粮食声衰减系数测量系统及方法与流程

本发明属于测量装置领域，涉及一种粮食声波衰减特性测量系统，特别是涉及一种粮食声衰减系数测量系统及方法。

背景技术：

粮食的安全仓储是关系国计民生的战略大事，具有重要的社会与经济意义。利用声检测法实现储粮虫害监测、利用声学CT法实现储粮温度监测，由于它们独具特色的优势，近年来备受关注。而这些技术在实际粮仓中的应用，都需要了解、掌握不同频率的声波在粮食中的衰减特性。

声衰减就是声波在介质中传播时其强度随传播距离的增加而逐渐减弱的现象。声波的衰减可采用直接或间接法测量。直接法依据接收器间的能量损失或幅度的减少来计算衰减。间接法通常是依据测得的声学参数，如反射因数或反射能量来间接计算声波的衰减。相比于直接法，间接法误差更大一些，且多数情况下得到的是等效值。郭敏等人在“多种粮食声吸收的研究”一文中采用驻波比法，张林等人在“粮食声传播吸声特性的研究”一文中采用传递函数法，测量了封装在阻抗管一端的样品粮食的反射因数，进而得到粮食的吸声系数，即(入射声能-反射声能)/入射声能。但这种吸声系数不能反映声波在单位长度的传播路径上因散射和吸收导致的衰减量，也无法用于实际中迫切需要的、已知传播距离的声波信号强度的估算。

实际中真正需要的以1/m为单位的声衰减系数，即声波在单位长度的传播路径上因散射和吸收导致的衰减量。只有获得粮食声衰减系数与声波频率的关系曲线，才能准确地估算各种频率的声波在实际粮仓中的信号强度，为储粮状态声检测系统的设计提供技术参数支撑。

技术实现要素：

发明目的：

本发明的目的在于获得不同频率的声波在粮食中的以1/m为单位的声衰减系数，即单位长度上因散射和吸收导致的衰减量，进而准确地估算已知传播距离的声波信号强度，为储粮状态声检测系统的设计提供技术参数支撑。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种粮食声衰减系数测量系统，其特征在于：包括扬声器、近端传声器、近端前置放大器、远端传声器、远端前置放大器、功率放大器、数据采集器、信号调理器、粮槽和电脑；扬声器、近端传声器、近端前置放大器、远端传声器、远端前置放大器均放置在装满粮食的粮槽中；扬声器的中心和近端传声器、远端传声器的端面处于同一水平线上；功率放大器的输入与电脑的声卡Line Out相连、输出与扬声器相连；近端传声器通过螺纹与近端前置放大器相连接，远端传声器通过螺纹与远端前置放大器相连接；近端前置放大器和远端前置放大器分别通过BNC-BNC同轴电缆与信号调理器的输入通道相连接；信号调理器的输出通道通过2根BNC-BNC同轴电缆连接到数据采集器的模拟输入通道；数据采集器通过USB数据线连接到电脑。

扬声器与近端传声器的距离r1要大于扬声器直径的5倍；扬声器与远端传声器的距离r2要大于或等于r1+0.5m；扬声器的中心与粮层上表面的距离要大于0.4m；扬声器、近端传声器、远端传声器与粮槽的侧板、底板的距离均要大于0.1m。

扬声器要封装在带大网孔格栅的金属保护罩中，用细而不会振动的大网孔格栅避免粮食与扬声器的直接接触，以免影响扬声器的发声效果。

信号调理器既能够对输入信号滤波与放大，又能够为传声器和前置放大器供电。

采用上述的粮食声衰减系数测量系统对粮食声衰减系数进行测量的方法，其特征在于：由声卡Line Out输出频率为f的4个周期的正弦信号；该信号经功率放大器放大后，送至扬声器发出声波；声波信号穿过粮槽中的粮食先后被距离扬声器为r1和r2的近端传声器和远端传声器接收并转化为电信号；电信号分别经近端前置放大器、远端前置放大器和信号调理器后，由数据采集器转换成数字信号并通过USB数据线馈入电脑；由电脑中的数据处理单元估计出近、远端对应信号的幅度，并依据两路信号的幅度计算出声衰减系数。

数据处理单元由以下四个模块组成：

1)带通滤波模块：用2个中心频率为f、带宽为100Hz的二阶巴特沃斯数字带通滤波器，分别抑制近端和远端采集信号中干扰和噪声的影响；

2)待解调信号提取模块：寻找滤波后近端和远端采集信号波形图中的最大值，并在最大值所处位置左右各取半个周期，获得对应于近端和远端的待解调信号；

3)幅度估计模块：分别以近端和远端的待解调信号为输入，用正交序列解调法估计近端和远端待解调信号的幅度；正交序列解调法估计待解调信号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)为待解调信号，r(n)和i(n)分别为其同相和正交的参考信号，A、f和θ分别为待解调信号的幅度、频率和相位；Fs为采样频率；N＝Fs/f为一个周期内的采样点数；n＝0:N-1；

4)声衰减系数计算模块：用式(7)计算出以1/m为单位的声衰减系数；

$\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为近端传声器(2)与扬声器(1)的距离，r2为远端传声器(3)与扬声器(1)的距离，f为声波信号的频率，α为声衰减系数，A1和A2分别为近端传声器(2)和远端传声器(3)对应信号的幅度估值，A1和A2由幅度估计模块获得，α(f)、A1(f)和A2(f)表示α、A1和A2是声波频率f的函数。

利用电脑上基于LabVIEW的人机交互界面，设置测量次数m、扬声器与近端传声器的距离r1、扬声器与远端传声器的距离r2、频率测试点的个数n以及各频率测试点所对应的频率值；启动系统运行后，系统可自动地、依次发出频率测试点所对应频率的声波信号，并进行该频率下声衰减系数的测量；每个频率测试点均进行m次测量，系统给出的声衰减系数是m次测量的平均值；系统完成所有频率测试点的声衰减系数测量后，在人机交互界面上自动绘出声衰减系数与声波频率的关系曲线图。

优点及效果：

声衰减系数反映了声波在单位长度的传播路径上因散射和吸收导致的衰减量，可用来估算已知传播距离的声波信号强度，为储粮状态声检测系统的设计提供依据。

本发明公开了一种粮食声衰减系数测量系统。用该系统，可准确、快捷地测量粮食声衰减系数与声波频率的关系曲线，进而推动储粮状态声检测技术的发展。

附图说明：

图1为系统组成示意图。

图中标号：1-扬声器；2-近端传声器；3-远端传声器；4-近端前置放大器；5远端前置放大器；6-功率放大器；7-数据采集器；8-信号调理器；9-粮槽；10-粮食；11-电脑。

图2为系统工作流程示意图。

图3为大豆声衰减系数与声波频率关系曲线图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明加做进一步的说明，但本发明所涉及的系统在实际制作时不限于说明中给出的具体型号和尺寸。

本发明提出一种粮食声衰减系数测量系统，图1给出了系统组成示意图。其中粮槽9的内尺寸为1.80m×0.70m×0.7m，里面装满大豆。扬声器1采用的是3.5英寸型号为TC9FD-18-08的全频喇叭，并封装在直径为10cm的带大网孔格栅的金属保护罩中。近端传声器2和远端传声器3的型号为MP201。近端前置放大器4和远端前置放大器5的型号为MA211。近端传声器2通过螺纹连接近端前置放大器4，远端传声器3通过螺纹连接远端前置放大器5。功率放大器6的型号为PA50。信号调理器8的型号为MC104，MC104既具有对输入信号的滤波与放大的功能，又具有为传声器和前置放大器供电的功能。数据采集器7的型号为NI 9215。电脑11为笔记本电脑。功率放大器6的输入与电脑11的声卡Line Out相连、输出与扬声器1相连。近端前置放大器4和远端前置放大器5通过2根BNC-BNC同轴电缆连接到信号调理器8的2个输入通道。信号调理器8的输出通道通过2根BNC-BNC同轴电缆连接到数据采集器7的2个模拟输入通道。数据采集器7通过USB数据线连接到笔记本电脑11。

封装在金属保护罩中的扬声器和带前置放大器的2个传声器被放置在装满大豆的粮槽中，扬声器的中心和传声器的端面处于同一水平线上、距离粮层上表面0.5m处；扬声器1、近端传声器2和远端传声器3距离粮槽前侧板分别为0.2m、1.0m和1.5m。

由声卡Line Out输出频率为f的4个周期的正弦信号；该信号经功率放大器6放大后，送至扬声器1发出声波；声波信号穿过粮槽9中的粮食10先后被距离扬声器为r1和r2的近端传声器2和远端传声器3接收并转化为电信号。电信号分别经近端前置放大器4、远端前置放大器5和信号调理器8后，由数据采集器7转换成数字信号并通过USB数据线馈入电脑11。

电脑11中的用LabVIEW程序实现的数据处理单元根据数据采集器7馈入的近端采集信号和远端采集信号，估计出近端和远端对应信号的幅度，并依据两路信号的幅度计算出声衰减系数。数据处理单元由以下4个模块组成：

1)带通滤波模块：用2个中心频率为f、带宽为100Hz的二阶巴特沃斯数字带通滤波器，分别抑制近端采集信号和远端采集信号中干扰和噪声的影响。(数据处理单元中包含了2个带通滤波器，分别用来对近端采集到的信号和远端采集到的信号做带通滤波)。

2)待解调信号提取模块：该模块由功能相同的两个子模块组成，分别用于寻找滤波后近端采集信号和远端采集信号波形图中的最大值，并在最大值所处位置的的左右各取半个周期，获得对应于近端和远端的待解调信号。

3)幅度估计模块：该模块由功能相同的两个子模块组成，分别以近端和远端的待解调信号为输入，用正交序列解调法估计出近端和远端待解调信号的幅度，即近端和远端对应信号的幅度；正交序列解调法可用公式(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)为待解调信号，r(n)和i(n)分别为其同相和正交的参考信号，A、f和θ分别为待解调信号的幅度、频率和相位；Fs为采样频率；N＝Fs/f为一个周期内的采样点数；n＝0:N-1。

4)声衰减系数计算模块：用式(7)计算出以1/m为单位的声衰减系数；

$\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为近端传声器(2)与扬声器(1)的距离，r2为远端传声器(3)与扬声器(1)的距离，f为声波信号的频率，α为声衰减系数，A1和A2分别为近端对应信号和远端对应信号的幅度估值，A1和A2由幅度估计模块获得，α(f)、A1(f)和A2(f)表示α、A1和A2是声波频率f的函数。

系统的扬声器1与近端传声器2的距离r1要大于扬声器直径的5倍，这是因为当声源中心与预测点之间的距离超过声源最大尺寸的2倍时，通常可将声源近似为点声源，要求r1要大于扬声器直径的5倍是为了可将声源视为点声源。扬声器1与远端传声器3的距离r2要大于或等于r1+0.5m，这是因为衰减系数是声波在单位长度的传播路径上的衰减量，传播路径太短的话其路径长度的测量误差会较大，影响衰减系数的测量精度，0.5m的距离能够保证声衰减系数的测量精度。扬声器1的中心与粮层上表面的距离要大于0.4m；这样设置是因为某一层面上粮食颗粒间的缝隙会随着该层面与粮层上表面的距离的增加而减少并趋于稳定，0.4m可以保证粮食颗粒间的缝隙达到稳定状态，实际测量时如不能保证与粮层上表面的距离在0.4m以上时，在粮层上面加重物也可达到同样的效果。扬声器1、近端传声器2、远端传声器3与粮槽的侧板和底板的距离均要大于0.1m，可以防止声波被侧板或底板反射后干扰测量。本实施实例中扬声器、传声器位置满足上述要求。

利用电脑上基于LabVIEW的人机交互界面，可设置测量次数m、扬声器与近端传声器的距离r1、扬声器与远端传声器的距离r2、频率测试点的个数n以及各频率测试点所对应的频率值；启动系统运行后，系统可自动地、依次发出频率测试点所对应频率的声波信号，并进行该频率下声衰减系数的测量；每个频率测试点均进行m次测量，系统给出的声衰减系数是m次测量的平均值；系统完成所有频率测试点的声衰减系数测量后，在人机交互界面上自动给出各频率测试点上的声衰减系数、并绘出声衰减系数与声波频率的关系曲线。

图2给出了系统工作流程示意图。

将测量次数m设置为20，r1和r2分别设置为0.8m和1.3m，频率测试点个数n设置为15，频率测试点的频率设置为500Hz,550Hz,600Hz,...,1200Hz，即在500Hz～1200Hz的范围内以50Hz为间隔选取15个频率点为测试频率，运行系统进行大豆声衰减系数测试，测试结束后，在前面板上绘出的声衰减系数与声波频率的关系曲线图，如图3所示。

结论：利用本发明这种粮食声衰减系数测量系统，可以获得不同频率的声波在粮食中的以1/m为单位的声衰减系数，即单位长度上因散射和吸收导致的衰减量，进而准确地估算已知传播距离的声波信号强度，为储粮状态声检测系统的设计提供技术参数支撑。