一种增强玫瑰型降风噪装置的制作方法

本实用新型属于次声监测的降噪技术领域，具体涉及一种增强玫瑰降风噪装置。

背景技术：

次声是频率低于20赫兹的声波，在大气层中传播衰减较小，因此传播很远，能够用来监测自然灾害事件，如地震、火山和海啸，同时也可监测大气层核爆炸、化学爆炸等人为事件。历史上第一次被记录的次声事件是1883年印尼克拉克多拉火山爆发，次声信号围绕地球至少传了7圈，挑战者号航天飞机爆炸的次声波也绕地球多圈。历史上各有核国家进行的大气层核试验，世界各地都记录下了多次核爆炸的次声信号。

随着1996年全面禁止核试验条约(Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty,CTBT)签署，该条约旨在禁止所有形式的核试验。为了有效地监测所有方式的核试验，国际监测系统(International Monitoring System,IMS)采用了四种监测技术，即次声、地震、水声和放射性核素。次声监测技术作为IMS的4种技术之一，它是监测大气层核试验和地面或水面核爆炸的有效手段。IMS中的次声监测网由60个次声监测台站组成，且每个台站至少有4个阵元组成。次声台阵的数据可以用于次声监测，也可以用于其他科学与应用研究，比如陨石、航空航天器的探测，工厂化学爆炸的识别等。

对次声监测技术影响较大的因素是风噪声，因此降低风噪声的技术或设备是次声事件监测的关键技术之一，直接影响对次声事件的监测能力。风噪信号频率几乎完全覆盖次声信号频带，风噪声幅值往往是次声信号的数倍甚至上十倍，如果没有降噪技术，次声信号通常淹没于噪声中。由于风噪声的频率范围与次声事件的频率范围重叠，使用常规的信号处理技术无法有效消除风噪声信号，因此降低风噪声主要手段有两项：一是选址在风背景噪声低的地区，远离海岸、多风区和城市噪声的地区，通常选在密集的树林中，以减小作为主要噪声源的风的影响；另一方面是通过建设降风噪设备进行空间滤波，使得相干的目标次声信号得以增强，而不相干的风噪声信号则得到抑制。

为此，国内外许多学者致力于次声降风噪设备的研究。目前比较常用的是玫瑰型管道降风噪设备和微孔软管降风噪设备。但软管极易受损、老化，并且由于材料的限制，其降噪性能较玫瑰型降风噪声设备差。次声传感器降风噪管原理是通过在传感器周边几十米的空间上布放降风噪声细管，在空间尺度上进行次声信号的接受，实现风噪声不相关，次声源信号仍相关，从而达到降风噪的目的。玫瑰型降风噪管入口到中心传感器的距离相等且几何对称，可以提供全方位的次声响应，通过声电等效模型和风噪声模型，仿真分析降风噪声设备参数设计的降噪性能，实现降风噪设备的优化设计。

目前IMS已建成的45个台站中大多数阵元使用玫瑰型管道降风噪声设备，其中，玫瑰型有33个，占总数的73％，星型有5个，占总数的11％，其它类型有7个(包括放射型、环型和单管型)，占总数的16％。已有的文献表明，管道降风噪设备中布置管道费用占了每个台站建设费用的25％～35％。因此需要研究不同阵型，使之能够保证次声降噪效果的前提下，使用较少的管道，从而节省费用，同时有利于在现场恶劣环境下布设，降低对次声监测阵地的建设要求，具有重要意义。

技术实现要素：

本实用新型目的在于克服次声监测站点的降风噪设备建设需铺设众多管道，施工量大且对阵地要求较高的问题，提出了一种增强玫瑰型降风噪装置，该装置能在继续保持次声降噪性能的前提下，进一步减少所铺设管道的数量和长度，降低施工难度和对阵地的要求，同时降低成本。

为了实现上述目的，本实用新型一种增强玫瑰型降风噪装置，所述装置包括：多个一级管、一级合成腔和多个二级管阵列；所述二极管阵列通过二级合成腔与一级管连通；其特征在于，所述二级管阵列包括：以二级合成腔为圆心沿圆周方向分布的多个二级管；每个二级管外延连通至少三个进气管，所述进气管为设置进气口的短管。

作为上述装置的一种改进，所述二级管阵列的二级管及连通的一级管以二级合成腔为圆心沿圆周均匀分布。

作为上述装置的一种改进，所述二级管阵列的二级管数量为8。

作为上述装置的一种改进，当一个二级管连通3个进气管时，3个进气管与二级管位于一个平面；3个进气管分别设置在以二级管的末端为始端，与二级管平行和垂直处。

作为上述装置的一种改进，所述一级管为钢管、铝塑管或合金管。

作为上述装置的一种改进，所述二级管为钢管、铝塑管或合金管。

作为上述装置的一种改进，所述进气管为钢管、铝塑管或合金管。

与现有技术相比，本实用新型具有如下技术效果：

与传统的玫瑰型降风噪装置相比，本实用新型提出的增强玫瑰型降风噪装置的降噪性能保持不变，但是减少所铺设管道的数量和长度，降低施工难度和对阵地的要求，同时降低成本。

附图说明

图1为现有技术的玫瑰型降风噪装置的示意图；

图2为本实用新型的增强玫瑰型降风噪装置的示意图；

图3为本实用新型的实施例1的96输入口时按大小排列的两两输入口间的距离的示意图；

图4为两种降风噪装置的单进气口传递函数幅频响应示意图；

图5为两种降风噪装置的系统幅频响应示意图。

附图标识：

1、一级管 2、一级合成腔 3、二级管

4、二级合成腔 5、进气口 6、进气管

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的装置作进一步的描述。

本实用新型的技术原理在于：

其一，由湍流风引起的涡流是次声检测背景噪声的主要成分，它们在短距离内不具有相关性，而待测的长波长次声信号在次声降噪系统的所有入口均相关，因而在中心的次声传感器处不相关的噪声相互叠加得以削弱，待测的次声信号相互累加增强，这样就有效的提高了次声监测系统的信噪比。

其二，增强玫瑰型降风噪装置使用了和玫瑰型滤波器相同数量的输入口，结构形式没有太大变化，管道入口间的两两间距离总体上基本保持一致，导致得到的降噪性能没有太大改变。

其三，增强玫瑰型降风噪装置使用更多的短管来共用二级管，从而在总使用管道长度上有了一定幅度的减少，较长的二级管数量大幅减少，降低施工量和对阵地的建设要求，节省费用。

本实用新型的增强玫瑰型降风噪装置由一级管1、一级合成腔2、二级管3、二级合成腔4和进气管6组成，所述进气管为设置进气口5的短管。为保证布设的阵列尽量均匀分布，则进气管6的数量为16MN，其中M，N为整数，4M为二级管3的数量，N为每个二级管3接的对应的短管数量，N≥3。这种情况下，增强玫瑰型降风噪装置最少使用的进气管6数量为48个，即M＝1，N＝3。中心次声传感器通过一级合成腔2与4个一级管1相连，每一个一级管1通过二级合成腔4和4M个二级管3相连，每个二级管3接三个及三个以上短管，具体选用形式按照监测现场需要降低的风噪声程度来确定。管道通常由钢管、铝塑管或合金管组成。

增强玫瑰型降风噪装置通过使用更多的短管来共享二级管，虽然增加了一部分长度的短管，但使用的二级管更少，使得总需要使用的管道长度减少，从而减少建设费用。

对于相同入口的现有的玫瑰型降风噪装置来说，由于使用相同数量的输入口，结构形式没有太大变化，管道入口间的两两间距离总体上基本保持一致，整个系统降噪性能基本保持不变。

步骤S1：把组成增强玫瑰型降风噪装置的一级管、一级合成腔、二级管、二级合成腔、短管和空气进口按照各自的声电等效模型进行等效，画出对应的增强玫瑰型降风噪装置的等效电路模型。声学系统由各种声学元件构成，对于每个声学元件，根据压力和声流量之间的微分方程形式，通过将声压类比成电压、声流量类比成电流，可以将其等效成具有相同微分方程形式的线路模型。然后根据结点处压力连续和声流量守恒的原理，就可以将声学系统等效为类似电路系统的声学线路。

步骤S2：假设某一个进气口有声压信号输入，而其它进气口视为接地，计算管道降风噪装置的单进气口传递函数

步骤S3：在单进气口传递函数的基础上，根据现有的等效线路模型，每个进气口都有声压信号输入，采用叠加原理可求解输出声压信号，在已知输入和输出情况下，便可以求解管道降风噪装置的系统传递函数。

根据声电等效模型和现有的风噪模型，可计算出次声降噪系统的幅频响应。每个进气口的风噪声可由给出，其中nj,k(t)为白噪声通过低通滤波器的输出，低通滤波器的截止频率为fcj,k≈0.2vm/dj,k，vm为平均风速，dj,k为进气口pj和pk之间的距离。这样生成的噪声与实际数据相符，各进气口噪声相关性随距离和频率的增加而下降。假设每个进气口输入声压信号以平面波方式传播的次声信号与风噪声的叠加，在频域中有如下关系，即Xj(ω)＝Sj(ω)+Wj(ω)，其中Sj(ω)为进气口pj的次声信号sj(t)的傅里叶变换，Wj(ω)为进气口pj的风噪声信号ωj(t)的傅里叶变换。根据叠加原理，则次声监测系统中心传感器处的总声压为其中为单进气口传递函数。由于次声信号波长远大于次声监测系统中使用的降风噪装置的阵列直径，则次声信号相位差可忽略，即次声信号在各个进气口处完全相关，而风噪声则完全不相关。同时由于系统中各单进气口传递函数相同，则可以得到系统风降噪性能为：

以96个输入口为例，即M＝2，N＝3。图1、图2分别为玫瑰型降风噪装置、本实用新型的增强玫瑰型降风噪装置。图3为按大小排列后的两两输入口间的距离。从图中可以看到，以上两种降风噪装置的两两输入口间距离基本相同，差距不是很大。从图4可以看到，上述两种降风噪装置的单进气口传递函数幅频响应相差较小。从图5可以看到，本实用新型的增强玫瑰型降风噪设装置的降噪性能与传统的玫瑰型降风噪装置相比，基本保持不变。

对于传统的玫瑰型降风噪装置和本实用新型的增强玫瑰型降风噪装置，使用的一级管L1都是一样的，不需要进行比较。假设输入口为96个，则传统的玫瑰型降风噪装置需要96个L2，本实用新型的增强玫瑰型降风噪装置则只需要32个L2。对于96输入口的情况，本实用新型的增强玫瑰型降风噪装置的短管长度L3为0.7m，共96个，二级加上三级的总长度为32*L2+96*L3。如果取L2＝3.25m，而本实用新型的增强玫瑰型降风噪装置的总长度为171.2m，比传统的玫瑰型降风噪装置的管道长度96*L2＝312m，大大节省了管道的长度，幅度为45％。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。