專利名稱：用于測(cè)量聲速的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲速的測(cè)量。更具體地，本發(fā)明涉及用于基于聲信號(hào)穿過一預(yù)定距離的行進(jìn)時(shí)間來測(cè)量聲速的方法和裝置。
控制模塊101產(chǎn)生一輸出電脈沖信號(hào)102。該事件開始的瞬間，即產(chǎn)生該輸出電脈沖信號(hào)102的瞬間由t1表示。該輸出電脈沖信號(hào)102被發(fā)送至發(fā)射轉(zhuǎn)換器103。
發(fā)射轉(zhuǎn)換器103將該輸出電脈沖信號(hào)102轉(zhuǎn)換為聲脈沖信號(hào)104。
接著，由該發(fā)射轉(zhuǎn)換器103輸出的聲脈沖信號(hào)104穿過介質(zhì)105，例如空氣或水，到達(dá)反射器106并被其反射。
然后該被反射的聲脈沖信號(hào)107返回到達(dá)接收轉(zhuǎn)換器108，該接收轉(zhuǎn)換器108接收該反射的聲脈沖信號(hào)107并將其轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，以下將該電脈沖信號(hào)稱為重建的反射電脈沖信號(hào)109。
在該已知的裝置中，所述發(fā)射和接收轉(zhuǎn)換器的前端均位于與反射器106的平面平行的平面內(nèi)，因?yàn)樵摻邮辙D(zhuǎn)換器和發(fā)射轉(zhuǎn)換器是由單個(gè)轉(zhuǎn)換器來具體實(shí)現(xiàn)的。
接著，該重建的反射電脈沖信號(hào)109被發(fā)送至控制模塊101。
根據(jù)該重建的反射電脈沖信號(hào)109被該控制模塊101收到的瞬間，可確定聲脈沖信號(hào)的行進(jìn)時(shí)間，即該輸出并被反射的聲脈沖信號(hào)穿過介質(zhì)105所需的時(shí)間。該行進(jìn)時(shí)間的確定將在以后進(jìn)行描述。
可由下式得到由控制模塊101確定并輸出的聲速110，ss＝2d/t0 (1)這里，d為發(fā)射轉(zhuǎn)換器103(或接收轉(zhuǎn)換器108)與反射器106之間的距離，且t0為行進(jìn)時(shí)間，該行進(jìn)時(shí)間為所述輸出的聲脈沖信號(hào)104穿過發(fā)射轉(zhuǎn)換器103和反射器106之間的距離所需的時(shí)間與所述反射的聲脈沖信號(hào)107穿過反射器106和接收轉(zhuǎn)換器108之間的距離所需的時(shí)間之和。
下面，將描述現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)行進(jìn)時(shí)間t0的確定。
由控制模塊101產(chǎn)生的輸出電脈沖信號(hào)102典型的為具有有限持續(xù)時(shí)間的選通正弦信號(hào)，如圖2a所示。
由于發(fā)射轉(zhuǎn)換器103和接收轉(zhuǎn)換器108的固有特征，一般而言，轉(zhuǎn)換器103和104在各自的信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中會(huì)使信號(hào)的特征惡化。這意味著，例如聲脈沖信號(hào)104的波形與輸出的電脈沖信號(hào)102的波形并非精確對(duì)應(yīng)，其中，所述的聲脈沖信號(hào)104是通過發(fā)射轉(zhuǎn)換器103由輸出的電脈沖信號(hào)102產(chǎn)生的。類似地，重建的反射電脈沖信號(hào)109的波形與反射聲脈沖信號(hào)107的波形也并非精確對(duì)應(yīng)，其中，所述重建的反射電脈沖信號(hào)109是通過接收轉(zhuǎn)換器108由反射的聲脈沖信號(hào)107產(chǎn)生的。
圖2b示出一被控制模塊101接收的重建的反射電脈沖信號(hào)109的例子，其源于作為輸出電脈沖信號(hào)102被發(fā)送至發(fā)射轉(zhuǎn)換器103的選通正弦信號(hào)。
當(dāng)控制模塊101接收到一信號(hào)后，它將決定該接收的信號(hào)是重建的反射電脈沖信號(hào)109還是僅為背景噪聲。
為討論方便，認(rèn)為該接收的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。
當(dāng)控制模塊101接收到該接收信號(hào)的一個(gè)數(shù)字樣本時(shí)，其將該數(shù)字信號(hào)的當(dāng)前樣本的幅度與兩個(gè)門限301，302，即上門限301和下門限302進(jìn)行比較(見圖3)。
在該上下文中，幅度的意思是在當(dāng)前瞬間該數(shù)字信號(hào)的電壓電平。
如果該數(shù)字信號(hào)的當(dāng)前樣本幅度的絕對(duì)值大于上門限或下門限的絕對(duì)值，則判斷檢測(cè)到重建的反射電脈沖信號(hào)109，且由t2表示該當(dāng)前瞬間(見圖3)。
否則，控制模塊101判斷未檢測(cè)到該重建的反射電脈信號(hào)109，且該控制模塊101繼續(xù)獲取下一個(gè)數(shù)字樣本并進(jìn)行上述的比較，直到檢測(cè)到該重建的反射電脈沖信號(hào)109。
然后對(duì)行進(jìn)時(shí)間t0進(jìn)行估計(jì)作為估計(jì)行進(jìn)時(shí)間 ，其由下式獲得t^0=t2-t1,----(2)]]>這里，t1為輸出電脈沖信號(hào)102開始由控制模塊101產(chǎn)生的瞬間，以及t2為控制模塊101檢測(cè)到該重建的反射電脈沖信號(hào)109的瞬間。
以上完成了對(duì)如何由計(jì)算出的時(shí)間 估計(jì)行進(jìn)時(shí)間t0的描述。
然而，上述的現(xiàn)有技術(shù)特別是具有以下兩個(gè)問題會(huì)造成由 對(duì)t0的估計(jì)不精確。
首先，由發(fā)射轉(zhuǎn)換器103所進(jìn)行的輸出電脈沖信號(hào)102到其聲形式(聲脈沖信號(hào)104)的轉(zhuǎn)換不是瞬間完成的，這主要是由于轉(zhuǎn)換器的物理限制。事實(shí)上，在由控制模塊101開始產(chǎn)生輸出電脈沖信號(hào)102的瞬間(即t1)和聲脈沖信號(hào)104開始在介質(zhì)105中行進(jìn)的瞬間之間存在相當(dāng)大的時(shí)延。如果對(duì)不同輪次/場合的聲速測(cè)量，該時(shí)延為一固定值，則可通過由t1加該固定值替換t1來解決這一問題。然而，對(duì)不同輪次/場合下的聲速測(cè)量，該時(shí)延并非恒定。
其次，對(duì)所述重建的反射電脈沖信號(hào)109的檢測(cè)也不是瞬時(shí)的。事實(shí)上，僅是在經(jīng)過該重建的反射電脈沖信號(hào)109的約若干周期的一個(gè)相當(dāng)大的時(shí)延后，控制模塊101才能夠檢測(cè)到該重建的反射電脈沖信號(hào)109的到來，如圖3所示。如果對(duì)不同輪次/場合的聲速測(cè)量該時(shí)延為一固定值，例如一個(gè)周期，則可通過由t2減去該固定值代替t2來克服這一問題。然而，對(duì)不同輪次/場合的聲速測(cè)量，該時(shí)延也并不是恒定的。
當(dāng)使用低廉的元件時(shí)這些問題尤其嚴(yán)重，例如將帶有聲卡的個(gè)人計(jì)算機(jī)用作控制模塊101，將經(jīng)濟(jì)的、相當(dāng)?shù)土膿P(yáng)聲器作為發(fā)射轉(zhuǎn)換器103，塑料光盤盒作為反射器106，以及使用經(jīng)濟(jì)的、相當(dāng)?shù)土臄U(kuò)音器作為接收轉(zhuǎn)換器108。
為達(dá)到該第一目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，用于測(cè)量聲速的裝置包括用于產(chǎn)生電脈沖信號(hào)的電脈沖產(chǎn)生裝置，以下將該電脈沖信號(hào)稱為輸出電脈沖信號(hào)。該電脈沖產(chǎn)生裝置通過例如一電纜連接至發(fā)射轉(zhuǎn)換器，該發(fā)射轉(zhuǎn)換器用于將該輸出電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲脈沖信號(hào)，以下將其稱為輸出聲脈沖信號(hào)。該發(fā)射轉(zhuǎn)換器可以是經(jīng)濟(jì)的、相當(dāng)廉價(jià)的揚(yáng)聲器。此外，提供用于將聲脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)的接收轉(zhuǎn)換器。該接收轉(zhuǎn)換器可以是經(jīng)濟(jì)的、相當(dāng)?shù)土臄U(kuò)音器。這兩個(gè)轉(zhuǎn)換器均與一反射器連接，其連接方式使得由該發(fā)射轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生和輸出的輸出聲脈沖信號(hào)被該反射器反射，由此產(chǎn)生一反射聲脈沖信號(hào)，該信號(hào)被所述接收轉(zhuǎn)換器接收。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，該接收轉(zhuǎn)換器相對(duì)于所述發(fā)射轉(zhuǎn)換器的排列方式使得其既能接收所述輸出聲脈沖信號(hào)，也能接收所述反射聲脈沖信號(hào)，并分別將他們轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。以下將由接收轉(zhuǎn)換器自輸出聲脈沖信號(hào)產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)稱為重建的輸出電脈沖信號(hào)，而將自反射的聲脈沖信號(hào)產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)稱為重建的反射電脈沖信號(hào)。此外，根據(jù)本發(fā)明的這一方面的裝置包括速度確定裝置，用于使用該重建的輸出電脈沖信號(hào)以及該重建的反射電脈沖信號(hào)來確定聲速。
該電脈沖產(chǎn)生裝置和/或速度確定裝置可在個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)中實(shí)現(xiàn)。例如，所述電脈沖產(chǎn)生裝置和速度確定裝置均可由包含聲卡的PC來實(shí)現(xiàn)。
此外，所述反射器可以是塑料元件，具體地說可以是光盤盒。
可以看到，根據(jù)本發(fā)明的裝置的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，即使使用非常低廉的元件，仍能夠使聲速測(cè)量的精確度得到改進(jìn)，由于通過基于重建的輸出電脈沖信號(hào)來確定聲速，可消除在現(xiàn)有技術(shù)的裝置中所存在的在上述發(fā)射轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換過程中由未知的時(shí)延引起的聲速計(jì)算的不確定性。此外，該裝置非常便宜且因此尤其適用于低成本的應(yīng)用。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，該電脈沖產(chǎn)生裝置被設(shè)置為使得其能夠產(chǎn)生具有一波形的輸出電脈沖信號(hào).該輸出的電脈沖信號(hào)以具有最大幅度的主周期開始，且.其中，該輸出電脈沖信號(hào)的端部的幅度逐漸減小到或者是0或者是與該輸出電脈沖信號(hào)在其主周期內(nèi)的最大幅度相比相當(dāng)小的一個(gè)值。
該輸出電脈沖信號(hào)可能還包括一初始部分，其幅度與該輸出電脈沖信號(hào)的最大幅度相比要小得多。為討論方便，假定該輸出電脈沖信號(hào)不具有這樣一個(gè)初始部分。
本發(fā)明的該實(shí)施例進(jìn)一步改進(jìn)了聲速測(cè)量的強(qiáng)壯性和精確性，由于該輸出電脈沖信號(hào)這種波形，使得在現(xiàn)有技術(shù)的裝置中所存在的如上所述的速度確定裝置的檢測(cè)過程中由未知的時(shí)延引起的聲速計(jì)算的不確定性得到了消除或至少得到了降低。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供一波形引導(dǎo)，其被設(shè)置在該發(fā)射轉(zhuǎn)換器和反射器之間，和/或被設(shè)置在該接收轉(zhuǎn)換器和反射器之間。
此外，該波形引導(dǎo)可以為一中空的柱形管，其通過將一張長紙卷成一中空的圓柱而制成。
使用這樣一個(gè)波形引導(dǎo)，可進(jìn)一步降低信號(hào)能量的損失，由此由于當(dāng)穿過介質(zhì)時(shí)信號(hào)幅度的損失減少，因此能夠提供更好的測(cè)量結(jié)果。
此外，根據(jù)本發(fā)明的一較佳實(shí)施例，該速度確定裝置被設(shè)置為使得.當(dāng)檢測(cè)到該重建的輸出電脈沖信號(hào)的主周期的第二個(gè)峰值時(shí)，使用第一瞬間來確定聲速，.當(dāng)檢測(cè)到該重建的反射電脈沖信號(hào)的主周期的第二個(gè)峰值時(shí)，使用第二瞬間來確定聲速。
當(dāng)其絕對(duì)值大于第一門限的絕對(duì)值時(shí)，則表明檢測(cè)到該重建的輸出電脈沖信號(hào)的主周期的第二個(gè)峰值(其為該主周期的第二半周期的峰值)，當(dāng)其絕對(duì)值大于第二門限的絕對(duì)值時(shí)，則表明檢測(cè)到該重建的反射電脈沖信號(hào)的主周期的第二個(gè)峰值。該第一和第二門限可具有相同或不同的值。較佳地，該第一門限的絕對(duì)值大于該第二門限的絕對(duì)值，因?yàn)橐话銇碚f，該重建的輸出電脈沖信號(hào)的能量高于該重建的反射電脈沖信號(hào)的能量，從而前者的幅度也大于后者的幅度。
根據(jù)本發(fā)明，選擇第二半周期的而不是第一半周期的有利之處在于，可以觀察到，在某些場合下，該重建的反射電脈沖信號(hào)的主周期的第一半周期的峰值不是足夠大，而在另一些場合下，其又足夠大，即其絕對(duì)值在某些場合下小于第二門限的絕對(duì)值，但在另外一些場合下卻大于第二門限的絕對(duì)值。因此，檢測(cè)該主周期的第一半周期的峰值在許多情況下會(huì)影響估計(jì)該進(jìn)行時(shí)間t0的精確性，由于在某些情況下，檢測(cè)到峰值的時(shí)間將正確地與該主周期的第一半周期的峰值對(duì)應(yīng)，而在另外一些情況下，其與跟隨該主周期的一周期的第一半周期的峰值并非正確地對(duì)應(yīng)，因?yàn)椴⑽礄z測(cè)到該主周期的第一半周期的峰值。另一方面，該重建的反射電脈沖信號(hào)的主周期的第二半周期的峰值則始終都足夠大。
此外，本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種即使在使用低廉的元件時(shí)也能以改進(jìn)的精確性來測(cè)量聲速的方法。
為達(dá)到該第二目的，根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，在該用于測(cè)量聲速的方法的第一步產(chǎn)生一輸出電脈沖信號(hào)。接著，將該輸出的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為一輸出聲脈沖信號(hào)。被反射器反射后，接收該產(chǎn)生的反射聲脈沖信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為一重建的反射電脈沖信號(hào)。最后，使用該重建的反射電脈沖信號(hào)來確定聲速。
此外，根據(jù)本發(fā)明的一較佳實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，在該用于測(cè)量聲速的方法的第一步，產(chǎn)生一輸出電脈沖信號(hào)。接著，將該輸出電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為一輸出聲脈沖信號(hào)和一重建的輸出電脈沖信號(hào)。在被反射器反射后，接收如此產(chǎn)生的反射的聲脈沖信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為一重建的反射電脈沖信號(hào)。最后，使用該重建的反射電脈沖信號(hào)和重建的輸出電脈沖信號(hào)來確定聲速。
上述關(guān)于裝置的實(shí)施例也適用于根據(jù)本發(fā)明的方法。
圖4示出用于測(cè)量聲音在空氣中的速度的具有個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)401的裝置400，所述個(gè)人計(jì)算機(jī)包括作為電脈沖產(chǎn)生裝置和速度確定裝置的聲卡402。
根據(jù)該實(shí)施例，在該裝置中僅使用了標(biāo)準(zhǔn)的PC附件/元件，具體地，例如聲卡、擴(kuò)音器和揚(yáng)聲器，而并未使用非標(biāo)準(zhǔn)的PC附件/元件，例如其他的PC插接卡，具有PC接口的外部單元，以及超聲檢測(cè)器。
注意使用個(gè)人計(jì)算機(jī)401的聲卡402用于產(chǎn)生輸出電脈沖信號(hào)404意味著該輸出電脈沖信號(hào)404將在能夠聽得見的聲頻范圍內(nèi)，即20Hz到20,000Hz，而不在超聲頻率范圍內(nèi)，即高于20,000Hz。
在該情況下，帶有聲卡402的PC401形成控制模塊。
此外，揚(yáng)聲器403被提供作為發(fā)射轉(zhuǎn)換器。該揚(yáng)聲器403通過電纜與聲卡402連接。
由該聲卡402產(chǎn)生的該輸出電脈沖信號(hào)404被提供給揚(yáng)聲器403，由該揚(yáng)聲器將其轉(zhuǎn)換為輸出聲脈沖信號(hào)405。
然后由揚(yáng)聲器403發(fā)出該聲脈沖信號(hào)405，使其穿越介質(zhì)，根據(jù)本實(shí)施例，該介質(zhì)為空氣406，從而該聲脈沖信號(hào)405的至少一部分碰到反射器107并被反射器107反射。
該輸出聲脈沖信號(hào)405進(jìn)一步被用作接收轉(zhuǎn)換器的擴(kuò)音器408接收。由此，換句話說，如圖4中所清楚表示的那樣，該接收轉(zhuǎn)換器關(guān)于揚(yáng)聲器403的放置方式使得其能夠接收直接來自揚(yáng)聲器403的輸出聲脈沖信號(hào)405并將其轉(zhuǎn)換為一重建的輸出電脈沖信號(hào)(見圖6a)。
根據(jù)該實(shí)施例的反射器407為一CD塑料盒。應(yīng)注意，反射器407可由任何能夠反射碰到該反射器407的輸出聲脈沖信號(hào)405的其他元件制成。
于是反射器407反射該輸出聲脈沖信號(hào)405并將該反射的聲脈沖信號(hào)409發(fā)送至擴(kuò)音器408。
擴(kuò)音器408將該接收的信號(hào)，即接收的輸出聲脈沖信號(hào)405和接收的反射聲脈沖信號(hào)409分別轉(zhuǎn)換為重建的輸出電脈沖信號(hào)410和重建的反射電脈沖信號(hào)411，該兩者都被提供給PC401的聲卡402。
在PC401中，將行進(jìn)時(shí)間t0估計(jì)為估計(jì)的行進(jìn)時(shí)間 ，其由下式獲得t^0=t4-t3----(3)]]>這里.t3為檢測(cè)到該重建的輸出電脈沖信號(hào)410的主周期的第二半周期的峰值的瞬間，如用于說明的圖6a所示，及.t4為檢測(cè)到重建的反射電脈沖信號(hào)411的主周期的第二半周期的峰值的瞬間，如用于說明的圖6b所示。
圖6示出由PC401接收的信號(hào)600(包括重建的輸出電脈沖信號(hào)410和重建的反射電脈沖信號(hào)411)和t3和t4的位置的例子。
該信號(hào)600的左邊部分601(圖6a)為重建的輸出電脈沖信號(hào)410。該信號(hào)600的右邊部分602(圖6b)為重建的反射電脈沖信號(hào)411。
以下將使用圖6所示的例子詳細(xì)描述如何獲得t3和t4。
在該段落中，將描述如何獲得t3，即檢測(cè)到該重建的輸出電脈沖信號(hào)410的主周期的第二半周期的峰值的瞬間。為便于討論，假設(shè)接收的信號(hào)為一數(shù)字信號(hào)。首先，基于關(guān)于脈沖形狀的已有知識(shí)，根據(jù)該實(shí)施例，已知在該例中該第二半周期為負(fù)(非正)。當(dāng)PC401接收到該接收信號(hào)的一個(gè)數(shù)字樣本后，其將該接收信號(hào)的當(dāng)前樣本的幅度與較低的門限603進(jìn)行比較。(如果該第二半周期為正，則將該幅度與較高的門限406比較)。如果該接收信號(hào)的當(dāng)前樣本的幅度的絕對(duì)值大于該較低門限603的絕對(duì)值，則確定檢測(cè)到該重建的輸出電脈沖信號(hào)410。否則，確定該接收的信號(hào)不是重建的輸出電脈沖信號(hào)410，即并未檢測(cè)到后者，控制模塊繼續(xù)獲取下一個(gè)數(shù)字樣本并進(jìn)行如上所述的比較，直到檢測(cè)到該重建的輸出電脈沖信號(hào)410。然后將通過下一個(gè)樣本與當(dāng)前樣本進(jìn)行比較，再一個(gè)樣本和下一個(gè)樣本進(jìn)行比較等等，繼續(xù)尋找一局部絕對(duì)值最大點(diǎn)，將與該局部絕對(duì)值最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬間表示為t3(見圖6)。注意，t3與該重建的輸出電脈沖信號(hào)410的主周期的第二半周期的峰值對(duì)應(yīng)。
在本段中，將說明如何獲得t4，即檢測(cè)到該重建的反射電脈沖信號(hào)411的主周期的第二半周期的峰值的瞬間?；诿}沖長度的現(xiàn)有知識(shí)，在開始搜索t4之前，要在t3之后等待某一固定的一段時(shí)間。在該段時(shí)間后，開始使用與上段所述的搜索t3相同的方法搜索t4，只是該門限的值可能不同于搜索t3所使用的門限值(注意在圖6所示例子中，搜索t3和t4使用了相同的門限值)。注意t4對(duì)應(yīng)于該重建的反射電脈沖信號(hào)411的主周期的第二半周期的峰值。
使用圖4所述的測(cè)量裝置和圖5a或圖5b所示并將在以下將詳細(xì)描述的產(chǎn)生的輸出電脈沖信號(hào)的波形，t3和t4不具有根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的t1和t2所面臨的“時(shí)延”問題(參見

圖1)，因此解決了上述問題，相應(yīng)地，t0的估計(jì)會(huì)變得更精確。
由此，在最后一步，聲速412，s’，可根據(jù)下式確定s,=2d,/t0~----(4)]]>這里.d’為擴(kuò)音器408和反射器106之間的距離， 為公式3中給出的估計(jì)行進(jìn)時(shí)間。
圖5a和5b示出根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)生的輸出電脈沖信號(hào)404的波形的例子。
圖5a所示的產(chǎn)生的輸出電脈沖信號(hào)501的特征如下所述圖5a所示的信號(hào)501以具有最大幅度的主周期503開始，且該信號(hào)501的端部504的幅度逐漸減少至與該信號(hào)501的最大幅度相比相當(dāng)小的一個(gè)值。
如圖5b所示的產(chǎn)生的輸出電脈沖信號(hào)502的特征類似于信號(hào)501，其中該信號(hào)502還包括一初始部分505，其幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該信號(hào)502的最大幅度。為便于討論，假設(shè)該輸出電脈沖信號(hào)404不具有這樣一個(gè)初始部分。
應(yīng)強(qiáng)調(diào)說明的是，使用上述參考圖5a和5b所述提出的脈沖信號(hào)作為聲卡402產(chǎn)生的輸出電脈沖信號(hào)404是有利的。事實(shí)上，如果使用圖2a所示的傳統(tǒng)的選通正弦信號(hào)作為輸出的電脈沖信號(hào)，可能會(huì)出現(xiàn)以下問題。如果該選通正弦信號(hào)的持續(xù)時(shí)間短，則該重建的反射電脈沖信號(hào)將可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重失真，也就是說其波形將非常不同于輸出電脈沖信號(hào)404的波形，因此時(shí)間t4的確定將很難且不可靠。另一方面，如果作為輸出電脈沖信號(hào)的選通正弦信號(hào)的持續(xù)時(shí)間長，為了解決這一問題，可能會(huì)導(dǎo)致另一問題，即該重建的輸出電脈沖信號(hào)可能會(huì)與重建的反射電脈沖信號(hào)重疊，于是確定t4又會(huì)很困難。
至于圖5a和5b所示的該波形，該信號(hào)的持續(xù)時(shí)間被設(shè)得相當(dāng)長，以便能夠克服上述由于短持續(xù)時(shí)間引起的問題?，F(xiàn)在使用長持續(xù)時(shí)間，可能會(huì)面臨上段所述的“重疊問題”。然而，由于根據(jù)本發(fā)明提出的輸出電脈沖信號(hào)的端部逐漸變細(xì)，因此該重建的輸出電脈沖信號(hào)與該重建的反射電脈沖信號(hào)的主周期重疊的部分的幅度的絕對(duì)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該重建的反射電脈沖信號(hào)的主周期的幅度的絕對(duì)值，因此確定時(shí)間t4將不再困難。
因此，使用本發(fā)明建議的波形，將克服上述兩個(gè)問題。
進(jìn)一步應(yīng)注意，將上述建議的波形用于也具有圖1所示的已知的裝置的輸出電脈沖信號(hào)也在本發(fā)明的范圍內(nèi)，由于即使在不使用本發(fā)明提出的該裝置的情況下，使用該波形也會(huì)大大地提高如上所述的測(cè)量的精確性。
根據(jù)如圖7所述的本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，在擴(kuò)音器408和反射器407之間增加有一波形導(dǎo)引701。否則該實(shí)施例將類似于結(jié)合圖4所述的第一實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量聲速的裝置，包括用于產(chǎn)生輸出電脈沖信號(hào)的電脈沖產(chǎn)生裝置，用于將所述輸出電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出聲脈沖信號(hào)的發(fā)射轉(zhuǎn)換器，用于反射所述輸出聲脈沖信號(hào)，由此產(chǎn)生反射的聲脈沖信號(hào)的反射器；接收轉(zhuǎn)換器，其被設(shè)置為能夠接收直接從所述發(fā)射轉(zhuǎn)換器發(fā)射的所述輸出聲脈沖信號(hào)和由所述反射器反射的所述反射聲脈沖信號(hào)，其中，所述接收轉(zhuǎn)換器將該接收的輸出聲脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為重建的輸出電脈沖信號(hào)，并將該反射的聲脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為一重建的反射電脈沖信號(hào)，速度確定裝置，用于使用該重建的輸出電脈沖信號(hào)和該重建的反射電脈沖信號(hào)確定聲速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用于測(cè)量聲速的裝置，其中，該電脈沖產(chǎn)生裝置被設(shè)置為能夠產(chǎn)生具有一波形的輸出電脈沖信號(hào)，該波形包括一具有最大幅度的主周期，且其中該輸出電脈沖信號(hào)的端部的幅度逐漸變小至零或與該輸出電脈沖信號(hào)在其主周期的最大幅度相比較小的值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量聲速的裝置，其中，該電脈沖產(chǎn)生裝置被設(shè)置為使得其能夠產(chǎn)生具有一波形的輸出電脈沖信號(hào)，其中，該輸出的電脈沖信號(hào)包括一初始部分，該初始部分的幅度小于該輸出電脈沖信號(hào)的最大幅度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任何一個(gè)所述的用于測(cè)量聲速的裝置，其中，該電脈沖產(chǎn)生裝置和/或速度確定裝置是在個(gè)人計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一個(gè)所述的用于測(cè)量聲速的裝置，其中該電脈沖信號(hào)產(chǎn)生裝置包括聲卡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任何一個(gè)所述的用于測(cè)量聲速的裝置，其中，該發(fā)射轉(zhuǎn)換器為揚(yáng)聲器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任何一個(gè)所述的用于測(cè)量聲速的裝置，其中，該接收轉(zhuǎn)換器為擴(kuò)音器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中的任何一個(gè)所述的用于測(cè)量聲速的裝置，其中該反射器為一塑料元件，具體的，為一光盤盒。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任何一個(gè)所述的用于測(cè)量聲速的裝置，還包括一波形引導(dǎo)，其被設(shè)置于所述發(fā)射轉(zhuǎn)換器和反射器之間，和/或被設(shè)置于所述接收轉(zhuǎn)換器和反射器之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任何一個(gè)所述的用于測(cè)量聲速的裝置，其中，該速度確定裝置的設(shè)置方式使得當(dāng)檢測(cè)到該重建的輸出電脈沖信號(hào)的主周期的第二半周期的峰值時(shí)，其使用第一瞬間確定聲速，及當(dāng)檢測(cè)到該重建的反射電脈沖信號(hào)的主周期的第二半周期的峰值時(shí)，其使用第二瞬間確定聲速。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于測(cè)量聲速的裝置，其中，該速度確定裝置被以這樣一種方式設(shè)置，使得它檢測(cè)該重建的輸出電脈沖信號(hào)的主周期的第二半周期的峰值，當(dāng)其絕對(duì)值高于第一門限時(shí)，以及它檢測(cè)該重建的反射電脈沖信號(hào)的主周期的第二半周期的峰值，當(dāng)其絕對(duì)值高于第二門限時(shí)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于測(cè)量聲速的裝置，其中，該速度確定裝置被設(shè)置為使得該第一門限和該第二門限具有相同值。
13.一種用于測(cè)量聲速的方法，包括以下步驟產(chǎn)生一輸出電脈沖信號(hào)，將該輸出的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為一輸出的聲脈沖信號(hào)，反射該輸出的聲脈沖信號(hào)，由此產(chǎn)生一反射的聲脈沖信號(hào)，將該反射的聲脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為一重建的反射電脈沖信號(hào)，使用該重建的反射電脈沖信號(hào)確定聲速。
14.一種用于測(cè)量聲速的方法，包括以下步驟產(chǎn)生一輸出的電脈沖信號(hào)，將該輸出的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為一輸出聲脈沖信號(hào)和一重建的輸出電脈沖信號(hào)，反射該輸出的聲脈沖信號(hào)，由此產(chǎn)生一反射的聲脈沖信號(hào)，將該反射的聲脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為一重建的反射電脈沖信號(hào)，使用該重建的反射電脈沖信號(hào)和該重建的輸出電脈沖信號(hào)確定聲速。
15.根據(jù)權(quán)利要求13-14之一所述的用于測(cè)量聲速的方法，其中，該產(chǎn)生的輸出電脈沖信號(hào)具有一波形，該波形包括具有最大幅度的主周期，且其中該輸出電脈沖信號(hào)的端部的幅度逐漸變小到零或與該輸出電脈沖信號(hào)在其主周期的最大幅度相比較小的值。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的用于測(cè)量聲速的方法，其中，該產(chǎn)生的輸出電脈沖信號(hào)具有一波形，該波形具有一幅度小于該輸出電脈沖信號(hào)的最大幅度的初始部分。
17.根據(jù)權(quán)利要求14-16之一所述的用于測(cè)量聲速的方法，其中，當(dāng)檢測(cè)到該重建的輸出電脈沖信號(hào)的主周期的第二半周期的峰值時(shí)，使用第一瞬間確定聲速，當(dāng)檢測(cè)到該重建的反射電脈沖信號(hào)的主周期的第二半周期的峰值時(shí)，使用第二瞬間確定聲速。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的用于測(cè)量聲速的方法，其中，這樣來確定聲速檢測(cè)該重建的輸出電脈沖信號(hào)的主周期的第二半周期的峰值，當(dāng)其絕對(duì)值大于第一門限時(shí)，以及檢測(cè)該重建的反射電脈沖信號(hào)的主周期的第二半周期的峰值，當(dāng)其絕對(duì)值大于第二門限時(shí)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的用于測(cè)量聲速的方法，其中，所述第一門限和第二門限具有相同值。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于測(cè)量聲速的裝置，該裝置包括用于產(chǎn)生輸出電脈沖信號(hào)(404)的電脈沖產(chǎn)生裝置(402)，用于將所述輸出電脈沖信號(hào)(404)轉(zhuǎn)換為輸出聲脈沖信號(hào)(405)的發(fā)射轉(zhuǎn)換器(403)，用于反射所述輸出的聲脈沖信號(hào)(405)，由此產(chǎn)生反射的聲脈沖信號(hào)(409)的反射器(407)；接收轉(zhuǎn)換器(408)，其被設(shè)置為能夠接收直接從所述發(fā)射轉(zhuǎn)換器發(fā)射的所述輸出聲脈沖信號(hào)(405)和由所述反射器反射的所述反射聲脈沖信號(hào)(409)，其中，所述接收轉(zhuǎn)換器將該接收的輸出聲脈沖信號(hào)(405)轉(zhuǎn)換為重建的輸出電脈沖信號(hào)(410)，并將該反射的聲脈沖信號(hào)(409)轉(zhuǎn)換為一重建的反射電脈沖信號(hào)(411)，速度確定裝置，用于使用該重建的輸出電脈沖信號(hào)(410)和該重建的脈沖信號(hào)(411)確定聲速(412)。
文檔編號(hào)G01H5/00GK1454309SQ00819651
公開日2003年11月5日 申請(qǐng)日期2000年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月12日
發(fā)明者陳家才, 吳劍丹, 賀國強(qiáng) 申請(qǐng)人:艾德斯技術(shù)創(chuàng)新私人有限公司