Meetmetode van akoestiese refleksiekoëffisiënt van onderwater akoestiese materiale met enkelvektor hidrofoon

Dit is doelgerig om die veranderinge in die vorm en geometriese posisie van die akoestiese fokusreeks van die konkaaf te bestudeer. sferiese ultrasoniese transducer wanneer die klankintensiteit hoog is en die medium 'n groot verswakking het. Vanuit die perspektief van fisiese akoestiek word die effekte van nie-lineariteit en mediademping wat veroorsaak word deur hoë klankintensiteit op die klankfokusreeks ontleed, en die lineêre superposisie-algoritme van integraal word gebruik om numeriese simulasieberekeninge uit te voer. Beide teoretiese analise en numeriese berekening toon dat met die toename van klankintensiteit en medium verswakking, die geometriese posisie van die akoestiese fokussone 'n millimeter-vlak vordering langs die akoestiese as in die rigting van die transducer het; terselfdertyd het die akoestiese fokussone. Die vorm het geleidelik verander van 'n simmetriese lang ellipsoïed na 'n kort ellipsoïed met 'n 'vet kop en dun stert'.

 

Hoë klankintensiteit en medium verswakking het 'n belangrike invloed op die posisie en vorm van die klankfokusgebied van die konkawe sferiese transducer. Volledige oorweging moet gegee word aan die presiese posisionering en dosisbeheer van HIFU-toerusting, die formulering van inspeksiestandaarde, en selfs die kliniese toepassing.

 

my land het merkwaardige deurbrake gemaak in die ontwikkeling en kliniese toepassing van hoë-intensiteit gefokusde ultraklank (hoë-intensiteit gefokus ultraklank (HIFU) toerusting). Om egter werklik akkurate posisionering en behandelingsdosisbeheer op die toerusting te bereik, sodat kliniese behandeling die ideale effek kan bereik om die letsel effektief dood te maak sonder om die omliggende normale weefsels te beskadig, is daar nog baie teoretiese en tegniese kwessies wat in diepte bestudeer en opgelos moet word. Binnelandse en buitelandse eksperimentele studies oor die vorming van skade van HIFU in biologiese weefsels het getoon dat met die toename van klankintensiteit, die posisie van die fokussone vorentoe beweeg en geleidelik verander van 'n lang ellipsoïed na 'n 'taadpole-vorm' of 'n 'keëlvorm'. Alhoewel buitelandse literatuur in onlangse jare 'n paar kwalitatiewe verklarings vir die bogenoemde verskynsel gemaak het deur die nie-lineêre akoestiese golfvoortplantingsvergelyking (KZK-vergelyking) numeries op te los, maar die berekeningsprosedure is ingewikkeld en die fisiese verwantskap in die berekeningsproses is onduidelik. Om hierdie rede neem hierdie referaat die konkawe sferiese fokusomskakelaar as 'n voorbeeld, en bespreek die probleem deur die invloed van die medium verswakking en die nie-lineêre voortplantingskenmerke onder hoë klankintensiteit op die klankfokusreeks te bestudeer.

 

In ons vorige werk, gebaseer op die Kirchhoff-diffraksie-integraal, het ons die uitdrukking van die klankdruk by enige punt in die enkelfrekwensie klankveld afgelei onder die toestand van 'n lineêre klankveld met 'n konkawe sferiese fokusomskakelaar met eenvormige straling op die oppervlak (ook genoem Vir Rayleigh-punte).

 

Uit die ontleding van nie-lineêre akoestiekteorie, wanneer die klankdruk van die enkelfrekwensie sinusgolf wat van die oppervlak van die omskakelaar in die medium uitgestraal word, groot genoeg is, word dit 'n 'eindige amplitudegolf' genoem, wat 'n sekere afstand in die medium voortplant (genoem die diskontinue afstand). ), sal die golfvorm in 'n saagtandgolf verwring word, wat ook as 'n skokgolf beskou kan word. Benewens die fundamentele frekwensie van die oorspronklike emissie, sluit die frekwensiespektrum van hierdie golf ook 'n reeks hoër harmonieke in. Hulle word geleidelik gegenereer deur voortdurend energie van die fundamentele golf te absorbeer tydens die voortplanting van klankgolwe, dit wil sê die weefselharmoniese in ultraklankgeneeskunde. Die amplitudekoëffisiënt kan gebruik word om die voortplanting van hoë-orde harmonieke met die voortplantingsafstand en die verhouding van energieveranderinge tydens voortplanting te beskryf.

 

Die saagtandgolf vorm 'n afstand, dus is dit 'n dimensielose hoeveelheid wat die voortplantingsafstand weerspieël. Op grond hiervan het ons die amplitudekoëffisiëntkromme van die fundamentele golf en die eerste 3 harmonieke bereken. Wanneer die klankgolf in die medium voortplant, verval die klankdruk eksponensieel met die afstand, wat in 'n vorm uitgedruk kan word. Vir algemene sagte weefsels is die verswakkingskoëffisiënt TM rofweg eweredig aan die frekwensie. Om die berekening te vereenvoudig, druk hierdie artikel die verswakkingskoëffisiënt van elke harmoniese komponent uit soos waar α die klankdempingsisteem van die fundamentele frekwensie klankgolf in biologiese weefsels per eenheidsafstand is.

 

 

Dit moet die klankabsorpsie en verstrooiing van die weefsel insluit. Na oorweging van die bogenoemde twee faktore (nie-lineariteit en verswakking), kan die uitdrukking van die klankdruk in die gefokusde klankveld uitgebrei word na die volgende vorm: is die golfgetal van elke harmoniek. Hierdie formule is wat ons die lineêre superposisie-algoritme van Rayleigh-integraal noem.

 

Resultaat:

 

1 Die invloed van medium verswakking op die klankfokusreeks. Die parameters van die eenheidskonkawe sferiese omskakelaar wat in hierdie vraestel gebruik word, is: krommingsradius R = 15 cm, radius van apertuur a = 42 cm, werkfrekwensie f = 1.7 MHz. As aanvaar word dat die medium algemene sagte weefsel is, is sy verswakkingskoëffisiënt α in die reeks van 01-30dB bredie (cm·Mz). Die klanksnelheid, digtheid en ander parameters van die medium word volgens die relevante literatuur geneem. Om die verswakkingskoëffisiënt as 'n enkele invloedsfaktor te bestudeer, hoef slegs 'n enkele frekwensie, naamlik die fundamentele frekwensie, vir die veranderingswet van die klankfokusdomein met verskillende α-waardes bereken en ontleed te word. Om hierdie rede, in die formule, is 'n reeks numeriese berekeninge uitgevoer deur M=1 te neem. Die resultate toon dat met die toename van verswakking, dit wil sê wanneer α = 0.3, 13 en 23dB bredie (cm·Mhz), die vorm van die -6dB akoestiese fokusgebied geleidelik verander van 'n lang ellipsoïed na 'n kort ellipsoïed, en sy lang as1 en kort as .

 

2. Hulle is onderskeidelik 111, 104 en 92. Die posisie van die fokussone (posisie op die akoestiese as), laasgenoemde twee is onderskeidelik 30 mm en 65 mm voor eersgenoemde langs die akoestiese as van die transducer. Terselfdertyd is die kop van die fokussone (die punt naby die transducer) meer 'vet' as sy stert (die punt ver van die transducer).

 

2 Die effek van nie-lineariteit wat veroorsaak word deur hoë klankintensiteit op die klankfokusreeks is dieselfde, die oppervlakbestraling klankdruk word as 'n enkele faktor beskou, en die waardes daarvan is onderskeidelik 44, 73, 4 MPa, andα = 3dB bredie (cm·MHz). As in ag geneem word dat die verswakking van die medium vinnig toeneem met die toename van die harmoniese frekwensie, hoef die aantal harmonieke nie te veel te wees nie. Die berekeningsresultate toon dat: soos die oppervlakbestraling klankdruk toeneem, verander die posisie en vorm van die fokussone anders as wanneer die verswakkingskoëffisiënt verander. Dit is so groot, maar die veranderende wet is soortgelyk. Dit wil sê, die posisies van laasgenoemde twee fokusareas word onderskeidelik met 16 mm en 21 mm vorentoe geskuif; die verhouding van die lang en kort as van die 6dB-fokusarea is onderskeidelik 119, 116 en 113, en die kop van die fokusarea het ook 'n neiging om 'vet' te word.

 

3 Die gekombineerde effek van verswakking en nie-lineariteit op die klankfokusreeks.

Bogenoemde twee faktore word terselfdertyd by formule (3) geïnkorporeer vir berekening. Figuur 3(a) en Figuur 3(b) toon onderskeidelik dat α=3dB bredie (cm·MHz), P′ 0=44MPa en α=2.3dB bredie (cm·MHz), P′0=44MPa

Wanneer verswakking en nie-lineêre effekte terselfdertyd oorweeg word, is die kontoer van die iso-klankdruklyn in die fokussone die berekeningsresultaat in die figuur. In vergelyking met die twee het die fokussoneposisie met 8,4 mm vorentoe beweeg, en die verhouding van die fokussone se hoof- en klein-asse het van 11,9 na 8,5 verander. Dit toon dat die veranderingstendens van die fokussone wat veroorsaak word deur die verswakkingskoëffisiënt en nie-lineariteit dieselfde is, dus word die algehele effek versterk.

 

 

ten slotte

Die teoretiese analise en berekeningsresultate in hierdie vraestel toon dat: hoë klankintensiteit en medium verswakking 'n belangrike invloed op die vorm en posisie van die klankfokussone het; hoe groter die verswakkingskoëffisiënt van die medium, hoe hoër is die klankintensiteit (dit wil sê, hoe sterker is die nie-lineariteit), en die klankfokus Hoe nader die veld aan die omskakelaar is; die verhouding van die lang en kort asse van die fokusveld word ook kleiner, dit wil sê die vorm daarvan verander geleidelik van 'n lang ellipsoïed na 'n kort ellipsoïed, en die kop van die klankfokusarea word 'vet' as die stert. Verskynsel, die vorm is geneig om 'wortel' te wees. Bogenoemde gevolgtrekkings verskaf 'n basis vir die kwantitatiewe ontleding van die veranderingswet van die klankfokusarea van die HIFU klankveld, en bestudeer die verband tussen die klankfokusarea en die skadearea verder.

 

Groot monster meting metode van akoestiese refleksie koëffisiënt van onderwater akoestiese materiale met enkelvektor hidrofoon

 

Om die vryveld breëbandmeting van die normale akoestiese refleksiekoëffisiënt van onderwater akoestiese materiale te realiseer, word 'n enkelvektorhidrofoon as die kerntoerusting van die meetstelsel gebruik, gekombineer met pols akoestiese emissietegnologie en post-inverse filterseinverwerkingstegnologie, word 'n enkelvektorhidrofoon wat op enkelvektorhidrofoon gebaseer is, voorgestel. Die vry-veld breëband meting metode van die normale akoestiese refleksie koëffisiënt van die onderwater akoestiese materiaal van die onderwater akoestiese materiaal, deur die vektor hidrofoon elektroniese rotasie tegnologie om die effektiewe skeiding van die direkte klank en die gereflekteerde klank te realiseer. Die invloed van die meetstelselfout en die sein-tot-geraasverhouding van die ontvangde sein op die meetresultaat word bespreek. Hierdie metode het sekere vereistes vir die sein-tot-geraas-verhouding, maar dit is nie sensitief vir die meetstelselfout nie. Die eksperimentele toetsresultate toon dat: In vergelyking met die eksperimentele toetsresultate sonder post-inverse filterverwerking, die metode wat in die artikel beskryf word, die metingsprestasie aansienlik verbeter, maar beperk deur die lae-frekwensie emissievermoë van die transducer, die eksperimentele resultate is bo 2.5 kHz en Die teoretiese waardes stem goed ooreen.

 

Die akoestiese refleksiekoëffisiënt is 'n belangrike parameter wat die akoestiese werkverrigting van onderwater akoestiese materiale kenmerk. Op die oomblik kan die meetmetodes van die akoestiese refleksiekoëffisiënt van onderwater akoestiese materiale rofweg verdeel word in die klein monster laboratorium akoestiese buis metode en die groot monster vrye veld meting metode. Groot monster vrye veldmeting word gewoonlik in 'n groot anechoiese poel uitgevoer. Deur stilmaakmateriaal op die grens van die swembad te lê om die gereflekteerde klank van die swembadgrens te absorbeer, is die sein wat deur die hidrofoon ontvang word slegs die direkte klank en die gereflekteerde klank van die monster. As gevolg van die beperking van die onderste limiet van die anechoic poel, is die lae-frekwensie meerpad effek egter duidelik; daarbenewens word die vryveldmetingsmetode meestal deur die randdiffraksie-effek van die monster gesteur, en hierdie interferensie is veral ernstig in die lae-frekwensieband. Ten einde bogenoemde probleme op te los, word impulsklanktoetstegnologie wyd gebruik in die meting van akoestiese parameters van onderwater akoestiese materiale. Dit is sy sleuteltegnologie om gepulseerde akoestiese seine met beheerbare golfvorms en sonder vervorming uit te stuur. Die oordragfunksie van die transducer beperk egter die laer frekwensie van impulsklanktoetstegnologie in beperkte meetruimte. Om hierdie rede is 'n verskeidenheid van vergoeding metodes voorgestel, soos die breëband pols superposisie metode voorgestel deur Li Shui et al. Hierdie metode gebruik omgekeerde filtertegnologie om die opwekkingsein van die uitsaai-omskakelaar vooraf te verwerk om die transmissiefunksie van die uitsaai-omskakelaar te kompenseer, sodat die sein wat deur die uitsaai-omskakelaar uitgestraal word 'n ideale skerp puls is, wat die onderste limietfrekwensie van die meting effektief verminder.

 

Anders as die bogenoemde metode, verwerk die 'post-inverse filter tegnologie' die sein aan die ontvangkant van die hidrofoon om die doel te bereik om die frekwensierespons van die transducer te vergoed. Die 'post-inverse filtertegnologie' word in die akoestiese buis gebruik om breëbandmeting van die klankabsorpsiekoëffisiënt van onderwater akoestiese materiale . Hierdie metode verkry eers die oordragfunksie van die meetstelsel, kompenseer dan die waarnemingsein, en verkry uiteindelik die akoestiese refleksiekoëffisiënt van die monster deur die gekompenseerde waarnemingseinamplitudespektrum met die standaardmonsterrefleksieseinamplitudespektrum te deel, en bereken verder die absorpsie Klankkoëffisiënt. In onlangse jare is vektorsensors suksesvol toegepas op die meting van akoestiese parameters van aeroakoestiese materiale, soos oppervlakimpedansiemetode en klankintensiteitmetode. Die vektorhidrofoon kan die klankveldinligting sinchroon en op dieselfde punt optel, wat die post-seinverwerkingsruimte vergroot, en die gesamentlike verwerking van klankdruk- en vibrasiesnelheidseine kan 'n sekere ruimtelike rigting vorm, wat kan inmeng met die diffraksieklank van die monsterrand. Tot 'n sekere mate van onderdrukking is dit onnodig om 'n konvensionele groot klankdruk-ontvangskikking te gebruik, wat die kompleksiteit van die meetstelsel verminder. Terselfdertyd kan die uitset hoof maksimum rigting van die gekombineerde verwerking van klankdruk en vibrasie snelheid van die vektor hidrofoon gerig word na 'n voorafbepaalde rigting deur elektroniese rotasie tegnologie, wat die effektiewe afskilfering van direkte klank en gereflekteerde klank vergemaklik. Daarbenewens het die vektorhidrofoon ook die voordele van goeie lae-frekwensie rigting en weerstand teen isotropiese geraas. Daarom, in vergelyking met die tradisionele klankdrukhidrofoon, het die gebruik van 'n vektorhidrofoon om die klankrefleksiekoëffisiënt van 'n materiaal te toets sekere voordele. Hierdie vraestel bied 'n breëbandmetingsmetode vir die normale akoestiese refleksiekoëffisiënt van onderwater akoestiese materiale met 'n groot vryveldmonster voor. Hierdie metode gebruik 'n enkele vektorhidrofoon as die kerntoerusting van die meetstelsel, kombineer gepulseerde akoestiese emissie-tegnologie en post-inverse filtertegnologie om seingolfvormvervorming te onderdruk, elimineer monsterranddiffraksieklank en multi-pad interferensieklank in die tyddomein, en gaan dan verby. word verkry deur die twee te deel.

 

1 Meetproses

Om die metingsbeginsel van hierdie metode te verduidelik, terwyl die meetproses verduidelik word, word die verwante formule-afleiding en simulasieresultate gegee.

 

1.1 Die oordragfunksie-identifikasie en inverse filterontwerp van die metingstelsel Voordat die monster getoets word, moet die oordragfunksie van die metingstelsel eers verkry word. Anders as die tradisionele klankdrukhidrofoon, bevat die vektorhidrofoon 'n klankdrukkanaal en 'n vibrasiesnelheidskanaal, dus moet die oordragfunksie van elke meetkanaal van die vektorhidrofoon terselfdertyd verkry word. Tydens die meting word die ideale pulssein in die watermedium uitgestraal deur die oordragomsetter, en dan deur die hidro-akoestiese kanaal na die ontvangspunt gestuur, en uiteindelik deur die vektorhidrofoon ontvang en deur die versamelaar versamel. Daarom kan die meetstelsel in drie dele verdeel word, naamlik die seinoordragstelsel, die akoestiese onderwaterkanaal en die seinontvangstelsel. Met die klankdrukkanaal as voorbeeld, word die ontvangseinmodel in Figuur 1 getoon.

In Figuur 1 is s(f) die uitgesaaide seinspektrum, T(f), Hp(f) en R(f) is die oordragfunksies van die oordragstelsel, klankdruk hidroakoestiese kanaal en seinontvangstelsel, onderskeidelik, en N(f) is die agtergrondgeraasspektrum, Y(f) is die uitsetseinspektrum van die meetstelsel. Die post-inverse filtertegniek is om 'n inverse filter te ontwerp om T(f) en R(f) te kompenseer wanneer die oordragfunksie van die metingstelsel bekend is. Neem die klankdrukkanaal as 'n voorbeeld om die basiese beginsel van die oordragfunksie-identifikasie van die meetstelsel te illustreer. Metode 1 Beskou die seinversendingstelsel en die seinontvangstelsel as 'n geheel, dit wil sê H(f) = T(f) + R(f). Die insetsein is x(t), die stelseluitsetsein is y(t), die agtergrondgeraas is n(t), Y(f) = H(f) X(f) + N(f) (1) waar, X(f), Y(f) en N(f) onderskeidelik die Fourier-transformasie van die stelselinsetsein x(t), die stelseluitsetsein y(t) en die agtergrondgeraas n(t), is. Na berekening is die beraamde waarde van H(f) ^H(f) =Gxy(f)Gxx(f) (2) waar Gxy(f) die kruiskragspektrum van die insetsein en uitsetsein van die stelsel is, en Gxx(f) die selfkragspektrum van die insetsein van die stelsel is.

 

Benewens die voorgenoemde meetstelsel-identifikasiemetodes, kan pseudo-ewekansige volgorde-identifikasietegnieke ook gebruik word. Metode 2 Gestel die insetsein x(t) van die metingstelsel is 'n pseudo-ewekansige volgorde (MLS-volgorde), en die uitsetsein van die stelsel is y(t). Dit is duidelik dat y(t) = x(t) * h(t) (3) waar , * konvolusie beteken, h(t) die eenheidsimpulsresponsfunksie van die sisteem is. Bereken die korrelasiefunksie tussen die insetsein en die uitsetsein van die stelsel, rxy = ∫x(τ) y(τ-t) dτ = h(t) * rxx(t) (4) waar rxy die kruiskorrelasie is tussen die inset en uitset van die stelsel Funksie, rxx is die outokorrelasiefunksie van die insetsein. Omdat die MLS-volgorde beter outokorrelasie-eienskappe het, dit wil sê, rxx(n) = δ(n)-1L + 1. waar L = 2m-1 die rylengte is, en m die volgorde van die pseudo-ewekansige ry is. Dit is maklik om te sien dat die geskatte waarde van die stelseleenheid impulsresponsfunksie ^h(t) ^h(t) ≈ rxy is (6) Verdere Fourier-transformasie kan die geskatte waarde ^H(f) van die stelseloordragfunksie van die meetstelsel verkry. Nadat ^H (f) verkry is, ontwerp die inverse filter H-1( f) in die frekwensiedomein as Hpost( f) =^H( f)| ^H( f) | 2 + q( 7) waar , Q 'n normale getal is, gewoonlik 1% van die maksimum waarde van | ^H (f) | 2. Simulasietoestand 1 Die uitsaai-omskakelaar en die hidrofoon word in 'n anechoïese poel op gelyke diepte geplaas, die afstand tussen die twee is 1 m, en die uitgesaaide sein is 'n 16-orde MLS-volgorde. Die metode 1 en metode 2 word gebruik om onderskeidelik die sisteem te identifiseer. Die verhoudings is 10, 20 en 30 dB. Evalueer die voor- en nadele van die oordragfunksie-identifikasieresultate van die twee metodes by verskillende sein-tot-geraas-verhoudings. In die simulasie word die eenheidsimpulsresponsfunksie van die stelsel gesimuleer deur Gaussiese pulse met middelfrekwensies van 1, 2, 4 en 8 kHz by te voeg.

 

Figuur 3 toon die identifikasieresultate van die oordragfunksie van die meetstelsel onder bogenoemde toestande. Uit die figuur kan gesien word dat die twee stelselidentifikasiemetodes wat in hierdie artikel beskryf word, effektief die oordragfunksie van die meetstelsel kan verkry. Metode 1 het egter sekere vereistes ten opsigte van die sein-tot-geraas-verhouding. Wanneer die sein-tot-geraas-verhouding groter as 30 dB is, is die identifikasie-resultaat akkuraat. Die stelsel-identifikasie-resultaat van metode 2 is beter as dié van metode 1, en hoë-presisie identifikasie resultate kan steeds verkry word onder die toestand van lae sein-tot-geraas verhouding. Dit is omdat die agtergrondgeraas 'n klein korrelasie het met die opwekkingsein van die klankbron, so hierdie metode het 'n sekere anti-geraas vermoë. Die volgende is 'n ontleding van die doeltreffendheid van die meetmetode wat in hierdie artikel beskryf word deur middel van simulasie en numeriese berekening.

 

1.2 Waarnemingsdataverwerking

1) Verkry waarnemingsdata. Die meetbeginseldiagram van onderwater akoestiese transducer sensor  word in Figuur 4 getoon. In die figuur is ri die direkte klankpad, en die afstand van die vektorhidrofoon na die monster is d, die gereflekteerde klankpad is ri + 2d, re = rs + rr is die gebroke klankpad, rq is die gereflekteerde klankpad by die swembadgrens, pi is die direkte klank, pr, is die gereflekteerde klank van pq, die gereflekteerde rand van pq. Dit is 'n multi-rigting interferensie klank.

 

Gestel die opwekkingseinspektrum van die uitsaaitransduktor is s(f), en die kenmerkende impedansie van die medium word geïgnoreer. Sonder verlies aan algemeenheid, is die frekwensiedomeinuitdrukking van die sein wat deur die tweedimensionele vektorhidrofoon ontvang word P( f) = s(f) · 1 + Rs(f) e－jωτr+ D( f) e－jωτe + Rq(f) e－jωτq Hpt(f) ·s(f) co. + Rs( f) e－jωτrcos( θr )+ D( f) e－jωτecos( θe) + Rq( f) e－jωτqcos( θq) Hvxt( f )Vy( f) = R s(f) ·i)( d randdiffraksiekoëffisiënt, Rq(f) is die poelgrensrefleksiekoëffisiënt, τr, τe en τq is onderskeidelik die tydvertragings van gereflekteerde klank, monsterranddiffraksieklank en poelgrensrefleksieklank en direkte klank. θi, θr, θe en θq is onderskeidelik direkte klank, gereflekteerde klank, monsterranddiffraksieklank en poelgrensrefleksieklank Die invalshoek van die klankgolf, Hpt(f), Hvxt(f) en Hvxt(f) verteenwoordig onderskeidelik die oordragfunksie van elke meetkanaal van die meetstelsel.

 

2) Die meting stelsel oordrag funksie vergoeding. Vermenigvuldig die ontwerpte inverse filter met die frekwensiespektrum van die ooreenstemmende kanaalwaarnemingsdata om die gekompenseerde sein te verkry. Die frekwensiespektrum Ppost(f), Vxpost(f) en Vypost(f) is Ppost(f) ≈ s(f) ·1 + Rs(f) e－jωτr+ D(f) eωω(f) e e－jωτq Vxpost( f) ≈ s( f) · cos( θi) + Rs( f) e－jωτrcos( θr )+ D( f) e－jωτecos( θe) + Rq( f) τqj) e－qj) ≈ s( f) ·sin( θi) + Rs( f) e－jωτrsin( θr )+ D( f) e－jωτesin( θe) + Rq( f) e－jωτqsin( θq)

 

Simulasietoestand 2 Gestel die diepte van die swembad is 10 m, die lanseer-omskakelaar, die vektorhidrofoon en die waterdiepte h van die monster wat getoets moet word, is 5 m. Die afstand H vanaf die sender-omskakelaar na die monster is 15 m, die afstand d vanaf die vektorhidrofoon na die monster is 10 cm, die uitsaaisein is 'n Butterworth-puls akoestiese sein, die seinbandwydte is 500-10 kHz, en die steekproeffrekwensie fs = 131 072 Hz en 'n sein-tot 0-0-sein-verhouding. Neem die klankdrukkanaal as 'n voorbeeld om die doeltreffendheid van die post-inverse filterkompensasie te verifieer. In die simulasie is die monster wat getoets moet word 'n aluminiumplaat met 'n dikte van 0,006 m en 'n geometriese grootte van 1 m×1 m. Die randdiffraksiekoëffisiënt van die monster word met 'n laagdeurlaatfilter gesimuleer.

Figuur 5 toon die kompensasie-effek van die klankdrukkanaal se post-inverse filter. Die figuur toon dat die seingolfvorm na kompensasie meer gereeld en glad is, wat effektief die seinvervorming wat veroorsaak word deur die oordragfunksie van die meetstelsel onderdruk en help om interferensie soos randdiffraksieklank uit te skakel.

 

3) Elimineer interferensieklanke. Bereken die tydsvertraging van gereflekteerde klank, monsterdiffraksieklank, en poelgrensrefleksieklank volgens die meetstelselontplooiingsparameters, en voer inverse Fourier-transformasie van vergelyking (9) uit om die tyddomeinsein te verkry, voeg dan 'n venster by om die nuttige sein te onderskep, en voer Fourierblaartransformasie uit, ons kry Pc(f) = +r(f) ωr(f)

Vx c( f) = s( f) [cos( θi) + Rs( f) e－jωτrcos( θr)]

Vy c( f) = s( f) [sin( θi) + Rs(f) e－jωτrsin( θr)] waar Pc(f), Vxc(f) en Vyc(f) onderskeidelik Seinspektrum van elke kanaal is. Skei die direkte klank en die gereflekteerde klank, en verkry die klankrefleksiekoëffisiënt van die monster. Veronderstel die vektorhidrofoon se geleide-asimuth is ψ, en die berekende saamgestelde deeltjiesnelheid Vc is Vc( f) = Vxc( f) cos( ψ) + Vyc( f) sin( ψ) (11) Wys eers die geleide-asimuth na die sender Laat ψ = 2 + vc voer die term uit, en voer uit (p = 0, en) s( f), en kry die gesamentlike verwerkingsuitset Ii as Ii = [Pc(f) + Vc(f)] 2ψ = 0 = 4 (12) Wys die geleide-asimut weer na die steekproef, dit wil sê, laat ψ = π, en voer die gesamentlike verwerking van (p + vc) 2 uit om die gesamentlike verwerkingsuitset f(Ir)] = π(c)] + te verkry. 4 ［R2s(f) e－2jωτr］

 

2 Meetfoutanalise

Simulasietoestand 3 Die metingstelselparameters bly onveranderd, die gestuurde sein is 'n Butterworth-gepulste akoestiese sein, en die seinbandwydte is 500 ~ 10 kHz. Sonder om die diffraksie-effek van die monsterrand en die invloed van die refleksieklank by die swembadgrens in ag te neem, word die sein-tot-geraasverhouding bespreek. Wanneer dit 20, 30 en 40 dB is, verander die meetresultaat met frekwensie. Die metingsresultate en relatiewe metingsfoutkurwes onder verskillende sein-tot-geraas-verhoudings word getoon. Dit kan uit die figuur gesien word dat die relatiewe metingsfout met die frekwensie-ossillasie verswak, en die lae frekwensieband word grootliks deur die sein-tot-geraas-verhouding beïnvloed; daarby, wanneer die sein-tot-geraas-verhouding 20 dB is, is die veranderingstendens van die meetresultaat dieselfde as die teoretiese waarde, maar die meetresultaat het 'n groter fout; laag Die groot frekwensiebandmetingsfout is omdat die akoestiese refleksiekoëffisiënt klein is, en klein fluktuasies kan groot relatiewe foute veroorsaak. In die werklike toets sal die plasingsfout van die meetstelsel, benewens die sein-tot-geraas-verhouding, ook 'n impak op die meetresultate hê. Die volgende simulasie ontleed die impak van die metingstelselplasingsfout. Simulasietoestand 4 Die parameters van die metingstelsel bly onveranderd, ongeag interferensie soos agtergrondgeraas en monsterranddiffraksie. Die afstand H vanaf die klankbron na die monster is onderskeidelik 5, 10 en 15 m. Dit word bespreek wanneer die afstand d vanaf die vektorhidrofoon na die monster 10 is. Die meetresultaat by% fout. Die metingsresultate word gegee wanneer die afstand H vanaf die sendertransduktor na die monster verskil, en die afstand d vanaf die vektorhidrofoon na die monster 'n 10% fout het. Die figuur toon dat die meetresultaat nie sensitief is vir die fout van die afstand tussen die vektorhidrofoon en die monster nie; H Die metingsresultate is nie amper gelyktydig nie. Dit kan gesien word dat in die werklike toets, dit slegs nodig is om die toepaslike H te kies volgens die geometriese grootte van die meetpoel. Simulasietoestand 5 Die metingstelselparameters bly onveranderd, ongeag interferensie van agtergrondgeraas en monsterranddiffraksie. Die afstand d vanaf die vektorhidrofoon na die monster is onderskeidelik 5, 10 en 15 cm, en die afstand H vanaf die sender-omskakelaar na die monster is 15 m, bespreek die metingsresultate wanneer daar 'n 1%-fout in die afstand H vanaf die sender-omskakelaar na die monster is. Die metingsresultate word gegee wanneer die afstand d vanaf die vektorhidrofoon na die monster verskil, en die afstand H vanaf die transducer transducer na die monster het 'n 1% fout. Uit die figuur kan gesien word dat die meetresultaat en die teoretiese waarde dieselfde tendens met frekwensie het, en hoe hoër die frekwensie, hoe hoër is die frekwensie. Die resultaat is meer akkuraat, en hierdie meetmetode is nie sensitief vir die fout van die afstand tussen die vektorhidrofoon en die monster nie.

3 Eksperimentele navorsing en dataverwerking

 

Die hardeware samestelling blokdiagram van die meetstelsel word in Figuur 11 getoon. Die stelsel bestaan ​​uit 'n droë punt en 'n nat punt. Die droë kant bestaan ​​hoofsaaklik uit arbitrêre seingenerator, kragversterker, vektorhidrofoonkondisioneringskring en seinversamelaar, ens., wat gebruik word vir seingenerering, transmissie en verkryging. Die nat punt is hoofsaaklik saamgestel uit 'n transducer, 'n lae-frekwensie tweedimensionele vektorhidrofoon en 'n monster om die monster te meet. Die nat punt word in 'n anechoiese poel met 'n geometriese grootte van 25 m×15 m×10 m geplaas, en die klanksentrum is 5 m onder die water geleë. Die swembad is aan ses kante gedemp, en die onderste limiet van klankabsorpsie is 2 kHz. Die monster wat getoets moet word, is 'n aluminiumplaat met 'n geometriese grootte van 1m×1m×0,006 m. Die sender-omskakelaar hang aan die rand van die voertuig bokant die swembad, en die afstand H vanaf die monster is 4,95 m. Die monster word op die oplig- en draaitoestel vasgemaak, en die monster kan tydens meting teen 'n hoek gedraai word en glad in drie dimensies beweeg word. Die vektorhidrofoon word aan die voorkant van die monster geplaas, en die afstand d vanaf die oppervlak van die monster is 5,5 cm. Die uitsaai-omskakelaar is 'n silindriese klankbron, en Figuur 12 toon sy transmissiespanning-reaksiekromme.

 

Dit kan uit Fig. 12 gesien word dat die uitsaai-omskakelaar 'n swak bestralingsvermoë onder 2,5 kHz het. Die effektiewe werkfrekwensieband van die lae-frekwensie tweedimensionele vektorhidrofoon is 1 ~ 12 kHz. Tydens ontplooiing wys die vektor Vy-kanaal na die monster wat getoets moet word, en Vx wys na die muur van die swembad. Stuur eers die 16-orde pseudo-ewekansige volgorde om te identifiseer en te meet.

 

Figuur 12 Versendspanning-reaksiekromme van die transducer

 

Stelseloordragfunksie, en ontwerp omgekeerde filter. Figuur 13 toon die oordragfunksie-identifikasieresultate van die metingstelsel. In die figuur is hp(f), hvx(f) en hvy(f) die gemete waardes van die oordragfunksie van die klankdrukkanaal, vektor Vx-kanaal en Vy-kanaal van die meetstelsel onderskeidelik; hpinv(f), hvxinv(f) en hvyinv(f) is die ontwerpte inverse filteroordragfunksie onderskeidelik.

Dit kan gesien word uit Figuur 13 dat die vektor Vx kanaal oordrag funksie identifikasie resultaat ongeldig is. Dit is omdat in die bogenoemde ontplooiingsituasie die 'put' van die vektorhidrofoon Vx-kanaal na die klankbron wys, en die sein wat deur hierdie kanaal ontvang word, is slegs die swembad. Die muur weerspieël die akoestiese sein, dus is die resultaat van die stelselidentifikasie onakkuraat. Hou die ruimtelike posisie en oriëntasie van die transducer en die vektor-hidrofoon-omskakelaar onveranderd, plaas die monster neer en stuur die Butterworth-gepulseerde akoestiese sein met 'n bandwydte van 500 tot 12,5 kHz. Figuur 14 toon die oorspronklike data en gewysigde seingolfvorms wat deur elke kanaal van die vektorhidrofoon ontvang word. Dit kan gesien word uit Figuur 14 dat die tyd-domein golfvorm van die sein na die inverse filter korreksie gereeld word en die energie is meer gekonsentreer. Bereken dan die tydsvertraging van die direkte klank en die gereflekteerde klankdiffraksieklank vanaf die monsterrand volgens die ruimtelike uitlegparameters van die metingstelsel, en voeg vensters by om die nuttige data te onderskep, en bereken die normale klankrefleksiekoëffisiënt van die monster soos in Figuur 15 getoon.

Figuur 15 toon die metingsresultate voor en na kompensasie. Daar kan gesien word dat die meetresultaat van die oordragfunksie van die ongekompenseerde meetstelsel 'n groot fout het en byna ongeldig is. Die metingsakkuraatheid word aansienlik verbeter na die post-inverse filterverwerking. Wanneer die frekwensie groter as 2.5kHz is, is die metingsfout na die post-inverse filterkorreksie klein, en die meetresultaat onder 2.5kHz het 'n groot fout. Die rede is dat die lae-frekwensie-oordragvermoë van die uitsaai-omskakelaar beperk is, en die lae-frekwensie-komponente van die sein is ondergedompel in die agtergrondgeraas, dus is die meetresultaat swak.

 

4 Gevolgtrekking

Hierdie artikel stel 'n metode voor om die normale akoestiese refleksiekoëffisiënt van onderwater akoestiese materiale te meet gebaseer op 'n enkelvektor hidrofoon. Hierdie metode sal pols. Die kombinasie van impulsemissie-tegnologie, vektorseinverwerkingstegnologie en post-inverse filtertegnologie, deur die post-inverse filtertegnologie om die vektorhidrofoon te ontvang.

 

Data word vergoed, die seinvervorming wat deur die oordragfunksie van die metingstelsel veroorsaak word, word onderdruk, en die randdiffraksieklank en meerpad van die monster word in die tyddomein uitgeskakel. Seininterferensie verbeter meetakkuraatheid. Die meetbeginsel word teoreties afgelei, die invloed van meetstelselfout word deur numeriese berekening en simulasie bestudeer, en eksperimentele navorsing word uitgevoer. Die numeriese berekening en simulasie resultate toon dat die meetmetode wat in hierdie artikel beskryf word, sekere vereistes het vir die sein-tot-geraas-verhouding; Onakkurate en onsensitiewe stelselontplooiing. Die eksperimentele resultate toon dat die metode wat in hierdie vraestel beskryf word, die vryeveld grootskaalse meting van die normale akoestiese refleksiekoëffisiënt van onderwater akoestiese materiale effektief kan realiseer, maar as gevolg van die beperking van die lae-frekwensie bestralingsvermoë van die uitsaai-omskakelaar, is die lae-frekwensie meetfout relatief groot.