声学阈值法突变噪声信号识别及误差修正研究

任思源　李亨涛

【摘 要】声学阈值法是应用声学进行温度、流场等测量的一种常用手段，在应用声学阈值法的过程中，获得准确的声波飞行时间是保证测量准确性的关键。然而，在实际测量时突变噪声的随机出现将严重影响测量的准确性。本文针对声学阈值法测量时接收信号的突变噪声问题，提出一种基于硬件控制策略的突变噪声识别及突变误差修正方法，并通过仿真验证误差修正的重要性。

【关键词】声学阈值法;测量;突变噪声;误差修正

中图分类号： TN406文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）19-0103-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.048

0 引言

声学检测技术[1-2]，是一种广泛应用于国防、医疗、电力、石油、汽车等各个工业及生活领域的先进检测技术。由于声波可在气体、液体、固体或它们的混合物中以横波、纵波、表面波、薄板波等各种方式进行传播，同时也可在生物体和金属中传播的特性;并且具备对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强等恶劣环境中的优势，因此声波具有非常广泛的应用领域[3]。在声学检测技术的诸多应用当中，突变噪声对测量信号的影响不容忽视，在常用的声学测量阈值法中，如果不及时发现噪声并进行误差修正，将会导致测量结果的重大偏差[4]。

1 声学阈值法测量原理

确定声波传播时间是应用声学测量的核心工作，通过确实声波的传播时间，结合测量空间的尺度，可以间接反应测量区域内的温度分布、流速流量等物理信息。声学阈值法[5]其本质是获取声波飞行时间的测量方法，该方法是通过划定信号阈值，准确捕捉声波信号的收发时刻，最终获得声波飞行時间的一种测量方法。该方法的应用如图1所示。

如图1所示，通过划定阈值，可以有效确定声波的接收时刻，而声波发射时刻与接收时刻的时间差即为声波传输时间。在应用声学测量的过程中，硬件电路本身的噪声误差是不可避免的，如硬件系统的白噪声等问题，但此类误差一般具有一定的规律，且容易通过前期标定来确定误差的种类和数值范围，有助于后期测量时进行修正。但是，另一类噪声为突变噪声，其来源随机，不可预测（如测量电路系统运行状态的突发变化或测量环境杂音的突然加入），此类误差势必将导致电信号在传输过程中产生巨大波动，并且很难进行前期误差修正。突变噪声在经过放大器（大多数声学测量硬件包含信号放大电路）后，极有可能导致时间计算错误，具体如图2所示。

图2显示了突变噪声的发生，直接导致阈值划定时声波接收时刻发生偏差，进而获得错误的声波飞行时间，本文将针对此类误差的识别及修正问题进行研究，提出一种通过硬件控制策略识别突变噪声的方法，并通过控制策略进行突变噪声误差修正。

2 突变噪声识别及误差修正

能影响测量结果准确性的突变噪声的特点是幅值大、随机出现、离散不连续，针对这些特点，在测量控制策略上对此类噪声进行识别，将有效提高测量效率。本文以单片机为声波发射及接收设备，因此，应当在单片机测量程序上对此类误差直接进行修正，具体方案原理如图3所示。

图3显示了突变噪声的识别与修正方法的原理，测量时采用单片机、数据采集卡或其他可编程控制器均可，首先设定接收反馈的数字端口为低电平，当测量信号超过阈值电压后，接收反馈端口将变为高电平。在实现阈值划定时可利用比较器划定阈值电压，在得到声波测量信号后，根据划定的阈值，经过信号处理后的测量信号会变成图3 中的反馈信号。

由突变噪声产生的反馈信号，一般来说不连续，而且其频率也未必等于测量信号的频率。为了区分突变噪声与正常测量信号，针对此误差的识别具体方法如下：

（a）接收反馈信号后，计算相邻两个高电平的上升沿时间差与下降沿时间差，即图3中tc-ta与td-tb，原则上应当有：

tc-ta=td-tb=测量信号周期（1）

当接收到的反馈信号不满足公式（1），则认为是噪声，如恰巧满足公式（1），则进入下一步分析。

（b）检测反馈是否连续，如连续获得五组符合公式（1）的反馈，则认为测量所收到的反馈为声波接收信号。

（c）如识别出突发噪声，则将第一个反馈信号上升沿清空，如不是噪声，则将第一个反馈信号上升沿时刻作为声波接收时刻，计算声波飞行时间。

为实现上述功能，则需要硬件至少需要两个定时器与一个计数器，并且需要具有存储运算功能的上位机，具体硬件要求及硬件功能如图4所示。

按照突变噪声误差识别及修正原理，参照相应的硬件进行编程，具体的程序流程如图5所示。

由于有突变噪声随机出现且无法避免，该方法将采用硬件设备的两个定时器和一个计数器，定时器0负责测量声波飞行时间Ttof，定时器1用于计算接收信号的间隔，如果间隔不等于发射信号的周期，则认为此为突变噪声，计数器用于计算符合信号间隔的个数，用以识别噪声与正确反馈信号。

3 实验验证

为了验证声学法温度分布测量在误差修正前后的效果，本文应用超声波，针对单峰温度场进行温度分布测量，测量环直径21cm，实验中采用热风机作为单峰热源，并且热源位于测量环的中心，距离测量环15cm。具体实验框架如图6所示。

其中单片机为核心测量硬件，在第一次测量过程中，程序仅启用定时器0，直接采集接收波的第一个上升沿作为超声波接收时刻数据，不加入突变误差识别及修正，最终的温度分布测量图像如图7（a）所示，第二次测量采用图5所示控制策略及相关硬件，最终的温度分布图像重建结果如图7（b）所示。

图7（a）显示了未进行误差修正的图像重建结果，可以看出，图像虽能勉强反应单峰温度场的特征，但温度波动较大，边缘波动尤为严重。图7（b）显示的是经过突变误差修正后的结果，相较于未经过误差修正的图像重建结果有一定改善，但是，重建效果还未达到最优，这是因为测量过程中的误差有很多种，本文仅针对突变误差进行修正，因此并未达到最优的重建结果，但是，采用硬件控制策略对突变误差进行识别和误差修正，还是在一定程度上改善了图像重建质量。

4 结论

在应用声学阈值法的过程中，获得准确的声波飞行时间是保证测量准确性的关键。在实际测量时，存在随机出现、无规律不连续的突变噪声，并且突变噪声的出现将势必将严重影响测量的准确性。本文针对声学阈值法测量时接收信号的突变噪声问题，提出一种基于硬件控制策略的突变噪声识别及突变误差修正方法，该方法的核心是应用定时器识别正常信号和突变信号的频率差别，同时采用计数器和定时器锁定正常接收信号，排除突变信号。最终，通过超声波单峰温度场测量实验验证了本文提出突变误差识别及修正方法的可行性。

【参考文献】

[1]崔婷婷.电站锅炉烟道温度场及流场声学测量技术研究[D].东南大学.南京，2018.

[2]李庚生，安连锁，张世平，沈国清，冯强，邓喆，许伟龙.炉内温度声学测量的声源特性试验研究[J].热力发电，2011（09）： 14-20.

[3]王明吉，张利，巍曹文.一种声学测温技术中声波飞渡时间的测量方法，中国石油大学学报（自然科学版），2011（06）： 183-187.

[4]闵闿.基于双阈值电平比较法的时差法超声波流量计信号处理研究[D].上海大学.上海，2013.

[5]刘岩.基于声学法的混合气体温度、浓度和速度分布同时测量方法研究[D].华北电力大学.北京，2015.