān)有名詞通俗化，便于學(xué)生理解和記憶。例如，全息照相可以說(shuō)是對(duì)物光波全部信息的記錄和再現(xiàn)的一種照相技術(shù)。全息指的是物體表面發(fā)出的全部信息（包括光波的振幅和相位），可以很好地讓學(xué)生區(qū)分普通照相和全息照相，記住全息照相的內(nèi)容，了解全息照相的干涉原理和再現(xiàn)原理。再如，分光儀是一種分光儀器，進(jìn)一步理解如何分光和測(cè)量波長(zhǎng)等原理。因此，專(zhuān)業(yè)名詞通俗化有助于學(xué)生理解和記憶，提高學(xué)習(xí)效率。

總之，物理實(shí)驗(yàn)是一門(mén)實(shí)踐課程，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，通過(guò)親自動(dòng)腦和動(dòng)手，在實(shí)際訓(xùn)練過(guò)程中，養(yǎng)成科學(xué)的思維習(xí)慣和正確的實(shí)驗(yàn)思想，尋找合理的實(shí)驗(yàn)方法，逐步提高解決問(wèn)題的能力。教師在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，應(yīng)始終以提高學(xué)生問(wèn)題解決能力為宗旨，采用有效的教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)，可取得很好的教學(xué)效果。其基本方法是“四化”教學(xué)法：重點(diǎn)內(nèi)容“問(wèn)題化”、解決問(wèn)題“方法化”、復(fù)雜問(wèn)題“簡(jiǎn)單化”、專(zhuān)業(yè)問(wèn)題“通俗化”。學(xué)生通過(guò)一段時(shí)間的課程訓(xùn)練后，不但能培養(yǎng)出良好的實(shí)驗(yàn)思維習(xí)慣和提高問(wèn)題解決能力，還能不斷提高應(yīng)對(duì)生活中各種狀況的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]王滟明，鄒簡(jiǎn).哈佛積極心里學(xué)筆記[M].中國(guó)言實(shí)出版社，2011.

聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)范文第4篇

關(guān)鍵詞：大型鑄件；雙晶探頭；超聲波檢測(cè)；靈敏度

1.前言

鑄件被廣泛應(yīng)用制造業(yè)中，它在各種類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備中占比較大。而在鑄造鑄件的過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)孔洞類(lèi)缺陷，裂紋、冷隔類(lèi)缺陷，夾雜類(lèi)缺陷等，導(dǎo)致生產(chǎn)的產(chǎn)品不合格造成重大經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。因此，需要研究鑄件無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)確保鑄件的安全性和可靠性具有重要的實(shí)際意義。

當(dāng)前比較有效的鑄件無(wú)損檢測(cè)技術(shù)包括超聲檢測(cè)、X射線(xiàn)透射檢測(cè)及射線(xiàn)層析攝影法等[1]，它們各有其自身的特點(diǎn)，在鑄件檢測(cè)中都得到了不同程度的應(yīng)用，根據(jù)具體被測(cè)鑄件的材料、幾何形狀等特征選擇合適的缺陷檢測(cè)方法是很重要的。但是對(duì)于大型鑄件來(lái)說(shuō)，其特殊的聲學(xué)特性，比如晶粒粗大、組織不致密性等，會(huì)造成超聲波在傳播的過(guò)程中衰減嚴(yán)重。如果對(duì)其采用一般的超聲檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)則很容易造成漏檢和誤檢的危險(xiǎn)。 因此本文采用底波衰減法對(duì)大鑄件質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)

2.鑄件超聲波探傷

超聲波探傷具有靈敏度高、穿透性強(qiáng)、檢測(cè)速度快、成本低和對(duì)人體無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)。檢測(cè)時(shí)，超聲波會(huì)從缺陷處反射而在熒光屏上出現(xiàn)缺陷波，缺陷波的波形及波幅因缺陷的幾何形狀不同而發(fā)生變化，可根據(jù)缺陷波波形特性來(lái)評(píng)判缺陷性質(zhì)。

對(duì)于大厚度的大型鑄件，超聲檢測(cè)則是很有效的，可以比較精確地測(cè)出內(nèi)部缺陷的位置、當(dāng)量大小和分布的情況。鑄件內(nèi)部組織粗大、致密性差，致使超聲波的衰減大、穿透性差。超聲波在粗大的晶粒界面上會(huì)產(chǎn)生雜亂的晶界反射，使聲能衰減嚴(yán)重，檢測(cè)頻率越高衰減越大，由晶界反射產(chǎn)生的雜波干擾越嚴(yán)重，因此，在鑄件檢測(cè)時(shí)，一般選用較低的超聲波頻率。經(jīng)過(guò)表面加工的鑄件可用機(jī)油作偶合劑采用直接接觸法進(jìn)行超聲檢測(cè)，表面粗糙的鑄件可采用水浸法。對(duì)不同類(lèi)型和材質(zhì)的鑄件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，除內(nèi)部質(zhì)量好的鑄件可采用反射法外，一般采用底波衰減法，根據(jù)底波衰減的程度來(lái)評(píng)價(jià)鑄件質(zhì)量。

3.實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)鑄件進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，一般要對(duì)聲速、聲阻抗和材質(zhì)衰減系數(shù)等聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，以便于選擇K 值、頻率、晶片尺寸等探頭參數(shù)。但同種材料不同工件的聲學(xué)特性參數(shù)都有細(xì)微的差別。因此，下面就其聲速和聲阻抗進(jìn)行了測(cè)量。

3.1大型鑄鋼件聲速的測(cè)量

聲速的測(cè)量有很多方法，如共振法、示波器法和用測(cè)速儀直接測(cè)試等。本文采用PXUT-27型數(shù)字探傷儀對(duì)工件進(jìn)行示波器法聲速測(cè)量。

測(cè)試原理為：

3.2大型鑄鋼件試樣檢測(cè)

影響探頭檢測(cè)效果的因數(shù)很多，檢測(cè)效果是否達(dá)到最佳狀態(tài)需要經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試才能獲取，所以檢測(cè)時(shí)采用不同頻率的探頭分別調(diào)節(jié)一下靈敏度以選擇適當(dāng)?shù)念l率參數(shù)。

3.2.1 頻率的選擇

對(duì)鑄件檢測(cè)來(lái)說(shuō)探頭頻率的選擇是最為重要的工作之一，檢測(cè)頻率一般為0.5～5MHz。厚度較大的可在此范圍內(nèi)選擇較低一點(diǎn)的頻率，厚度較小或經(jīng)過(guò)晶粒細(xì)化處理的工件可在此范圍內(nèi)選擇較高一點(diǎn)的頻率。

按照 3.1 節(jié)中測(cè)量的聲速我們可以算出超聲波在不同頻率下在工件中的波長(zhǎng)。當(dāng)？=1.25MHz 時(shí)，λ=4.76mm；當(dāng)？=2.5MHz 時(shí)，λ=2.38mm；當(dāng)？=5.0MHz 時(shí)，λ=1.19mm。利用 PXUT-27 型數(shù)字機(jī)在不同的頻率對(duì)探傷靈敏度進(jìn)行了調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)靈敏度是先按照工件兩平行面的底波來(lái)調(diào)整，再按照φ2當(dāng)量的平底孔進(jìn)行修正。

3.2.2 探頭選擇和掃查方式

對(duì)于外徑和厚度較大的管類(lèi)鑄件其受力部位一般都在管的內(nèi)表面，如果管的外壁較為光滑耦合較好，則除了在兩端面用直探頭掃查外還要從管外用直探頭和斜探頭徑向掃查，斜探頭要正反兩個(gè)方向掃查，以便發(fā)現(xiàn)不同取向的缺陷。但是大型鑄件的外表面一般很粗糙，模砂和坑凹很多探頭難以耦合，遇到這種情況可以從內(nèi)表面徑向探測(cè)。但是一般的直探頭有一定的盲區(qū)和始波占寬，很難保證內(nèi)近表面缺陷的檢測(cè)，如此可選擇雙晶直探頭從內(nèi)表面進(jìn)行掃查。

雙晶探頭尺寸參數(shù)的也很重要，主要是根據(jù)工件的形狀和尺寸來(lái)選擇。對(duì)于曲率半徑大或厚度較大的工件可選擇較大的晶片尺寸；對(duì)于曲率半徑較小的工件則要選擇小尺寸的晶片，如果選的過(guò)大則耦合不好。

用兩種不同的雙晶探頭，一種晶片為 1-3 壓電復(fù)合材料）對(duì)工件的離內(nèi)表面不同深度的φ3 長(zhǎng)橫孔進(jìn)行了掃查。

普通的 PZT 雙晶探頭對(duì) 5mm 深的孔也難以分辨，而1-3 壓電復(fù)合材料雙晶探頭對(duì)深度為 5mm 的孔能很好的分辨出來(lái)且波形很尖銳。這是因?yàn)?1-3 壓電復(fù)合材料晶片有高阻尼、低機(jī)械 Q 值等優(yōu)良特性，使回波的波形尖銳而且可以很好的抑制雜波。

4.結(jié)論

本文采用底波衰減法研究大鑄件超聲波探傷，得出以下結(jié)論：

（1） 測(cè)試出大型筒類(lèi)鑄鋼件的聲速為5955m/s，材質(zhì)衰減系數(shù)為0.071dB/mm。

（2） 說(shuō)明了探測(cè)大型鑄鋼件時(shí)選擇探頭頻率的原則，在大致確定頻率范圍的情況下，要根據(jù)靈敏度的要求從低頻到高頻逐個(gè)選擇探頭進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保在靈敏度滿(mǎn)足要求的條件下盡量選擇頻率較低的探頭進(jìn)行檢測(cè)。靈敏度的調(diào)節(jié)一般是根據(jù)被檢工件的兩平行底面的底面波來(lái)調(diào)節(jié)，以保證材質(zhì)的同一性。探頭晶片的尺寸要根據(jù)工件的大小和形狀來(lái)選擇，主要是要滿(mǎn)足能量和耦合的要求。

（3） 針對(duì)文中所涉及的筒類(lèi)鑄件，介紹了探頭和掃查方式的選擇原則。除了平行端面要用直探頭雙面掃查外，當(dāng)外表面光滑時(shí)從外表面用直探頭和斜探頭掃查，當(dāng)外表面粗糙時(shí)從內(nèi)表面用雙晶探頭掃查。

（4） 使用1-3壓電復(fù)合材料晶片可以有效地抑制草狀回波而且可以銳化波形。

聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)范文第5篇

【關(guān)鍵詞】時(shí)域格林函數(shù) 噪聲互相關(guān)函數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解

1 引言

近年來(lái)，國(guó)外許多研究證明，對(duì)兩個(gè)接收點(diǎn)記錄到的長(zhǎng)時(shí)間的海洋環(huán)境噪聲進(jìn)行互相關(guān)處理，得到的長(zhǎng)時(shí)間互相關(guān)函數(shù)可近似表示這兩點(diǎn)之間的格林函數(shù)。2004年，Roux, Kuperman首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，使用海洋環(huán)境噪聲可近似地估計(jì)兩點(diǎn)之間的時(shí)域格林函數(shù)（TDGF）的波前到達(dá)結(jié)構(gòu)。隨后，國(guó)外許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)使用NCF提取TDGF的技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了研究。而國(guó)內(nèi)對(duì)于該方面的研究基本都處于起步階段，對(duì)這方面的研究報(bào)道也不多見(jiàn)。

實(shí)際上，在海洋中每個(gè)獨(dú)立噪聲源產(chǎn)生的聲場(chǎng)中，聲波經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳播后在不同的兩個(gè)點(diǎn)接收到的噪聲信號(hào)是相關(guān)的，只是這種微小的相關(guān)成分，被整個(gè)海洋中廣泛分布的非相關(guān)聲場(chǎng)所淹沒(méi)。然而，對(duì)兩個(gè)接收點(diǎn)記錄的海洋環(huán)境噪聲進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的互相關(guān)處理可以將這種相關(guān)成分提取出來(lái)，得到的相干波前與格林函數(shù)的結(jié)構(gòu)一致。本文的主要工作是利用海洋環(huán)境噪聲提取格林函數(shù)，將經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)與波束形成相結(jié)合的方法應(yīng)用到格林函數(shù)提取中以提高信噪比,優(yōu)化提取方法，并進(jìn)一步進(jìn)行聲速反演。

2 原理與方法

2.1 NCF與TDGF的相似性

本文采用了如下海洋模型，僅有一層水體覆蓋于半無(wú)限大的海底之上，且水體、海底的密度以及其中的聲速分別為ρ1，c1(z)，ρ2，c2(z)，海面為壓力釋放界面，海底為剛性海底。

圖2.2.1為 噪聲場(chǎng)模型示意圖，噪聲源平面位于海面下深度z’處，海洋中的兩個(gè)點(diǎn)分別位于(r1,z1),(r2,z2)處

圖中海洋的聲學(xué)環(huán)境可看作一個(gè)波導(dǎo)。海洋當(dāng)中位于深度z1和z2，水平間距為R的兩個(gè)場(chǎng)點(diǎn)之間的格林函數(shù)可以用簡(jiǎn)正波形式表示為：

Gω(R,z1,z2)=(knR)

（2-1-1）

其中，ρ為聲源所在處的海水密度，S(ω)為聲源的頻譜。對(duì)式（2-1-1）進(jìn)行逆傅立葉變換，就可以得到時(shí)域格林函數(shù)（TDGF）的表達(dá)式：

Gt(R,z1,z2)= dωGt(R,z1,z2) exp(iωt)（2-1-2）

上面已經(jīng)得到兩點(diǎn)之間時(shí)域格林函數(shù)（TDGF）的表達(dá)式。若表面噪聲源被等效為位于深度 處的一個(gè)布滿(mǎn)點(diǎn)噪聲源的平面，海洋環(huán)境噪聲互譜密度的表達(dá)式可以表示為：

Gω(R,z1,z2)=

（2-1-3）

其中，Q2(ω)為噪聲源的能量譜，z'為噪聲源深度，αn為模態(tài)衰減系數(shù)。

將式（2-1-1）與式（2-1-3）進(jìn)行比較，可以很明顯的看出，兩個(gè)式子求和號(hào)之前的項(xiàng)為標(biāo)量不影響格林函數(shù)和互譜密度函數(shù)的結(jié)構(gòu)，二者求和號(hào)之后的項(xiàng)在結(jié)構(gòu)上具有相似性，故而理論上可以采用海洋環(huán)境噪聲場(chǎng)中兩點(diǎn)之間的長(zhǎng)時(shí)間互相關(guān)函數(shù)來(lái)提取格林函數(shù)。

2.2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）方法簡(jiǎn)介

本文使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法，在對(duì)原始噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，將其作為一種特殊濾波方法，提取噪聲數(shù)據(jù)中的不同頻段成分，再進(jìn)行互相關(guān)處理，來(lái)分析其對(duì)互相關(guān)結(jié)果的影響及有效性。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解可以在時(shí)域范圍內(nèi)將復(fù)雜的原始信號(hào)分解為一系列固有模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Functions，IMF），每一個(gè)固有模態(tài)函數(shù)需要滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：

(1)在固有模態(tài)函數(shù)的時(shí)間序列中，函數(shù)的過(guò)零點(diǎn)的數(shù)量與極值點(diǎn)的數(shù)量必須相等，或者最多只能相差一個(gè)，

(2)在任意時(shí)間點(diǎn)上，由該函數(shù)的局部極大值和極小值所構(gòu)成的包絡(luò)的均值必須等于零。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法的本質(zhì)是根據(jù)原始信號(hào)自身的時(shí)間尺度特征對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解從而獲得信號(hào)的固有振動(dòng)模態(tài)，然后根據(jù)這些固有振動(dòng)模態(tài)來(lái)分解信號(hào)的時(shí)間序列。其步驟在此不再贅述。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2012年11月15日，中國(guó)海洋大學(xué)海洋聲學(xué)研究室在青島膠州灣海域航道附近進(jìn)行了海洋環(huán)境噪聲采集實(shí)驗(yàn)。本文對(duì)海洋環(huán)境噪聲時(shí)空特性進(jìn)行分析，利用噪聲互相關(guān)技術(shù)提取格林函數(shù)，并進(jìn)一步進(jìn)行聲速反演。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)合波束形成的噪聲互相關(guān)

為了提取信噪比盡可能高的噪聲互相關(guān)波至，需要進(jìn)行單陣元數(shù)據(jù)預(yù)處理。單陣元數(shù)據(jù)預(yù)處理的內(nèi)容主要包含以下幾個(gè)方面：

（1）重新降頻采樣。滿(mǎn)足采樣定理的前提下進(jìn)行降頻采樣，降低數(shù)據(jù)處理難度；

（2）去均值與帶通濾波；

（3）時(shí)域歸一化去除異常信號(hào)；

（4）頻譜白化處理

經(jīng)過(guò)上述幾個(gè)步驟的單陣元數(shù)據(jù)預(yù)處理后，就可以將處理后的單陣元數(shù)據(jù)應(yīng)用于噪聲互相關(guān)處理。

由圖3.1.1中噪聲場(chǎng)的空間功率譜可見(jiàn)，噪聲場(chǎng)的主要能量集中于300~1000Hz頻段，且處于垂直陣俯仰角-30°~30°之間，這說(shuō)明遠(yuǎn)處行船噪聲在水平方向上占據(jù)了主導(dǎo)。這樣同一垂直陣上的陣元接收到的噪聲信號(hào)相位差很小，會(huì)導(dǎo)致提取到的噪聲互相關(guān)的時(shí)間結(jié)構(gòu)不準(zhǔn)確。

為解決這類(lèi)問(wèn)題，前人曾使用垂直波束形成方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，垂直波束形成方法可以有效提高格林函數(shù)信噪比。實(shí)驗(yàn)處理的結(jié)果如下。

但是這種處理方法仍有缺陷，由圖3.1.2可見(jiàn)，在估計(jì)的時(shí)延位置附近，仍有很大的旁瓣存在，難以準(zhǔn)確正確估計(jì)時(shí)延位置，這將會(huì)在使用某個(gè)陣元與陣列中各個(gè)陣元進(jìn)行互相關(guān)提取相干波前時(shí)產(chǎn)生不利影響，致使無(wú)法得到清晰的相干波前，如圖3.1.3所示。

為了降低這個(gè)干擾，本文采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）方法與波束形成方法相結(jié)合，來(lái)提高所提取到的環(huán)境噪聲互相關(guān)波至的信噪比。

3.2 基于EMD的噪聲互相關(guān)

使用EMD方法對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行分解，取分解所得到的固有模態(tài)函數(shù)中的前兩階進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，再進(jìn)行波束形成及互相關(guān)處理。

EMD分解得到的各階固有模態(tài)函數(shù)，在時(shí)域函數(shù)上保留了原始噪聲數(shù)據(jù)的時(shí)域變化特征，而頻域上，第一階IMF提取成分屬原始噪聲數(shù)據(jù)中最高頻段的信號(hào)，第二階IMF則為次高頻段的信號(hào)，其余依次類(lèi)推。IMF1的互相關(guān)結(jié)果分辨率要高于IMF2的互相關(guān)結(jié)果，故本文主要采用第一階固有模態(tài)函數(shù)進(jìn)行噪聲互相關(guān)處理。結(jié)果如下：

可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)EMD分解后的信號(hào)，再進(jìn)行互相關(guān)處理與波束形成所得到的噪聲互相關(guān)結(jié)果信噪比很高，明顯優(yōu)于僅使用預(yù)處理和波束形成的噪聲互相關(guān)結(jié)果。

使用此方法，計(jì)算噪聲互相關(guān)所得時(shí)延，將其與估計(jì)時(shí)延進(jìn)行對(duì)比，如下圖3.2.2所示：

圖中實(shí)線(xiàn)為T(mén)DGF估計(jì)的時(shí)延位置。由于所以水聽(tīng)器都是在同一個(gè)垂直陣上，圖3.2.2的噪聲互相關(guān)結(jié)果看起來(lái)正如在海面有一聲源時(shí)，在聲源點(diǎn)正下方接收到的直達(dá)信號(hào)。此時(shí)的噪聲互相關(guān)結(jié)果要優(yōu)于圖3.1.3中僅采用波束形成方法獲得的結(jié)果。

本文亦將由兩個(gè)間隔4.5m陣元之間NCF提取的時(shí)域格林函數(shù)用來(lái)反演聲速，并與根據(jù)溫深儀記錄的深度、溫度數(shù)據(jù)計(jì)算出的聲速進(jìn)行對(duì)比。

由噪聲互相關(guān)函數(shù)提取的時(shí)域格林函數(shù)的直達(dá)波至的到達(dá)時(shí)間為0.003s，而兩個(gè)陣元間距為4.5m，故而反演得到的聲速為4.5/0.003m/s=1500m/s，根據(jù)這個(gè)實(shí)際段內(nèi)的溫深數(shù)據(jù)所求得的實(shí)際平均聲速為1503.1m/s，誤差為0.21%左右，可見(jiàn)，反演得到的聲速非常接近于真實(shí)聲速。但由于采樣率及陣元間距的限制，圖中的波至到達(dá)時(shí)間已經(jīng)是最高分辨率之下的結(jié)果，要取得更好的結(jié)果，需要提高數(shù)據(jù)采樣率，或者提高反演時(shí)記錄噪聲的兩個(gè)陣元之間的間距。而由于實(shí)驗(yàn)條件限制，尚缺乏數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的反演。

4 總結(jié)與展望

本文使用在青島膠州灣航道附近的噪聲采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了噪聲互相關(guān)處理，并將經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與垂直波數(shù)形成相結(jié)合的方法應(yīng)用到噪聲互相關(guān)處理上來(lái)，根據(jù)結(jié)果來(lái)看，這樣的方法可以明顯提高噪聲互相關(guān)波至的信噪比。同時(shí)本文進(jìn)行了聲速的反演，并與由溫深數(shù)據(jù)計(jì)算得到的聲速進(jìn)行對(duì)比，證明反演方法是有效的且精度也較高。

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作者簡(jiǎn)介

王奉寶（1987-），男，山東省日照市五蓮縣人。碩士學(xué)位。中國(guó)海洋大學(xué)，水聲學(xué)。