طريقة قياس معامل الانعكاس الصوتي للمواد الصوتية تحت الماء باستخدام هيدروفون متجه واحد

من الأمور الموضوعية دراسة التغيرات في الشكل والموضع الهندسي للمدى البؤري الصوتي للمقعر محول طاقة بالموجات فوق الصوتية الكروية عندما تكون شدة الصوت عالية ويكون للوسط توهين كبير. من منظور الصوتيات الفيزيائية، يتم تحليل تأثيرات اللاخطية وتوهين الوسائط الناجم عن كثافة الصوت العالية على النطاق البؤري الصوتي، ويتم استخدام خوارزمية التراكب الخطي للتكامل لإجراء حسابات المحاكاة العددية. يوضح كل من التحليل النظري والحساب العددي أنه مع زيادة شدة الصوت والتوهين المتوسط، فإن الموقع الهندسي للمنطقة البؤرية الصوتية يتقدم بمقدار ملليمتر على طول المحور الصوتي في اتجاه محول الطاقة؛ في الوقت نفسه، تغير شكل المنطقة البؤرية الصوتية تدريجيًا من شكل إهليلجي طويل متماثل إلى شكل إهليلجي قصير مع 'رأس سمين وذيل رفيع'.

 

لكثافة الصوت العالية والتوهين المتوسط ​​تأثير مهم على موضع وشكل المنطقة البؤرية الصوتية لمحول الطاقة الكروي المقعر. ينبغي إيلاء الاعتبار الكامل لتحديد المواقع بدقة والتحكم في الجرعة لمعدات HIFU، وصياغة معايير التفتيش، وحتى التطبيق السريري.

 

لقد حققت بلدي اختراقات ملحوظة في التطوير والتطبيق السريري للموجات فوق الصوتية المركزة عالية الكثافة (معدات الموجات فوق الصوتية المركزة عالية الكثافة (HIFU). ومع ذلك، لتحقيق تحديد موضع دقيق والتحكم في جرعة العلاج على المعدات، بحيث يمكن للعلاج السريري تحقيق التأثير المثالي لقتل الآفة بشكل فعال دون الإضرار بالأنسجة الطبيعية المحيطة، لا تزال هناك العديد من القضايا النظرية والتقنية التي تحتاج إلى دراسة وحلها بعمق. أظهرت الدراسات التجريبية المحلية والأجنبية حول تكوين تلف HIFU في الأنسجة البيولوجية أنه مع زيادة شدة الصوت، يتحرك موضع المنطقة البؤرية للأمام ويتغير تدريجيًا من شكل إهليلجي طويل إلى 'شكل الشرغوف' أو 'الشكل المخروطي'. على الرغم من أن الأدبيات الأجنبية قدمت في السنوات الأخيرة بعض التفسيرات النوعية للظاهرة المذكورة أعلاه من خلال الحل العددي لمعادلة انتشار الموجات الصوتية غير الخطية (معادلة KZK)، إلا أن إجراء الحساب معقد والعلاقة الفيزيائية في عملية الحساب غير واضحة. لهذا السبب، يأخذ هذا البحث محول التركيز الكروي المقعر كمثال، ويناقش المشكلة من خلال دراسة تأثير التوهين المتوسط ​​وخصائص الانتشار غير الخطية تحت شدة الصوت العالية على المدى البؤري الصوتي.

 

في عملنا السابق، استنادًا إلى تكامل حيود كيرشوف، اشتقنا التعبير عن ضغط الصوت عند أي نقطة في مجال الصوت أحادي التردد في ظل حالة مجال صوتي خطي مع محول تركيز كروي مقعر مع إشعاع موحد على السطح (يُسمى أيضًا نقاط رايلي).

 

من تحليل نظرية الصوتيات غير الخطية، عندما يكون ضغط الصوت للموجة الجيبية أحادية التردد المشعة من سطح محول الطاقة إلى الوسط كبيرًا بدرجة كافية، يطلق عليه 'موجة ذات سعة محدودة'، والتي تنتشر مسافة معينة في الوسط (تسمى المسافة المتقطعة). )، سيتم تشويه الشكل الموجي إلى موجة مسننة، والتي يمكن أيضًا اعتبارها موجة صدمة. بالإضافة إلى التردد الأساسي للإصدار الأصلي، يتضمن الطيف الترددي لهذه الموجة أيضًا سلسلة من التوافقيات الأعلى. يتم توليدها تدريجيًا عن طريق الامتصاص المستمر للطاقة من الموجة الأساسية أثناء انتشار الموجات الصوتية، أي توافقيات الأنسجة في طب الموجات فوق الصوتية. يمكن استخدام معامل السعة لوصف انتشار التوافقيات عالية الترتيب مع مسافة الانتشار والعلاقة بين تغيرات الطاقة أثناء الانتشار.

 

تشكل موجة مسننة مسافة، لذلك فهي كمية بلا أبعاد تعكس مسافة الانتشار. وبناء على ذلك قمنا بحساب منحنى معامل الاتساع للموجة الأساسية والتوافقيات الثلاثة الأولى. عندما تنتشر موجة الصوت في الوسط، فإن ضغط الصوت يتضاءل بشكل كبير مع المسافة، وهو ما يمكن التعبير عنه في شكل. بالنسبة للأنسجة الرخوة العامة، يتناسب معامل التوهين TM تقريبًا مع التردد. من أجل تبسيط الحساب، تعبر هذه المقالة عن معامل التوهين لكل مكون توافقي حيث α هو نظام التوهين الصوتي للموجة الصوتية ذات التردد الأساسي في الأنسجة البيولوجية لكل وحدة مسافة.

 

 

وينبغي أن تشمل امتصاص الصوت وتناثر الأنسجة. بعد النظر في العاملين المذكورين أعلاه (عدم الخطية والتوهين)، يمكن أن يمتد التعبير عن ضغط الصوت في مجال الصوت المركز إلى الشكل التالي: هو الرقم الموجي لكل توافقي. هذه الصيغة هي ما نسميه خوارزمية التراكب الخطي لتكامل رايلي.

 

نتيجة:

 

1 تأثير التوهين المتوسط ​​على المدى البؤري الصوتي. معلمات وحدة محول الطاقة الكروي المقعر المستخدمة في هذه الورقة هي: نصف قطر الانحناء R = 15 سم، نصف قطر الفتحة a = 42 سم، تردد العمل f = 1.7 ميجاهرتز. بافتراض أن الوسط عبارة عن نسيج رخو عام، فإن معامل التوهين α يكون في نطاق 01-30 ديسيبل (cm·Mz). يتم أخذ سرعة الصوت والكثافة والمعلمات الأخرى للوسط وفقًا للأدبيات ذات الصلة. من أجل دراسة معامل التوهين كعامل مؤثر واحد، يجب حساب وتحليل تردد واحد فقط، وهو التردد الأساسي، من أجل قانون التغيير في مجال تركيز الصوت بقيم α مختلفة. لهذا السبب، في الصيغة، تم إجراء سلسلة من الحسابات الرقمية عن طريق أخذ M=1. تظهر النتائج أنه مع زيادة التوهين، أي عندما تكون α = 0.3 و13 و23 ديسيبل (سم · ميجاهرتز)، يتغير شكل المنطقة البؤرية الصوتية -6 ديسيبل تدريجيًا من شكل إهليلجي طويل إلى إهليلجي قصير، ومحوره الطويل 1 ومحوره القصير.

 

2. هم 111، 104، و 92 على التوالي. موضع المنطقة البؤرية (الموضع على المحور الصوتي)، الأخيران يتقدمان على التوالي بمقدار 30 مم و65 مم على طول المحور الصوتي لمحول الطاقة. وفي الوقت نفسه، يكون رأس المنطقة البؤرية (النهاية القريبة من محول الطاقة) أكثر 'سمنة' من ذيله (النهاية البعيدة عن محول الطاقة).

 

2 تأثير عدم الخطية الناجم عن ارتفاع كثافة الصوت على نطاق تركيز الصوت هو نفسه، ويعتبر ضغط الصوت الإشعاعي السطحي عاملاً واحدًا، وقيمه هي على التوالي 44، 73، 4 ميجا باسكال، وα = 3 ديسيبل (سم · ميجاهرتز). وبالنظر إلى أن توهين الوسط يزداد بسرعة مع زيادة التردد التوافقي، فإن عدد التوافقيات ليس من الضروري أن يكون أكثر من اللازم. تظهر نتائج الحساب أنه: مع زيادة الضغط الصوتي للإشعاع السطحي، يتغير موضع وشكل المنطقة البؤرية على عكس عندما يتغير معامل التوهين، فهو كبير جدًا، لكن قانون تغيره مشابه. وهذا يعني أن موضعي المنطقتين البؤريتين الأخيرتين تم تحريكهما للأمام بمقدار 16 مم و21 مم على التوالي؛ تبلغ نسبة المحور الطويل والقصير للمنطقة البؤرية 6 ديسيبل 119 و116 و113 على التوالي، ويميل رأس المنطقة البؤرية أيضًا إلى أن يصبح 'سمينًا'.

 

3 التأثير المشترك للتوهين وعدم الخطية على المدى البؤري الصوتي.

يتم دمج العاملين المذكورين أعلاه في وقت واحد في الصيغة (3) للحساب. يوضح الشكل 3 (أ) والشكل 3 (ب) على التوالي أن α = 3 ديسيبل (سم · ميجا هرتز)، P ′ 0 = 44 ميجا باسكال و α = 2.3 ديسيبل (سم · ميجا هرتز)، P′0 = 44 ميجا باسكال

عند النظر في التوهين والتأثيرات غير الخطية في نفس الوقت، فإن محيط خط ضغط الصوت المتساوي في المنطقة البؤرية هو النتيجة الحسابية في الشكل. بالمقارنة مع الاثنين، تحرك موضع المنطقة البؤرية للأمام بمقدار 8.4 ملم، وتغيرت نسبة المحاور الرئيسية والثانوية للمنطقة البؤرية من 11.9 إلى 8.5. ويظهر أن اتجاه التغيير في المنطقة البؤرية الناتج عن معامل التوهين وعدم الخطية هو نفسه، وبالتالي يتم تعزيز التأثير الكلي.

 

 

ختاماً

تظهر نتائج التحليل والحساب النظري في هذه الورقة أن: شدة الصوت العالية والتوهين المتوسط ​​لهما تأثير مهم على شكل وموضع المنطقة البؤرية الصوتية؛ كلما زاد معامل التوهين للوسط، زادت شدة الصوت (أي كلما كانت اللاخطية أقوى)، وتركيز الصوت كلما اقترب المجال من محول الطاقة؛ كما تصبح نسبة المحاور الطويلة والقصيرة للمجال البؤري أصغر، أي أن شكله يتغير تدريجيًا من شكل إهليلجي طويل إلى إهليلجي قصير، ويصبح رأس منطقة تركيز الصوت 'سمينًا' من الذيل. الظاهرة، الشكل يميل إلى 'الجزرة'. توفر الاستنتاجات المذكورة أعلاه أساسًا للتحليل الكمي لقانون التغيير في منطقة تركيز الصوت في مجال الصوت HIFU، ومواصلة دراسة العلاقة بين منطقة تركيز الصوت ومنطقة الضرر.

 

طريقة قياس العينة الكبيرة لمعامل الانعكاس الصوتي مواد صوتية تحت الماء مع هيدروفون متجه واحد

 

من أجل تحقيق قياس النطاق العريض للمجال الحر لمعامل الانعكاس الصوتي الطبيعي للمواد الصوتية تحت الماء، يتم استخدام هيدروفون متجه واحد كمعدات أساسية لنظام القياس، جنبًا إلى جنب مع تقنية الانبعاث الصوتي النبضي وتقنية معالجة إشارات المرشح العكسي، يُقترح هيدروفون ناقل واحد يعتمد على هيدروفون ناقل واحد. طريقة قياس النطاق العريض للمجال الحر لمعامل الانعكاس الصوتي العادي للمادة الصوتية تحت الماء للمادة الصوتية تحت الماء، من خلال تقنية الدوران الإلكتروني المتجه للهيدروفونات لتحقيق الفصل الفعال للصوت المباشر والصوت المنعكس. وتتم مناقشة تأثير خطأ نظام القياس ونسبة الإشارة إلى الضوضاء للإشارة المستقبلة على نتيجة القياس. ولهذه الطريقة متطلبات معينة فيما يتعلق بنسبة الإشارة إلى الضوضاء، ولكنها ليست حساسة لخطأ نظام القياس. تظهر نتائج الاختبار التجريبي ما يلي: مقارنة بنتائج الاختبار التجريبي دون معالجة الترشيح العكسي، فإن الطريقة الموضحة في المقالة تعمل على تحسين أداء القياس بشكل كبير، ولكنها محدودة بقدرة البث منخفضة التردد لمحول الإرسال، فإن النتائج التجريبية أعلى من 2.5 كيلو هرتز والقيم النظرية في توافق جيد.

 

يعد معامل الانعكاس الصوتي معلمة مهمة تميز الأداء الصوتي للمواد الصوتية تحت الماء. في الوقت الحاضر، يمكن تقسيم طرق قياس معامل الانعكاس الصوتي للمواد الصوتية تحت الماء تقريبًا إلى طريقة الأنبوب الصوتي المختبري للعينات الصغيرة وطريقة قياس المجال الحر للعينات الكبيرة. عادةً ما يتم إجراء قياس المجال الحر للعينة الكبيرة في حوض كبير كاتم للصدى. ومن خلال وضع مواد كاتمة للصوت على حدود المسبح لامتصاص الصوت المنعكس عن حدود المسبح، فإن الإشارة التي يستقبلها الهيدروفون هي فقط الصوت المباشر والصوت المنعكس للعينة. ومع ذلك، نظرًا لقيود الحد الأدنى للمجمع عديم الصدى، فإن تأثير المسارات المتعددة التردد المنخفض يكون واضحًا؛ بالإضافة إلى ذلك، فإن طريقة قياس المجال الحر تتداخل في الغالب من خلال تأثير حيود الحافة للعينة، وهذا التداخل خطير بشكل خاص في نطاق التردد المنخفض. من أجل حل المشاكل المذكورة أعلاه، يتم استخدام تكنولوجيا اختبار الصوت النبضي على نطاق واسع في قياس المعلمات الصوتية للمواد الصوتية تحت الماء. إنها تقنيتها الرئيسية لنقل الإشارات الصوتية النبضية بأشكال موجية يمكن التحكم فيها وبدون تشويه. ومع ذلك، فإن وظيفة النقل لمحول الإرسال تحد من التردد المنخفض لتقنية اختبار الصوت النبضي في مساحة قياس محدودة. لهذا السبب، تم اقتراح مجموعة متنوعة من طرق التعويض، مثل طريقة تراكب النبض عريض النطاق التي اقترحها Li Shui et al. تستخدم هذه الطريقة تقنية الترشيح العكسي للمعالجة المسبقة لإشارة الإثارة لمحول الإرسال لتعويض وظيفة الإرسال لمحول الإرسال، بحيث تكون الإشارة التي يشعها محول الإرسال نبضة حادة مثالية، مما يقلل بشكل فعال من تردد الحد الأدنى للقياس.

 

وبخلاف الطريقة المذكورة أعلاه، تقوم 'تقنية التصفية العكسية' بمعالجة الإشارة عند الطرف المستقبل للسماعة المائية لتحقيق غرض تعويض استجابة التردد لمحول الإرسال. يتم اعتماد 'تقنية الترشيح العكسي' في الأنبوب الصوتي لتحقيق قياس النطاق العريض لمعامل امتصاص الصوت المواد الصوتية تحت الماء . تحصل هذه الطريقة أولاً على وظيفة النقل لنظام القياس، ثم تعوض إشارة المراقبة، وأخيراً تحصل على معامل الانعكاس الصوتي للعينة عن طريق قسمة طيف سعة إشارة المراقبة المعوضة مع طيف سعة إشارة انعكاس العينة القياسية، وتحسب كذلك معامل امتصاص الصوت. في السنوات الأخيرة، تم تطبيق أجهزة استشعار المتجهات بنجاح على قياس المعلمات الصوتية للمواد الصوتية الجوية، مثل طريقة المعاوقة السطحية وطريقة شدة الصوت. يمكن للهيدروفون المتجه التقاط معلومات مجال الصوت بشكل متزامن وفي نفس النقطة، مما يؤدي إلى توسيع مساحة معالجة ما بعد الإشارة، ويمكن أن تشكل المعالجة المشتركة لإشارات ضغط الصوت وسرعة الاهتزاز اتجاهًا مكانيًا معينًا، والذي يمكن أن يتداخل مع صوت الحيود لحافة العينة. إلى درجة معينة من القمع، ليس من الضروري استخدام مصفوفة استقبال ضغط الصوت الكبيرة التقليدية، مما يقلل من تعقيد نظام القياس. في الوقت نفسه، يمكن توجيه الاتجاه الأقصى الرئيسي للإخراج للمعالجة المشتركة لضغط الصوت وسرعة الاهتزاز للناقل المائي إلى اتجاه محدد مسبقًا من خلال تقنية الدوران الإلكتروني، مما يسهل التقشير الفعال للصوت المباشر والصوت المنعكس. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع الموجه المائي أيضًا بمزايا الاتجاهية الجيدة للتردد المنخفض ومقاومة الضوضاء المتناحية. ولذلك، بالمقارنة مع الهيدروفونات التقليدية لضغط الصوت، فإن استخدام الهيدروفونات الموجهة لاختبار معامل انعكاس الصوت للمادة له مزايا معينة. يقدم هذا البحث طريقة قياس واسعة النطاق لمعامل الانعكاس الصوتي العادي للمواد الصوتية تحت الماء مع عينة كبيرة من المجال الحر. تستخدم هذه الطريقة هيدروفونًا متجهًا واحدًا كمعدات أساسية لنظام القياس، وتجمع بين تقنية الانبعاث الصوتي النبضي وتقنية الترشيح العكسي لقمع تشويه شكل موجة الإشارة، وتزيل صوت حيود حافة العينة وصوت التداخل متعدد المسارات في المجال الزمني، ثم تمر تقنية الدوران الإلكتروني للهيدروفون المتجه لتحقيق الفصل الفعال للصوت المباشر والصوت المنعكس، وأخيرًا يتم الحصول على معامل انعكاس الصوت الطبيعي للعينة عن طريق تقسيم الاثنين.

 

1 عملية القياس

من أجل شرح مبدأ القياس لهذه الطريقة، أثناء شرح عملية القياس، يتم تقديم اشتقاق الصيغة ونتائج المحاكاة ذات الصلة.

 

1.1 تحديد وظيفة النقل وتصميم المرشح العكسي لنظام القياس قبل اختبار العينة، ينبغي الحصول على وظيفة النقل لنظام القياس أولاً. يختلف الهيدروفون المتجه عن ضغط الصوت التقليدي، ويحتوي على قناة ضغط صوت وقناة سرعة اهتزاز، لذلك يجب الحصول على وظيفة النقل لكل قناة قياس للمسماع المائي المتجه في نفس الوقت. أثناء القياس، يتم تشعيع إشارة النبض المثالية في وسط الماء من خلال محول طاقة الإرسال، ثم يتم إرسالها إلى نقطة الاستقبال من خلال القناة الصوتية المائية، وأخيراً يتم استقبالها بواسطة الموجه المائي ويتم جمعها بواسطة المجمع. ولذلك، يمكن تقسيم نظام القياس إلى ثلاثة أجزاء، وهي نظام إرسال الإشارة، والقناة الصوتية تحت الماء، ونظام استقبال الإشارة. بأخذ قناة ضغط الصوت كمثال، يظهر نموذج الإشارة المستقبلة في الشكل 1.

في الشكل 1، s(f) هو طيف الإشارة المرسلة، وT(f)، وHp(f) وR(f) هي وظائف النقل لنظام الإرسال، والقناة الصوتية المائية لضغط الصوت ونظام استقبال الإشارة، على التوالي، وN(f) هو طيف الضوضاء الخلفية، وY(f) هو طيف إشارة الخرج لنظام القياس. تتمثل تقنية الترشيح اللاحق العكسي في تصميم مرشح معكوس لتعويض T(f) وR(f) عندما تكون وظيفة النقل لنظام القياس معروفة. خذ قناة ضغط الصوت كمثال لتوضيح المبدأ الأساسي لتحديد وظيفة النقل لنظام القياس. الطريقة الأولى: خذ بعين الاعتبار نظام إرسال الإشارة ونظام استقبال الإشارة ككل، أي H(f) = T(f) + R(f). إشارة الدخل هي x(t)، وإشارة خرج النظام هي y(t)، وضوضاء الخلفية هي n(t)، Y(f) = H(f) X(f) + N(f) (1) حيث X(f)، Y(f) وN(f) هي تحويل فورييه لإشارة دخل النظام x(t)، وإشارة خرج النظام y(t) وضوضاء الخلفية n(t)، على التوالي. بعد الحساب، تكون القيمة المقدرة لـ H(f) هي ^H(f) =Gxy(f)Gxx(f) (2) حيث Gxy(f) هو طيف القدرة المتقاطعة لإشارة الدخل وإشارة الخرج للنظام، وGxx( f) هو طيف الطاقة الذاتية لإشارة دخل النظام.

 

بالإضافة إلى طرق تحديد هوية نظام القياس المذكورة أعلاه، يمكن أيضاً استخدام تقنيات تعرف هوية التسلسل العشوائي الزائف. الطريقة 2 لنفترض أن إشارة الدخل x(t) لنظام القياس هي تسلسل شبه عشوائي (تسلسل MLS)، وإشارة خرج النظام هي y(t). من الواضح أن y(t) = x(t) * h(t) (3) حيث، * يعني الإلتواء، h(t) هي وظيفة الاستجابة النبضية للوحدة في النظام. احسب وظيفة الارتباط بين إشارة الإدخال وإشارة الخرج للنظام، rxy = ∫x(τ) y(τ-t) dτ = h(t) * rxx(t) (4) حيث rxy هو الارتباط المتبادل بين الإدخال والإخراج لوظيفة النظام، rxx هي وظيفة الارتباط التلقائي لإشارة الإدخال. لأن تسلسل MLS له خصائص ارتباط ذاتي أفضل، أي rxx(n) = δ(n)-1L + 1 . حيث L = 2m-1 هو طول التسلسل، وm هو ترتيب التسلسل العشوائي الزائف. من السهل أن نرى أن القيمة المقدرة لوظيفة الاستجابة النبضية لوحدة النظام ^h(t) هي ^h(t) ≈ rxy (6) يمكن لتحويل فورييه الإضافي الحصول على القيمة المقدرة ^H(f) لوظيفة نقل النظام لنظام القياس. بعد الحصول على ^H (f)، قم بتصميم المرشح العكسي H-1( f) في مجال التردد كـ Hpost( f) =^H( f)| ^ ح(و) | 2 + q( 7) حيث Q هو رقم عادي، بشكل عام 1% من القيمة القصوى لـ | ^ ح (و) | 2. حالة المحاكاة 1 يتم وضع محول طاقة الإرسال والمكبر الصوتي في حوض كاتم للصدى على عمق متساوٍ، والمسافة بين الاثنين هي 1 متر، والإشارة المرسلة عبارة عن تسلسل MLS مكون من 16 ترتيبًا. يتم استخدام الطريقة 1 والطريقة 2 لتحديد النظام، على التوالي. النسب هي 10 و 20 و 30 ديسيبل. تقييم إيجابيات وسلبيات نتائج تحديد وظيفة النقل للطريقتين بنسب إشارة إلى ضوضاء مختلفة. في المحاكاة، تتم محاكاة وظيفة استجابة نبضة الوحدة للنظام عن طريق إضافة نبضات غوسية بترددات مركزية 1 و 2 و 4 و 8 كيلو هرتز.

 

ويبين الشكل 3 نتائج تحديد وظيفة النقل لنظام القياس في ظل الظروف المذكورة أعلاه. يتبين من الشكل أن طريقتي تحديد النظام الموصوفتين في هذه المقالة يمكن أن تحصلا بشكل فعال على وظيفة النقل لنظام القياس. ومع ذلك، فإن الطريقة 1 لها متطلبات معينة بشأن نسبة الإشارة إلى الضوضاء. عندما تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء أكبر من 30 ديسيبل، تكون نتيجة تحديد الهوية دقيقة. وتكون نتيجة تحديد النظام للطريقة 2 أفضل من نتيجة الطريقة 1، ولا يزال من الممكن الحصول على نتائج تحديد عالية الدقة في حالة انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء. وذلك لأن ضجيج الخلفية له علاقة صغيرة بإشارة الإثارة لمصدر الصوت، لذلك تتمتع هذه الطريقة بقدرة معينة على مقاومة الضوضاء. وفيما يلي تحليل لفعالية طريقة القياس الموضحة في هذه المقالة من خلال المحاكاة والحساب العددي.

 

1.2 معالجة بيانات المراقبة

1) الحصول على بيانات المراقبة. يظهر الرسم التخطيطي لمبدأ القياس مستشعر محول صوتي تحت الماء  في الشكل 4. في الشكل، ri هو مسار الصوت المباشر، والمسافة من الهيدروفون المتجه إلى العينة هي d، ومسار الصوت المنعكس هو ri + 2d، re = rs + rr هو مسار الصوت المنحرف، rq هو مسار الصوت المنعكس عند حدود المجمع، pi هو الصوت المباشر، pr هو الصوت المنعكس، pe هو الصوت المنحرف عند حافة العينة، pq هو تداخل متعدد الاتجاهات صوت.

 

لنفترض أن طيف إشارة الإثارة لمحول الإرسال هو s(f)، وتم تجاهل المعاوقة المميزة للوسط. بدون فقدان العمومية، فإن تعبير مجال التردد للإشارة التي يستقبلها الهيدروفون المتجه ثنائي الأبعاد هو P( f) = s( f) · 1 + Rs( f) e－jωτr+ D( f) e－jωτe + Rq( f) e－jωτq Hpt( f)Vx( f) = s( f) · cos( θi) + Rs( f) e－jωτrcos( θr )+ D( f) e－jωτecos( θe) + Rq( f) e－jωτqcos( θq) Hvxt( f )Vy( f) = s( f) ·sin( θi) + Rs( f) e－jωτrsin( θr )+ D( f) e－jωτesin( θe) + Rq( f) e－jωτqsin( θq) Hvyt( f)(8) في الصيغة، Rs(f) هو معامل الانعكاس الصوتي للعينة والذي يعتمد على تردد الموجة الصوتية وزاوية الحادث، D(f) هو معامل حيود حافة العينة، Rq(f) هو معامل انعكاس حدود المسبح، τr، τe و τq هي التأخيرات الزمنية للصوت المنعكس، وصوت حيود حافة العينة، وصوت انعكاس حدود التجمع، والصوت المباشر، على التوالي. تمثل θi وθr وθe وθq الصوت المباشر والصوت المنعكس وصوت حيود حافة العينة وصوت انعكاس حدود المجمع، على التوالي. وتمثل زاوية سقوط الموجة الصوتية Hpt(f) وHvxt(f) وHvxt(f) على التوالي وظيفة النقل لكل قناة قياس في نظام القياس.

 

2) تعويض وظيفة نقل نظام القياس. اضرب المرشح العكسي المصمم مع طيف التردد لبيانات مراقبة القناة المقابلة للحصول على الإشارة المعوضة. طيف التردد Ppost(f) وVxpost(f) وVypost(f) هو Ppost(f) ≈ s(f) ·1 + Rs(f) e－jωτr+ D(f) e－jωτe + Rq(f) e－jωτq Vxpost( f) ≈ s( f) · cos( θi) + Rs( f) e－jωτrcos( θr )+ D( f) e－jωτecos( θe) + Rq( f) e－jωτqcos( θq) Vypost( f ) ≈ s( f) ·sin( θi) + Rs( f) e－jωτrsin( θr )+ D( f) e－jωτesin( θe) + Rq( f) e－jωτqsin( θq)

 

شرط المحاكاة 2 لنفترض أن عمق حوض السباحة هو 10 أمتار، ومحول الإطلاق، ومكبر الصوت المتجه، وعمق الماء h للعينة المراد اختبارها هو 5 أمتار. المسافة H من محول الإرسال إلى العينة هي 15 مترًا، والمسافة d من الموجه المائي إلى العينة هي 10 سم، وإشارة الإرسال عبارة عن إشارة صوتية نبضية بتروورث، وعرض نطاق الإشارة هو 500-10 كيلو هرتز، وتردد أخذ العينات fs = 131072 هرتز ونسبة الإشارة إلى الضوضاء 30 ديسيبل. خذ قناة ضغط الصوت كمثال للتحقق من فعالية تعويض المرشح اللاحق العكسي. في المحاكاة، العينة المراد اختبارها عبارة عن لوح ألومنيوم بسمك 0.006 م وحجم هندسي 1 م × 1 م. تتم محاكاة معامل حيود الحافة للعينة باستخدام مرشح تمرير منخفض.

يوضح الشكل 5 تأثير التعويض لمرشح ما بعد العكسي لقناة ضغط الصوت. يوضح الشكل أن شكل موجة الإشارة بعد التعويض يكون أكثر انتظامًا وسلاسة، مما يمنع بشكل فعال تشويه الإشارة الناجم عن وظيفة النقل لنظام القياس ويساعد على القضاء على التداخل مثل صوت حيود الحافة.

 

3) القضاء على أصوات التدخل. احسب التأخير الزمني للصوت المنعكس، وعينة صوت الحيود، وصوت انعكاس حدود التجمع وفقًا لمعلمات نشر نظام القياس، وقم بإجراء تحويل فورييه العكسي للمعادلة (9) للحصول على إشارة المجال الزمني، ثم أضف نافذة لاعتراض الإشارة المفيدة، وقم بإجراء تحويل أوراق فورييه، نحصل على Pc( f) = s( f) [1 + Rs( f) e－jωτr]

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

Vy c( f) = s( f) [sin( θi) + Rs( f) e－jωτrsin( θr)] حيث Pc(f) وVxc(f) وVyc(f) هي على التوالي طيف الإشارة لكل قناة. افصل الصوت المباشر عن الصوت المنعكس، واحصل على معامل انعكاس الصوت للعينة. لنفترض أن السمت التوجيهي لموجه الهيدروفونات هو ψ، وسرعة الجسيمات المركبة المحسوبة Vc هي Vc( f) = Vxc( f) cos( ψ) + Vyc( f) sin( ψ) (11) أولاً، قم بتوجيه السمت التوجيهي إلى المرسل دع ψ = 0، وقم بإجراء (p + vc) 2 معالجة مشتركة، مع حذف المصطلح الشائع s( f)، واحصل على مخرجات المعالجة المشتركة Ii كـ Ii = [Pc( f) + Vc( f)] 2ψ = 0 = 4 (12) قم بتوجيه السمت التوجيهي إلى العينة مرة أخرى، أي دع ψ = π، وقم بإجراء المعالجة المشتركة لـ (p + vc) 2 للحصول على مخرجات المعالجة المشتركة Ir = [Pc( f) + Vc( f)] 2ψ = π = 4 [R2s( و) ه－2jωτr］

 

2 تحليل خطأ القياس

حالة المحاكاة 3 تظل معلمات نظام القياس دون تغيير، والإشارة المرسلة عبارة عن إشارة صوتية نبضية بتروورث، وعرض نطاق الإشارة هو 500 ~ 10 كيلو هرتز. دون النظر في تأثير الحيود لحافة العينة وتأثير صوت الانعكاس عند حدود المجمع، تتم مناقشة نسبة الإشارة إلى الضوضاء. وعندما تكون 20 و30 و40 ديسيبل، تتغير نتيجة القياس مع التردد. يتم عرض نتائج القياس ومنحنيات الخطأ النسبي للقياس تحت نسب الإشارة إلى الضوضاء المختلفة. يمكن أن نرى من الشكل أن الخطأ النسبي في القياس يخفف مع تذبذب التردد، وأن نطاق التردد المنخفض يتأثر بشكل كبير بنسبة الإشارة إلى الضوضاء؛ بالإضافة إلى ذلك، عندما تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء 20 ديسيبل، يكون اتجاه التغيير لنتيجة القياس هو نفس القيمة النظرية، ولكن نتيجة القياس بها خطأ أكبر؛ انخفاض خطأ قياس نطاق التردد الكبير يرجع إلى أن معامل الانعكاس الصوتي صغير، والتقلبات الصغيرة يمكن أن تسبب أخطاء نسبية كبيرة. في الاختبار الفعلي، بالإضافة إلى نسبة الإشارة إلى الضوضاء، سيكون لخطأ وضع نظام القياس أيضًا تأثير على نتائج القياس. تحلل المحاكاة التالية تأثير الخطأ في وضع نظام القياس. شرط المحاكاة 4 تبقى معلمات نظام القياس دون تغيير، بغض النظر عن التداخل مثل ضوضاء الخلفية وانحراف حافة العينة. المسافة H من مصدر الصوت إلى العينة هي 5، 10، و 15 م، على التوالي. تتم مناقشته عندما تكون المسافة d من الموجه المائي إلى العينة 10. نتيجة القياس عند نسبة الخطأ. يتم إعطاء نتائج القياس عندما تكون المسافة H من محول طاقة المرسل إلى العينة مختلفة، وتكون المسافة d من الموجه المائي إلى العينة بها خطأ بنسبة 10%. يوضح الشكل أن نتيجة القياس ليست حساسة لخطأ المسافة بين الموجه المائي والعينة؛ H نتائج القياس ليست متطابقة تقريبًا في نفس الوقت. ويمكن ملاحظة أنه في الاختبار الفعلي، من الضروري فقط تحديد H المناسب وفقًا للحجم الهندسي لحوض القياس. شرط المحاكاة 5 تظل معلمات نظام القياس دون تغيير، بغض النظر عن التداخل الناجم عن ضوضاء الخلفية وانعراج حافة العينة. المسافة d من الموجه المائي إلى العينة هي 5 و10 و15 سم، على التوالي، والمسافة H من محول الإرسال إلى العينة هي 15 مترًا، وناقش نتائج القياس عندما يكون هناك خطأ بنسبة 1٪ في المسافة H من محول طاقة الإرسال إلى العينة. يتم إعطاء نتائج القياس عندما تكون المسافة d من الموجه المائي إلى العينة مختلفة، وتكون المسافة H من محول الإرسال إلى العينة بها خطأ بنسبة 1%. ومن الشكل يتبين أن نتيجة القياس والقيمة النظرية لهما نفس الاتجاه مع التردد، وكلما زاد التردد، زاد التردد. والنتيجة أكثر دقة، وطريقة القياس هذه ليست حساسة لخطأ المسافة بين الموجه المائي والعينة.

3 البحث التجريبي ومعالجة البيانات

 

يظهر الشكل 11 الرسم التخطيطي لتكوين الأجهزة لنظام القياس. ويتكون النظام من نهاية جافة ونهاية رطبة. يتكون الطرف الجاف بشكل أساسي من مولد إشارة عشوائي، ومضخم الطاقة، ودائرة تكييف ناقل الهيدروفون ومجمع الإشارة، وما إلى ذلك، والتي تستخدم لتوليد الإشارة ونقلها واكتسابها. يتكون الطرف الرطب بشكل أساسي من محول طاقة مرسل ومكبر صوت متجه ثنائي الأبعاد منخفض التردد وعينة لقياس العينة. يتم وضع الطرف الرطب في حوض عديم الصدى بحجم هندسي يبلغ 25 م × 15 م × 10 م، ويقع مركز الصوت على عمق 5 م تحت الماء. المجمع مكتوم من ستة جوانب، والحد الأدنى لامتصاص الصوت هو 2 كيلو هرتز. العينة المراد اختبارها عبارة عن لوحة من الألومنيوم ذات حجم هندسي 1m×1m×0.006 m. تم تعليق محول طاقة المرسل على حافة السيارة فوق حوض السباحة، وكانت المسافة H من العينة 4.95 م. يتم تثبيت العينة على جهاز الرفع والتدوير، ويمكن تدوير العينة بزاوية أثناء القياس وتحريكها بسلاسة في ثلاثة أبعاد. يتم وضع مكبر الصوت المتجه في الطرف الأمامي للعينة، وتكون المسافة d من سطح العينة 5.5 سم. محول الإرسال هو مصدر صوت أسطواني، ويوضح الشكل 12 منحنى استجابة جهد الإرسال الخاص به.

 

يتبين من الشكل 12 أن محول طاقة الإرسال لديه قدرة إشعاع ضعيفة أقل من 2,5 كيلو هرتز. نطاق تردد العمل الفعال لمكبر الصوت المتجه ثنائي الأبعاد منخفض التردد هو 1 ~ 12 كيلو هرتز. أثناء النشر، تشير قناة Vy المتجهة إلى العينة المراد اختبارها، وتشير قناة Vx إلى جدار حوض السباحة. قم أولاً بإرسال التسلسل العشوائي الزائف المكون من 16 ترتيبًا لتحديد وقياس.

 

الشكل 12: منحنى استجابة جهد الإرسال لمحول الإرسال

 

وظيفة نقل النظام، وتصميم المرشح العكسي. ويبين الشكل 13 نتائج تحديد وظيفة النقل لنظام القياس. في الشكل، تمثل hp(f) وhvx(f) وhvy(f) القيم المقاسة لوظيفة النقل لقناة ضغط الصوت وقناة Vx المتجهة وقناة Vy لنظام القياس على التوالي؛ hpinv(f) وhvxinv(f) وhvyinv(f) هي وظيفة نقل المرشح العكسي المصممة على التوالي.

ويتبين من الشكل 13 أن نتيجة تعريف وظيفة نقل قناة Vx المتجهية غير صالحة. وذلك لأنه في حالة النشر المذكورة أعلاه، تواجه 'الحفرة' لقناة Vx الخاصة بالموجه المائي مصدر الصوت، وتكون الإشارة التي تستقبلها هذه القناة هي المجمع فقط. يعكس الجدار الإشارة الصوتية، وبالتالي فإن نتيجة تعريف النظام غير دقيقة. حافظ على الوضع المكاني واتجاه محول الإرسال و محول طاقة الموجه المائي دون تغيير، ثم ضع العينة جانبًا، وأرسل إشارة بتروورث الصوتية النبضية بعرض نطاق يتراوح من 500 إلى 12.5 كيلو هرتز. ويبين الشكل 14 البيانات الأصلية وأشكال الموجات المعدلة للإشارة التي تستقبلها كل قناة من الموجه المائي. يمكن أن نرى من الشكل 14 أن الشكل الموجي للإشارة في المجال الزمني بعد تصحيح المرشح العكسي يصبح منتظمًا وتكون الطاقة أكثر تركيزًا. ثم احسب التأخير الزمني للصوت المباشر وصوت حيود الصوت المنعكس من حافة العينة وفقًا لمعلمات التخطيط المكاني لنظام القياس، وأضف نوافذ لاعتراض البيانات المفيدة، واحسب معامل انعكاس الصوت العادي للعينة كما هو موضح في الشكل 15.

ويبين الشكل 15 نتائج القياس قبل وبعد التعويض. ويمكن ملاحظة أن نتيجة القياس لوظيفة النقل لنظام القياس غير المعوض بها خطأ كبير وتكاد تكون غير صالحة. تم تحسين دقة القياس بشكل كبير بعد معالجة المرشح العكسي. عندما يكون التردد أكبر من 2.5 كيلو هرتز، يكون خطأ القياس بعد تصحيح الفلتر العكسي صغيرًا، وتكون نتيجة القياس أقل من 2.5 كيلو هرتز بها خطأ كبير. والسبب هو أن قدرة الإرسال ذات التردد المنخفض لمحول الإرسال محدودة، وأن مكونات الإشارة ذات التردد المنخفض مغمورة في ضوضاء الخلفية، وبالتالي فإن نتيجة القياس سيئة.

 

4 الاستنتاج

تقترح هذه الورقة طريقة لقياس معامل الانعكاس الصوتي الطبيعي للمواد الصوتية تحت الماء بناءً على هيدروفون متجه واحد. هذه الطريقة سوف تنبض. مزيج من تكنولوجيا الانبعاث النبضي، وتكنولوجيا معالجة الإشارات المتجهة وتقنية التصفية بعد العكسية، من خلال تكنولوجيا التصفية بعد العكسية لاستقبال الهيدروفون المتجه.

 

يتم تعويض البيانات، ويتم منع تشويه الإشارة الناجم عن وظيفة النقل لنظام القياس، ويتم التخلص من صوت حيود الحافة والمسارات المتعددة للعينة في المجال الزمني. ويحسن تداخل الإشارة من دقة القياس. يتم استنتاج مبدأ القياس نظريا، ودراسة تأثير خطأ نظام القياس من خلال الحساب العددي والمحاكاة، وإجراء البحوث التجريبية. تظهر نتائج الحساب والمحاكاة العددية أن طريقة القياس الموضحة في هذه المقالة لها متطلبات معينة لنسبة الإشارة إلى الضوضاء؛ نشر نظام غير دقيق وغير حساس. تظهر النتائج التجريبية أن الطريقة الموضحة في هذه الورقة يمكن أن تحقق بشكل فعال قياس المجال الحر على نطاق واسع لمعامل الانعكاس الصوتي الطبيعي للمواد الصوتية تحت الماء، ولكن بسبب محدودية قدرة الإشعاع منخفض التردد لمحول الإرسال، فإن خطأ قياس التردد المنخفض كبير نسبيًا.