粮食声衰减系数测量系统及方法与流程

技术特征：

1.一种粮食声衰减系数测量系统，其特征在于：包括扬声器(1)、近端传声器(2)、近端前置放大器(4)、远端传声器(3)、远端前置放大器(5)、功率放大器(6)、数据采集器(7)、信号调理器(8)、粮槽(9)和电脑(11)；扬声器(1)、近端传声器(2)、近端前置放大器(4)、远端传声器(3)、远端前置放大器(5)均放置在装满粮食(10)的粮槽(9)中；扬声器(1)的中心和近端传声器(2)、远端传声器(4)的端面处于同一水平线上；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；近端传声器(2)通过螺纹与近端前置放大器(4)相连接，远端传声器(3)通过螺纹与远端前置放大器(5)相连接；近端前置放大器(4)和远端前置放大器(5)分别通过BNC-BNC同轴电缆与信号调理器(8)的输入通道相连接；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)的模拟输入通道；数据采集器(7)通过USB数据线连接到电脑(11)。

2.根据权利要求1所述的粮食声衰减系数测量系统，其特征在于：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；扬声器(1)与远端传声器(3)的距离r2要大于或等于r1+0.5m；扬声器(1)的中心与粮层上表面的距离要大于0.4m；扬声器(1)、近端传声器(2)、远端传声器(3)与粮槽的侧板、底板的距离均要大于0.1m。

3.根据权利要求1所述的粮食声衰减系数测量系统，其特征在于：扬声器(1)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。

4.根据权利要求1所述的粮食声衰减系数测量系统，其特征在于：信号调理器(8)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。

5.用权利要求1、2、3或4所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(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)；由电脑(11)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。

6.根据权利要求5所述的粮食声衰减系数测量方法，其特征在于：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：

$s\left(n\right)=Asin(2\mathrm{\π}f\frac{n}{Fs}+\mathrm{\θ})=Asin(2\mathrm{\π}\frac{n}{N}+\mathrm{\θ})---\left(1\right);$

$r\left(n\right)=sin\left(2\mathrm{\π}f\frac{n}{Fs}\right)=sin\left(2\mathrm{\π}\frac{n}{N}\right)---\left(2\right);$

$i\left(n\right)=cos\left(2\mathrm{\π}f\frac{n}{Fs}\right)=cos\left(2\mathrm{\π}\frac{n}{N}\right)---\left(3\right);$

$R=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}s\left(n\right)r\left(n\right)=\frac{1}{2}NAcos\mathrm{\θ}---\left(4\right);$

$I=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}s\left(n\right)i\left(n\right)=\frac{1}{2}NA\sin \mathrm{\θ}---\left(5\right);$

$A=\frac{2\sqrt{R^2+I^2}}{N}---\left(6\right);$

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。

7.根据权利要求5所述的粮食声衰减系数测量方法，其特征在于：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；扬声器(1)与远端传声器(3)的距离r2要大于或等于r1+0.5m；扬声器(1)的中心与粮层上表面的距离要大于0.4m；扬声器(1)、近端传声器(2)、远端传声器(3)与粮槽的侧板、底板的距离要大于0.1m。

8.根据权利要求5所述的粮食声衰减系数测量方法，其特征在于：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。