基于李萨如图机理的测量声波波长增长的方法及实验装置

摘要

本发明属于声波频率衰减测量领域，提供了一种基于李萨如图机理的测量声波波长增长的方法及实验装置，该方法，包括：采用信号发生模块产生低频电子信号，一路输入到双踪模拟示波器的X通道；另一路经放大后转换成声波，声波经声道传送至远程声波传感器，远程声波传感器将声波信号转化为声波电子信号，声波电子信号经滤波放大后，输入到双踪模拟示波器的Y通道；双踪模拟示波器采用李萨如图机理，通过计算低频电子信号与声波电子信号的频率衰减量，来计算声波波长随传播距离的增加值。

说明书

技术领域

本发明属于声波波长增长测量领域，尤其涉及基于李萨如图机理的测量声波波长增长的方法及实验装置。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

陈寿元效应认为：声波在传播过程中，其声波频率会自然的、非常缓慢的衰减，表为波长增长。某些人以大学物理课本“频率与波源有关，与传播介质无关，衰减只有振幅减小，频率不变”，就是共识、就是自然规律。

光波频率降低的天文观测结果，被称为红移。就是频率降低，并用波长增长相对变化量Z来表示，并且Z与传播距离成比例(注释：红移--百度、天文学课本有论述)。超新星爆发产生大红移--波长增长更大(注释：发现者获得诺贝尔物理奖)。声波出现波的色散、弥散。实际上，就是频率变化。【注释波函数的弥散：百度、《声学基础》课本都有介绍】。声波的研究以及应用经历数百年的历史。1842年，多普勒通过行进的火车，其笛声声调发生变化的现象，得到声波频率随声源与观测者之间距离发生变化时，声波频率发生变化的多普勒效应。频率变化的现象很多，可以用铁证如山来形容。

频率随传播距离而(衰减)降低：光波频率降低的天文观测结果:1929年，哈勃首次观测到遥远星系发来的光波，地面光学望远镜接收到光波.其光波的频率降低，波长增长天文现象，频率降低与传播距离成正比的定律。其观测结果铁证如山，无人能否定。并且频率降低的相对变化量与光波传播距离成比例(被称为哈珀定律)--注：学科被称为定律的内容，才有可能接近自然规律。哈勃望远镜发射后，更大、更多红移天体被大批发现。

红移:指物体的电磁辐射由于某种原因波长增长的现象，在可见光波段表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，即波长变长、频率降低。红移有多普勒红移、引力红移、宇宙学红移三种类别，最初是在人们熟悉的可见光波段发现的，随着对电磁波谱各个波段的了解逐步深入，任何电磁辐射的波长增长都可以称为红移。红移主要应用于物理学和天文学领域，多用于天体的移动及规律的预测上。

下面是发明人检索到的波长增长的佐证材料：

材料1：(加)Terence Dickinsonz著(陈冬妮译).THE UNIVERSE AND BEYOND。第五版，人们邮电出版社。2015年3月第一版，P122页。

材料2：[法]C.弗拉马里拉著李衍.李元译.大众天文学(下)北京大学出版社.2013年5月,第一次印刷。P787-788

材料3：频率随传播媒质而降低：光线经过大质量天体边沿时，频率发生变化(红移量)。北京天文台天文观测专家胡景耀的观测结果：

频率随传播媒质而降低的佐证材料：

材料4：Chu Yaoquan,Hu Jingyao.Quasars around the seyferthhe seyfertgalaxy NGC3516[j].The Astrophysical Journal 1998,500:596-598

材料5：南京大学天文系教授发表文章：伽马射线的频率随传播距离的增加而降低的科学发现。

材料6：波长增长更快：天文观测超新星暴发：波长增长更快(天文界科学用语：红移更大)，频率快速衰减的佐证材料：发现者因该发现已获诺贝尔奖(可以查找)。

材料7：电磁波的在媒质中传播速度与频率有关：详见波的色散、群速、相速章节描述。

材料8：王蔷等，电磁场理论基础，清华大学出版社，2001,2003印刷。

P213--218

材料9：王家礼等，电磁场与电磁波，西安电子科技大学出版社，2004,2005，第8次印刷。P174--178

材料10：色散补偿技术:任海兰等,光通信信号处理.电子工业出版社.2006.P94--100

材料11：光波频率在媒质中传播的变化：如媒质的正啁啾(红头紫尾)效应:脉冲头部的频率降低,尾部频率升高；负啁啾(紫頭红尾)效应--脉冲头部频率升高,尾部频率降低。一般情况脉冲两端频率降低,比中间降低的快.

材料12：刘增基等，光纤通信.西安电子科技大学出版社.2006,第11次印刷.P161--185

声波、水波等机械波波长增长的另一种形式：频率降低的一个现象(被称为波的弥散，科学规范用语)波的弥散。实际上就是色散。实际上就是频率由高到低的衰减过程。

声波、水波等机械波波长增长佐证材料之一，西北工业大学(国家精品课件)，声学基础。波的弥散章节论述，论述详细。波的弥散早已成为相关专业课的专业用语。早已被科学界、技术界认可。

声波、水波等机械波波长增长佐证材料之二：百度搜索(波函数的弥散视频)：波函数的弥散，视频展现频率逐渐降低的过程，红色光颜色由深变浅。实际上就是频率降低(衰减)。

声呐用于测量水域暗藏的潜艇。声波的应用与研究逐步深入。但是声波频率是否随传播距离有微弱的衰减？陈寿元效应认为：声波频率随传播距离，会有微弱的衰减。但是大学物理、语音处理等课本，认为声波频率仅与波源有关，与传播媒质无关。另一种科研声音：光波红移--频率随传播距离增加而降低的天文观测结果。声波存在波的弥散现象。光纤通信中正、负啁啾现象，表明光波在光媒质中传播，频率会发生变化。超新星暴发的光波出现大红移量现象。

声波随传播距离而衰减的现象如果存在，为什么科学家没有发现？工程上、实验上为什么没有测量到这种变化？

可能的解释：这种变化(声波波长增长)非常微弱，目前测量技术精度、处理方法不能满足这种精度的要求，因此测量不到。或者理论分析没有认识到这种变化。

鉴于目前理论、技术达不到测量声波波长增长的精度要求。本发明提供一种李萨如图的声波波长增长的测量方法以及实验装置。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于李萨如图机理的测量声波波长增长的方法及实验装置，其结构简单且能够显著提高声波波长增长的测量精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种基于李萨如图机理的测量声波波长增长的方法。

基于李萨如图机理的测量声波波长增长的方法，包括：

采用信号发生模块产生低频电子信号，一路输入到双踪模拟示波器的X通道；

另一路经放大后转换成声波，声波经声道传送至远程声波传感器，远程声波传感器将声波信号转化为声波电子信号，声波电子信号经滤波放大后，输入到双踪模拟示波器的Y通道；

双踪模拟示波器采用李萨如图机理，通过计算低频电子信号与声波电子信号的频率衰减量，来计算声波波长随传播距离的增加值。

本发明的第二个方面提供一种基于李萨如图机理的测量声波波长增长的实验装置。

基于李萨如图机理的测量声波波长增长的实验装置，包括：信号发生模块，所述信号发生模块用于产生低频电子信号经放大后转换成声波，声波通过声道到达信号接收模块，信号接收模块接收、转化得到的声波电子信号与信号发生模块产生的低频电子信号输入双踪模拟示波器，所述双踪模拟示波器用于通过计算低频电子信号与声波电子信号的频率衰减量，来计算声波波长随传播距离的增加值，并在双踪模拟示波器上显示；

所述信号发生模块包括依次相连的低频正弦电子信号发生器、低频信号放大器以及高音喇叭；

所述信号接收模块包括依次相连的远程声波传感器、滤波器以及放大器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用李萨如图机理实现声波波长增长的精密测量，测量精度高、测量成本低、易操作、稳定性高。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例中测量声波波长增长的实验装置结构图；

图2是几种不同频率比的两相互垂直的简谐振动合成运动轨迹系列图；

图3是本发明实施例中声波波长增长测量过程中的波形图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释：

李萨茹图形(Lissajous-Figure)是由在互相垂直的方向上的两个频率成简单整数比的简谐振动所合成的规则的、稳定的闭合曲线。

李萨茹(Lissajous)曲线(又称李萨茹图形、李萨如图形或鲍迪奇(Bowditch)曲线)是两个沿着互相垂直方向的正弦振动的合成的轨迹。

借由使用李萨茹图形可以测量出两个信号的频率比与相位差。在电工、无线电技术中，常利用示波器来观察李萨如图形，并用以测定频率或相位差。

实施例一

本实施例提供了一种基于李萨如图机理的测量声波波长增长的方法。

如图3所示，基于李萨如图机理的测量声波波长增长的方法，包括：

采用信号发生模块产生低频电子信号，一路输入到双踪模拟示波器的X通道；

另一路经放大后转换成声波，声波经声道传送至远程声波传感器，远程声波传感器将声波信号转化为声波电子信号，声波电子信号经滤波放大后，输入到双踪模拟示波器的Y通道；

双踪模拟示波器采用李萨如图机理，通过计算低频电子信号与声波电子信号的频率衰减量，来计算声波波长随传播距离的增加值。

信号发生模块包括低频正弦电子信号发生器、低频信号放大器以及高音喇叭，其中，低频正弦电子信号发生器产生稳定性高的低频电子信号；低频信号放大器接收低频正弦电子信号发生器发来的低频电子信号，并对低频电子信号进行线性放大；高音喇叭接收低频信号放大器送来的经放大后的低频电子信号，并将放大后的低频电子信号转换成声波后发射出去。

调节X通道与Y通道的振幅，使接入双踪模拟示波器的低频电子信号的振幅与声波电子信号的振幅相同，调整相位角使两者同步，使低频电子信号的波形与声波电子信号的波形叠加，得到的包络波的周期就是低频电子信号频率与声波电子信号频率的差值，该差值为声道频率衰减值，根据声道频率衰减值计算声波波长增长值。

下面通过一种实施方式来进行说明：

低频正弦电子信号发生器发出的低频电子信号的频率为f

根据相位角以及图形翻转、重复次数，可以换算出频率随传播距离的增加而衰减量，根据λ＝uT公式，计算声波波长增长量。

正弦声波的函数一般表达式：

y0＝cos(wt-kx) (1)

根据正弦声波的函数，信号发生模块的发出的低频电子信号，经喇叭发出的声波y0：

y0＝cos(wt-kx)

信号接收模块，远程声波传感器接收的声波信号y1：

y1＝cos(wt-vt-kx) (2)

其中：w表示发射端的发射角频率，k表示传播常数，v表示角频率减小值，v与w相比非常小，t表示传播时间，x表示传播距离。

在示波器上显示李萨茹图：取信号源信号，即x＝0，公式(1)变成

y0(x＝0)＝coswt (3)

接到示波器X轴。

选取测量点的信号：x＝x(n)；如想x(0)＝0；x(1)＝10米；x(2)＝20米；x(3)＝30米…

如取10米测量点；接收信号：公式(2)变成公式(4)

y1(x＝10)＝cos(wt-vt-10k) (4)

式中：k为传播常数，为已知常数。10k称为固定滞后相位角，为一定值可以表示为

10k＝n*360+B (5)

10米距离对应声波的n个波长(n正整数)，不足一个波长的距离用小于360度的B相位角表示。

将公式(5)带入公式(4)得：

y1(x:10)＝cos(wt-vt-n*360-B) (6)

三角函数2π为周期，n2π为n个周期，所以公式(6)化简为公式(7)：

y1(x:10)＝cos(wt-vt-B) (7)

公式(7)信号接入示波器的Y轴输入。在示波器显示李萨茹图。

若：v＝0，则有公式(7)变为公式(8)：

y1(x:10)＝cos(wt-B) (8)

接入示波器的两路信号频率是都w，相位角差B，振幅一样。在李萨茹图对应B相位差的图形。如果B＝90度。则示波器上的李萨茹图为圆形。若B＝0，对应李萨茹图为一三相限倾角为45度的直线。

公式(7)中v与w相比较，v是一个非常小的实数。公式(7)与公式(3)信号在示波器显示李萨茹图。其李萨茹图发生变化。原因是相位角θ：X轴接入的信号公式(3)；而Y轴接入的信号为公式(7)。相位角的差值随时间逐渐积累。李萨茹图显示的相位角有B开始逐步增加，周复循环。循环的周期除以时间就是频率衰减的数值。

对于不同距离，v值是不同的。

频率差值变成相位角积累：θ＝Vt。 (9)

由积累的相位角θ和所用过时间t，计算出频率差值V。

由于波长增长非常小，v是很小的量，即波长增长对应的角速度。在双踪示波器上显示李萨如图相位角变化的周期，以及相位角大小，可以计算出频率的衰减值。所以利用李萨如图的机理实现对声波波长增长的测量，实现对声波频率积极微小变化的超高精度的测量，进而根据λ＝uT公式，计算声波波长增长量。

实施步骤：声波源频率选为：1000赫兹每秒，喇叭功率100瓦。传感器采用内置2级集成放大器的远程声波传感器(灵敏度很高)，每隔十米为一个测量点。试验场地：山东师范大学长清校区信息楼5层实验室以及一百多的长走廊。喇叭放置在走廊西头。测量点离开喇叭自西向东的距离。

结果结果如下表：

试验注释：在30米有一个方形空间，对实测数据有影响。走廊东头近百米，测量数据受干扰大，稳定性差。十米内，衰减很小，不易测量到波长的变化。在声波速度一定情况下，波长与频率成反比例关系。频率降低了，波长就增长啦。

实施例二

本实施例提高了一种基于李萨如图机理的测量声波波长增长的实验装置。

如图1所示，基于李萨如图机理的测量声波波长增长的实验装置，包括：信号发生模块，所述信号发生模块用于产生低频电子信号经放大后转换成声波，声波通过声道到达信号接收模块，信号接收模块接收、转化得到的声波电子信号与信号发生模块产生的低频电子信号输入双踪模拟示波器，所述双踪模拟示波器用于通过计算低频电子信号与声波电子信号的频率衰减量，来计算声波波长随传播距离的增加值，并在双踪模拟示波器上显示；

信号发生模块包括依次相连的低频正弦电子信号发生器、低频信号放大器以及高音喇叭；

信号接收模块包括依次相连的远程声波传感器、滤波器以及放大器。

作为一种或多种实施方式，信号发生模块产生声波的声源位置、声道传播模块、信号接收模块以及双踪模拟示波器的测点位置保持相对静止。

具体的，低频正弦电子信号发生器，优先选用基准低频电子信号源：用于产生稳定性很高的低频电子信号。该低频电子信号为正弦信号或余弦信号。

低频信号放大器：接收基准低频电子信号源发来低频电子信号，给予线性放大，包括至少振幅放大，电流放大以及功率放大中的一种。

高音喇叭：接收低频信号放大器送来的放大后的低频电子信号，转换成声波，并发射出去。

声道：传播声波的空间空气通道，要求声道传播无空气流动，无振动、无噪声。声波频率衰减振子电磁波源，提供计时用的正弦电磁波，具有稳定高且精度高的特点。

远程声波传感器：由于普通声波传感器，接收声波的距离不够长。只有几米的距离。灵敏度太低。不能满足长距离接收声波的要求。因此，本实施例采用的远程声波传感器内部采用二级集成电路放大器的声波处理器，其灵敏度很高，可以接受几十米远的声波信号。

远程声波传感器的作用：接收声道传播来的声波信号，并转化为声波电子信号，并将声波电子信号传输到滤波器。

滤波器和放大器：对远程声波传感器送来的声波电子信号进行滤波并放大，去除干扰波。

双踪模拟示波器：作为显示器和处理器。

双踪模拟示波器作为处理器的作用：完成滤波器+放大器送来的声波电子信号，接送到双踪模拟示波器的Y通道。基准低频电子信号源的低频电子信号作为基准，接入双踪模拟示波器的X通道。通过调节X、Y通道信号，使两个通道的信号振幅相同、相位角同步，然后得到两路信号的李萨如图。

双踪模拟示波器作为显示器的作用：基准低频电子信号源的低频电子信号，振幅被调制，显示李萨如图，出现波形相位角逐渐增加，如相位角出现变化：

角度0--45--90--135--180--225--270--315--360变化，重复进行，距离不同，重复频率不同，重复次数与距离成比例关系。

根据重复次数，换算成频率随传播距离的衰减量，根据λ＝u/f，计算出波长的增长量。

由图1可知，远程声波传感器得到的声波，振幅衰减、频率衰减，波长增长，实际上就是频率减小。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。