聲學閾值法突變噪聲信號識別及誤差修正研究

任思源　李亨濤

【摘 要】聲學閾值法是應用聲學進行溫度、流場等測量的一種常用手段，在應用聲學閾值法的過程中，獲得準確的聲波飛行時間是保證測量準確性的關鍵。然而，在實際測量時突變噪聲的隨機出現將嚴重影響測量的準確性。本文針對聲學閾值法測量時接收信號的突變噪聲問題，提出一種基于硬件控制策略的突變噪聲識別及突變誤差修正方法，并通過仿真驗證誤差修正的重要性。

【關鍵詞】聲學閾值法;測量;突變噪聲;誤差修正

中圖分類號： TN406文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）19-0103-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.048

0 引言

聲學檢測技術[1-2]，是一種廣泛應用于國防、醫療、電力、石油、汽車等各個工業及生活領域的先進檢測技術。由于聲波可在氣體、液體、固體或它們的混合物中以橫波、縱波、表面波、薄板波等各種方式進行傳播，同時也可在生物體和金屬中傳播的特性;并且具備對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強等惡劣環境中的優勢，因此聲波具有非常廣泛的應用領域[3]。在聲學檢測技術的諸多應用當中，突變噪聲對測量信號的影響不容忽視，在常用的聲學測量閾值法中，如果不及時發現噪聲并進行誤差修正，將會導致測量結果的重大偏差[4]。

1 聲學閾值法測量原理

確定聲波傳播時間是應用聲學測量的核心工作，通過確實聲波的傳播時間，結合測量空間的尺度，可以間接反應測量區域內的溫度分布、流速流量等物理信息。聲學閾值法[5]其本質是獲取聲波飛行時間的測量方法，該方法是通過劃定信號閾值，準確捕捉聲波信號的收發時刻，最終獲得聲波飛行時間的一種測量方法。該方法的應用如圖1所示。

如圖1所示，通過劃定閾值，可以有效確定聲波的接收時刻，而聲波發射時刻與接收時刻的時間差即為聲波傳輸時間。在應用聲學測量的過程中，硬件電路本身的噪聲誤差是不可避免的，如硬件系統的白噪聲等問題，但此類誤差一般具有一定的規律，且容易通過前期標定來確定誤差的種類和數值范圍，有助于后期測量時進行修正。但是，另一類噪聲為突變噪聲，其來源隨機，不可預測（如測量電路系統運行狀態的突發變化或測量環境雜音的突然加入），此類誤差勢必將導致電信號在傳輸過程中產生巨大波動，并且很難進行前期誤差修正。突變噪聲在經過放大器（大多數聲學測量硬件包含信號放大電路）后，極有可能導致時間計算錯誤，具體如圖2所示。

圖2顯示了突變噪聲的發生，直接導致閾值劃定時聲波接收時刻發生偏差，進而獲得錯誤的聲波飛行時間，本文將針對此類誤差的識別及修正問題進行研究，提出一種通過硬件控制策略識別突變噪聲的方法，并通過控制策略進行突變噪聲誤差修正。

2 突變噪聲識別及誤差修正

能影響測量結果準確性的突變噪聲的特點是幅值大、隨機出現、離散不連續，針對這些特點，在測量控制策略上對此類噪聲進行識別，將有效提高測量效率。本文以單片機為聲波發射及接收設備，因此，應當在單片機測量程序上對此類誤差直接進行修正，具體方案原理如圖3所示。

圖3顯示了突變噪聲的識別與修正方法的原理，測量時采用單片機、數據采集卡或其他可編程控制器均可，首先設定接收反饋的數字端口為低電平，當測量信號超過閾值電壓后，接收反饋端口將變為高電平。在實現閾值劃定時可利用比較器劃定閾值電壓，在得到聲波測量信號后，根據劃定的閾值，經過信號處理后的測量信號會變成圖3 中的反饋信號。

由突變噪聲產生的反饋信號，一般來說不連續，而且其頻率也未必等于測量信號的頻率。為了區分突變噪聲與正常測量信號，針對此誤差的識別具體方法如下：

（a）接收反饋信號后，計算相鄰兩個高電平的上升沿時間差與下降沿時間差，即圖3中tc-ta與td-tb，原則上應當有：

tc-ta=td-tb=測量信號周期（1）

當接收到的反饋信號不滿足公式（1），則認為是噪聲，如恰巧滿足公式（1），則進入下一步分析。

（b）檢測反饋是否連續，如連續獲得五組符合公式（1）的反饋，則認為測量所收到的反饋為聲波接收信號。

（c）如識別出突發噪聲，則將第一個反饋信號上升沿清空，如不是噪聲，則將第一個反饋信號上升沿時刻作為聲波接收時刻，計算聲波飛行時間。

為實現上述功能，則需要硬件至少需要兩個定時器與一個計數器，并且需要具有存儲運算功能的上位機，具體硬件要求及硬件功能如圖4所示。

按照突變噪聲誤差識別及修正原理，參照相應的硬件進行編程，具體的程序流程如圖5所示。

由于有突變噪聲隨機出現且無法避免，該方法將采用硬件設備的兩個定時器和一個計數器，定時器0負責測量聲波飛行時間Ttof，定時器1用于計算接收信號的間隔，如果間隔不等于發射信號的周期，則認為此為突變噪聲，計數器用于計算符合信號間隔的個數，用以識別噪聲與正確反饋信號。

3 實驗驗證

為了驗證聲學法溫度分布測量在誤差修正前后的效果，本文應用超聲波，針對單峰溫度場進行溫度分布測量，測量環直徑21cm，實驗中采用熱風機作為單峰熱源，并且熱源位于測量環的中心，距離測量環15cm。具體實驗框架如圖6所示。

其中單片機為核心測量硬件，在第一次測量過程中，程序僅啟用定時器0，直接采集接收波的第一個上升沿作為超聲波接收時刻數據，不加入突變誤差識別及修正，最終的溫度分布測量圖像如圖7（a）所示，第二次測量采用圖5所示控制策略及相關硬件，最終的溫度分布圖像重建結果如圖7（b）所示。

圖7（a）顯示了未進行誤差修正的圖像重建結果，可以看出，圖像雖能勉強反應單峰溫度場的特征，但溫度波動較大，邊緣波動尤為嚴重。圖7（b）顯示的是經過突變誤差修正后的結果，相較于未經過誤差修正的圖像重建結果有一定改善，但是，重建效果還未達到最優，這是因為測量過程中的誤差有很多種，本文僅針對突變誤差進行修正，因此并未達到最優的重建結果，但是，采用硬件控制策略對突變誤差進行識別和誤差修正，還是在一定程度上改善了圖像重建質量。

4 結論

在應用聲學閾值法的過程中，獲得準確的聲波飛行時間是保證測量準確性的關鍵。在實際測量時，存在隨機出現、無規律不連續的突變噪聲，并且突變噪聲的出現將勢必將嚴重影響測量的準確性。本文針對聲學閾值法測量時接收信號的突變噪聲問題，提出一種基于硬件控制策略的突變噪聲識別及突變誤差修正方法，該方法的核心是應用定時器識別正常信號和突變信號的頻率差別，同時采用計數器和定時器鎖定正常接收信號，排除突變信號。最終，通過超聲波單峰溫度場測量實驗驗證了本文提出突變誤差識別及修正方法的可行性。

【參考文獻】

[1]崔婷婷.電站鍋爐煙道溫度場及流場聲學測量技術研究[D].東南大學.南京，2018.

[2]李庚生，安連鎖，張世平，沈國清，馮強，鄧喆，許偉龍.爐內溫度聲學測量的聲源特性試驗研究[J].熱力發電，2011（09）： 14-20.

[3]王明吉，張利，巍曹文.一種聲學測溫技術中聲波飛渡時間的測量方法，中國石油大學學報（自然科學版），2011（06）： 183-187.

[4]閔闿.基于雙閾值電平比較法的時差法超聲波流量計信號處理研究[D].上海大學.上海，2013.

[5]劉巖.基于聲學法的混合氣體溫度、濃度和速度分布同時測量方法研究[D].華北電力大學.北京，2015.