基于相关计算的声波测距实验设计-

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1、基于相关计算的声波测距实验设计*摘要在电子信息专业的教学工作中，实验教学是非常重要的。通过理论结合应用，可大大提高学生的学习兴趣，并加深对理论知识的理解。通过计算机、扬声器和麦克风等简单设备，利用相关计算方法设计出一种声波测距实验，并详细介绍实验设计方法和调试过程。该实验既可以满足教学要求，又可用于简单的应用开发。关键词声波;测距;实验设计中图分类号：G642.423文献标识码：B文章编号：1671-489X（2014）24-0151-02DesignofAcousticDistanceMeasurementbasedo

2、nCorrelationMethod//UmutYunus，MijitAblimit，KurbanUbulAbstractExperimentalteachingisimportantforelectronicandinformationmajors.Throughthetheorycombinedwiththeapplication，wecangreatlyimprovethestudent’sinterestinlearning，andtodeepentheunderstandingoftheoreticalknow

3、ledge.Here，wedesignanacousticdistancemeasurementexperimentbasedoncorrelationmethodbyusingcomputer，amplifierandmicrophone.Also，introduce6theexperimentaldesignandcommissioningprocess.Thisexperimentnotonlycanmeettheneedofteachingbutalsocanbeusedinsimpleexploit.Keywo

4、rdsacoustic;distancemeasurement;experimentaldesign在电子信息专业的教学过程中，经常遇到互相关计算的概念。互相关函数在工程中具有重要的应用价值，主要应用在定位、测速、同步等领域[1-3]。在讲到相关计算时，经常举例说明相关计算在雷达监测[1]、GPS定位系统中的应用[4]，发现学生对这些应用很感兴趣。但是，因为没有实验，教学只限于书本和黑板。在教学过程中提高学生对特定问题的兴趣是非常重要的。如果学生能通过一些生动的实验接触到实际应用，他们就不会觉得书本上学到的那些理论知识是

5、没有用的，还可以让他们更加积极地思考，提高他们的创新能力。本文提出通过相关计算设计的声波测距实验，让学生动手操作，理解相关计算及测距原理。1系统结构6测距系统结构如图1所示。先利用计算机产生chirp信号，再通过声卡将信号送到扬声器。扬声器设在需要检测距离的目标物体的正前方，负责将声波信号发射到空间中。同时，在此位置设置麦克风来接收反射信号。任何一种波都具有反射、折射、衍射等特性。波在两种介质的分界面上发生反射的同时，另一部分入射波从一种介质透入另一种介质。基于对波的基本认识，当声波在空间传播中遇到障碍物时，会产生反射信

6、号。在此实验中，试图利用声波在目标物体的反射信号来计算距离。2测距原理首先，利用计算机Matlab编程环境，产生如下的线性调频信号（chirp信号）：s（t）=Asin（2πf0t+πkt2）（1）选择线性调频波是因为它具有非常好的相关特性。式（1）中，A是信号振幅，f0是最低频率，k是频率增加率，t是时间。为了更好地理解，给出chirp信号的波形，如图2所示。从图2（a）可以看到chirp信号的瞬时频率随时间进行线性变化。图2（b）所示的是chirp信号的波形。下一步，通过计算机的声卡将此chirp信号送入扬声器，并用

7、扬声器发射到空间。然后，在同样位置，利用麦克风接收来自目标物体的反射信号，并将数据送入计算机。最终，通过计算机对接收信号和发射信号进行相关运算，可得到很窄又很尖的压缩脉冲波。压缩波的脉冲最大值出现的时间点代表的是反射信号相对于发射信号的延迟时间。互相关计算可以通过如下计算实现：（2）6式（2）中，R（τ）代表的是互相关计算结果，s（t）代表发射信号，s′（t-τ）代表延时为τ的反射信号。如前所述，通过相关计算可以估计延迟时间。然后利用延迟时间、声波的速度，可计算出反射部位离声源的距离。（3）式（3）中，S是距离，v是声波

8、在空气中的传播速度，τ是往返时间，也是声波的延迟时间。声波在不同媒介中的传播速度不同，随着温度的变化，速度也会变化。在空气中声速为：v=331.45+0.61θ。其中，θ是空气的摄氏度。可见，声速v随温度会有一些变化，但是一般情况下，这个变化不大，实际计算时常取v为340米/秒。在实验中所使用的硬件设备如表1所示。3