Метад вымярэння каэфіцыента акустычнага адлюстравання падводных акустычных матэрыялаў з аднавектарным гідрафонам

Аб'ектыўным з'яўляецца вывучэнне змяненняў формы і геаметрычнага становішча акустычнага фокуснага дыяпазону ўвагнутай сферычны ультрагукавой пераўтваральнік, калі інтэнсіўнасць гуку высокая і асяроддзе мае вялікае згасанне. З пункту гледжання фізічнай акустыкі аналізуюцца эфекты нелінейнасці і згасання асяроддзя, выкліканыя высокай інтэнсіўнасцю гуку, на фокусны дыяпазон гуку, і алгарытм лінейнага суперпазіцыі інтэграла выкарыстоўваецца для правядзення лікавых разлікаў мадэлявання. Як тэарэтычны аналіз, так і лікавыя разлікі паказваюць, што з павелічэннем інтэнсіўнасці гуку і сярэдняга паслаблення геаметрычнае становішча акустычнай факальнай зоны мае міліметровае прасоўванне ўздоўж акустычнай восі ў напрамку пераўтваральніка; у той жа час форма акустычнай факальнай зоны паступова змянялася ад сіметрычнага доўгага эліпсоіда да кароткага эліпсоіда з «тоўстай галавой і тонкім хвастом».

 

Высокая інтэнсіўнасць гуку і сярэдняе згасанне аказваюць важны ўплыў на становішча і форму факальнай вобласці гуку ўвагнутага сферычнага пераўтваральніка. Варта ўважліва ўлічваць дакладнае размяшчэнне і кантроль дозы абсталявання HIFU, распрацоўку стандартаў праверкі і нават клінічнае прымяненне.

 

мая краіна зрабіла выдатныя прарывы ​​ў распрацоўцы і клінічным прымяненні высокаінтэнсіўнага сфакусаванага ультрагуку (абсталяванне для высокаінтэнсіўнага сфакусаванага ультрагуку (HIFU)). Тым не менш, каб сапраўды дасягнуць дакладнага пазіцыянавання і кантролю дозы лячэння на абсталяванні, каб клінічнае лячэнне магло дасягнуць ідэальнага эфекту эфектыўнага знішчэння паразы без пашкоджання навакольных нармальных тканін, ёсць яшчэ шмат тэарэтычных і тэхнічных праблем, якія неабходна вывучыць і паглыблена вырашыць. Айчынныя і замежныя эксперыментальныя даследаванні па фарміраванні пашкоджанняў HIFU ў біялагічных тканінах паказалі, што з павелічэннем інтэнсіўнасці гуку становішча очаговой зоны перамяшчаецца наперад і паступова змяняецца ад доўгага эліпсоіда да «формы апалонікі» або «формы конусу». Хаця ў апошнія гады ў замежнай літаратуры былі зроблены некаторыя якасныя тлумачэнні вышэйзгаданай з'явы шляхам лікавага рашэння ўраўненні распаўсюджвання нелінейнай акустычнай хвалі (раўнанне KZK), але працэдура разліку складаная, а фізічная ўзаемасувязь у працэсе разліку незразумелая. Па гэтай прычыне ў гэтай працы ў якасці прыкладу бярэцца ўвагнуты сферычны факусуючы пераўтваральнік і абмяркоўваецца праблема шляхам вывучэння ўплыву згасання ў асяроддзі і характарыстык нелінейнага распаўсюджвання пры высокай інтэнсіўнасці гуку на фокусны дыяпазон гуку.

 

У нашай папярэдняй працы на аснове дыфракцыйнага інтэграла Кірхгофа мы атрымалі выраз гукавога ціску ў любой кропцы адначастотнага гукавога поля пры ўмове лінейнага гукавога поля з увагнутым сферычным факусуючым пераўтваральнікам з аднастайным выпраменьваннем на паверхні (таксама званым кропкамі Рэлея).

 

З аналізу тэорыі нелінейнай акустыкі, калі гукавы ціск адначастотнай сінусоіды, якая выпраменьваецца ад паверхні пераўтваральніка ў асяроддзе, дастаткова вялікі, гэта называецца 'хваляй абмежаванай амплітуды', якая распаўсюджваецца ў асяроддзі на пэўную адлегласць (так званую перарывістым адлегласцю). ), форма хвалі будзе скажоная ў пілападобны характар, які таксама можна разглядаць як ударную хвалю. У дадатак да асноўнай частаты зыходнага выпраменьвання частотны спектр гэтай хвалі таксама ўключае шэраг вышэйшых гармонік. Яны паступова ўтвараюцца шляхам бесперапыннага паглынання энергіі асноўнай хвалі падчас распаўсюджвання гукавых хваль, гэта значыць тканкавых гармонік ва ўльтрагукавой медыцыне. Каэфіцыент амплітуды можа быць выкарыстаны для апісання распаўсюджвання гармонік высокага парадку з адлегласцю распаўсюджвання і ўзаемасувязі змяненняў энергіі падчас распаўсюджвання.

 

Пилообразная хваля ўтварае адлегласць, таму яна з'яўляецца беспамернай велічынёй, якая адлюстроўвае адлегласць распаўсюджвання. На падставе гэтага мы разлічылі крывую каэфіцыента амплітуды асноўнай хвалі і першых 3 гармонік. Калі гукавая хваля распаўсюджваецца ў асяроддзі, гукавы ціск згасае па экспаненце з адлегласцю, што можна выказаць у форме. Для агульных мяккіх тканін каэфіцыент згасання TM прыкладна прапарцыйны частаце. Каб спрасціць разлік, у гэтым артыкуле каэфіцыент згасання кожнага гарманічнага кампанента выражаецца як, дзе α — сістэма згасання гуку асноўнай частаты гукавой хвалі ў біялагічных тканках на адзінку адлегласці.

 

 

Яна павінна ўключаць гукапаглынанне і рассейванне тканіны. Пасля ўліку двух вышэйпералічаных фактараў (нелінейнасці і згасання) гукавы ціск у сфакусаваным гукавым полі можа быць выражаны ў наступным выглядзе: гэта хвалевы лік кожнай гармонікі. Гэтую формулу мы называем лінейным алгарытмам суперпазіцыі інтэграла Рэлея.

 

Вынік:

 

1 Уплыў сярэдняга згасання на фокусны дыяпазон гуку. Параметры адзінкавага ўвагнутага сферычнага пераўтваральніка, які выкарыстоўваецца ў гэтай працы: радыус крывізны R = 15 см, радыус апертуры a = 42 см, рабочая частата f = 1,7 МГц. Мяркуючы, што асяроддзем з'яўляецца звычайная мяккая тканіна, яго каэфіцыент згасання α знаходзіцца ў дыяпазоне 01-30 дБ (см·Мг). Хуткасць гуку, шчыльнасць і іншыя параметры асяроддзя прымаюцца па адпаведнай літаратуры. Каб вывучыць каэфіцыент згасання як адзіны фактар ​​уплыву, неабходна вылічыць і прааналізаваць толькі адну частату, а менавіта асноўную частату, для змены закона вобласці фокусу гуку з рознымі значэннямі α. Па гэтай прычыне ў формуле была праведзена серыя лікавых разлікаў, прыняўшы М=1. Вынікі паказваюць, што з павелічэннем згасання, гэта значыць, калі α = 0,3, 13 і 23 дБ stew (см·МГц), форма акустычнай факальнай вобласці -6 дБ паступова змяняецца з доўгага эліпсоіда на кароткі эліпсоід, а яго доўгая вось1 і кароткая вось .

 

2. Іх 111, 104 і 92 адпаведна. Палажэнне факальнай зоны (становішча на акустычнай восі), дзве апошнія знаходзяцца адпаведна на 30 мм і 65 мм наперадзе першай уздоўж акустычнай восі пераўтваральніка. Пры гэтым галоўка факальнай зоны (канец, блізкі да пераўтваральніка) больш «тоўсты», чым хвост (канец, аддалены ад пераўтваральніка).

 

2 Уплыў нелінейнасці, выкліканай высокай інтэнсіўнасцю гуку, на дыяпазон факусіроўкі гуку аднолькавы, гукавы ціск павярхоўнага выпраменьвання разглядаецца як адзіны фактар, і яго значэнні складаюць адпаведна 44, 73, 4 МПа і α = 3 дБ (см·МГц). Улічваючы, што згасанне ў асяроддзі хутка ўзрастае з павелічэннем частаты гармонікі, колькасць гармонік не павінна быць занадта вялікай. Вынікі разлікаў паказваюць, што: калі гукавы ціск павярхоўнага выпраменьвання павялічваецца, змяняюцца становішча і форма факальнай зоны, у адрозненне ад змены каэфіцыента згасання. Ён такі вялікі, але закон яго змены падобны. Гэта значыць, пазіцыі двух апошніх фокусных абласцей ссунутыя наперад на 16 мм і 21 мм адпаведна; суадносіны доўгай і кароткай восі факальнай вобласці 6 дБ складае 119, 116 і 113 адпаведна, і галава факальнай вобласці таксама мае тэндэнцыю станавіцца «тлусценнем».

 

3 Камбінаваны ўплыў згасання і нелінейнасці на фокусны дыяпазон гуку.

Вышэйзгаданыя два каэфіцыенты адначасова ўключаюцца ў формулу (3) для разліку. Малюнак 3(a) і малюнак 3(b) адпаведна паказваюць, што α=3 дБ тушэння (см·МГц), P′ 0=44 МПа і α=2,3 дБ тушэння (см·МГц), P′0=44 МПа

Пры адначасовым уліку згасання і нелінейных эфектаў контур лініі ізагукавога ціску ў факальнай зоне з'яўляецца вынікам разліку на малюнку. У параўнанні з двума, пазіцыя факальнай зоны перасунулася наперад на 8,4 мм, а суадносіны вялікай і малой восяў факальнай зоны змянілася з 11,9 да 8,5. Гэта паказвае, што тэндэнцыя змены факальнай зоны, выкліканая каэфіцыентам згасання і нелінейнасцю, аднолькавая, таму агульны эфект узмацняецца.

 

 

у заключэнне

Тэарэтычны аналіз і вынікі разлікаў у гэтай працы паказваюць, што: высокая інтэнсіўнасць гуку і сярэдняе паслабленне аказваюць важны ўплыў на форму і становішча факальнай зоны гуку; чым большы каэфіцыент згасання ў асяроддзі, тым вышэй інтэнсіўнасць гуку (гэта значыць, тым мацней нелінейнасць), а фокус гуку Чым бліжэй поле да пераўтваральніка; суадносіны доўгай і кароткай восяў факальнага поля таксама становіцца меншым, гэта значыць яго форма паступова змяняецца ад доўгага эліпсоіда да кароткага эліпсоіда, а галоўка вобласці фокуса гуку становіцца «тоўстай», чым хвост. Феномен, форма імкнецца да 'морквы'. Прыведзеныя вышэй высновы ствараюць аснову для колькаснага аналізу закона змены зоны факусіроўкі гуку гукавога поля HIFU і далейшага вывучэння ўзаемасувязі паміж зонай факусіроўкі гуку і зонай пашкоджання.

 

Вялікі ўзор метад вымярэння каэфіцыента акустычнага адлюстравання падводныя акустычныя матэрыялы з аднавектарным гідрафонам

 

Для рэалізацыі шырокапалоснага вымярэння нармальнага каэфіцыента акустычнага адлюстравання падводных акустычных матэрыялаў у свабодным полі ў якасці асноўнага абсталявання вымяральнай сістэмы выкарыстоўваецца аднавектарны гідрафон у спалучэнні з тэхналогіяй імпульснай акустычнай эмісіі і тэхналогіяй апрацоўкі сігналу пасля інверснага фільтра, прапануецца аднавектарны гідрафон на аснове аднавектарнага гідрафона. Шырокапалосны метад вымярэння нармальнага каэфіцыента акустычнага адлюстравання падводнага акустычнага матэрыялу ў вольным полі з дапамогай тэхналогіі электроннага кручэння вектарнага гідрафона дазваляе рэалізаваць эфектыўнае раздзяленне прамога гуку і адлюстраванага гуку. Абмяркоўваецца ўплыў хібнасці вымяральнай сістэмы і адносіны сігнал/шум прыманага сігналу на вынік вымярэння. Гэты метад мае пэўныя патрабаванні да адносіны сігнал/шум, але ён не адчувальны да памылак сістэмы вымярэння. Вынікі эксперыментальных выпрабаванняў паказваюць, што: У параўнанні з вынікамі эксперыментальных выпрабаванняў без апрацоўкі пасля зваротнай фільтрацыі, метад, апісаны ў артыкуле, значна паляпшае прадукцыйнасць вымярэння, але абмежаваны магчымасцю нізкачашчыннага выпраменьвання перадатчыка, эксперыментальныя вынікі вышэйшыя за 2,5 кГц і тэарэтычныя значэнні добра супадаюць.

 

Каэфіцыент акустычнага адлюстравання з'яўляецца важным параметрам, які характарызуе акустычныя характарыстыкі падводных акустычных матэрыялаў. У цяперашні час метады вымярэння каэфіцыента акустычнага адлюстравання падводных акустычных матэрыялаў можна ўмоўна падзяліць на метад вымярэння лабараторнай акустычнай трубкі малога ўзору і метад вымярэння вялікага ўзору ў вольным полі. Вымярэнне вялікага ўзору ў свабодным полі звычайна праводзіцца ў вялікай безэхавой басейне. Пры ўкладванні глушыцельных матэрыялаў на мяжу басейна для паглынання гуку, адлюстраванага ад мяжы басейна, сігнал, атрыманы гідрафонам, будзе толькі прамым гукам і гукам, адлюстраваным ад узору. Аднак з-за абмежавання ніжняй мяжы безэхового басейна эфект нізкачашчыннага шматшляхоўнасці відавочны; акрамя таго, метаду вымярэння ў вольным полі ў асноўным перашкаджае эфект краёвай дыфракцыі ўзору, і гэта ўмяшанне асабліва сур'ёзнае ў дыяпазоне нізкіх частот. Для вырашэння вышэйзгаданых праблем пры вымярэнні акустычных параметраў падводна-акустычных матэрыялаў шырока выкарыстоўваецца тэхналогія імпульснага гукавога тэсціравання. Гэта яго ключавая тэхналогія для перадачы імпульсных акустычных сігналаў з кантраляванай формай хвалі і без скажэнняў. Аднак функцыя перадачы перадаючага пераўтваральніка абмяжоўвае нізкую частату тэхналогіі тэсціравання імпульснага гуку ў абмежаванай прасторы вымярэнняў. Па гэтай прычыне былі прапанаваны розныя метады кампенсацыі, такія як метад суперпазіцыі шырокапалосных імпульсаў, прапанаваны Li Shui et al. У гэтым метадзе выкарыстоўваецца тэхналогія зваротнай фільтрацыі для папярэдняй апрацоўкі сігналу ўзбуджэння перадатчыка, каб кампенсаваць функцыю перадачы пераўтваральніка, так што сігнал, выпраменьваны перадаючым пераўтваральнікам, з'яўляецца ідэальным рэзкім імпульсам, што эфектыўна зніжае ніжнюю мяжу частоты вымярэння.

 

У адрозненне ад прыведзенага вышэй метаду, 'тэхналогія постінверснай фільтрацыі' апрацоўвае сігнал на прыёмным канцы гідрафона для дасягнення мэты кампенсацыі частотнай характарыстыкі перадаючага пераўтваральніка. «Тэхналогія постінверснага фільтра» выкарыстоўваецца ў акустычнай трубцы для дасягнення шырокапалоснага вымярэння каэфіцыента гукапаглынання падводныя акустычныя матэрыялы . Гэты метад спачатку атрымлівае перадаткавую функцыю вымяральнай сістэмы, затым кампенсуе сігнал назірання і, нарэшце, атрымлівае каэфіцыент акустычнага адлюстравання ўзору шляхам дзялення спектру амплітуды кампенсаванага сігналу назірання на спектр амплітуды сігналу адлюстравання стандартнага ўзору і далей вылічвае каэфіцыент паглынання гуку. У апошнія гады вектарныя датчыкі паспяхова прымяняюцца для вымярэння акустычных параметраў аэраакустычных матэрыялаў, такіх як метад павярхоўнага імпедансу і метад інтэнсіўнасці гуку. Вектарны гідрафон можа ўлоўліваць інфармацыю аб гукавым полі сінхронна і ў адной і той жа кропцы, што пашырае прастору апрацоўкі пасля сігналу, а сумесная апрацоўка сігналаў гукавога ціску і хуткасці вібрацыі можа сфарміраваць пэўную прасторавую накіраванасць, якая можа перашкаджаць дыфракцыйнаму гуку краю ўзору. Да пэўнай ступені падаўлення няма неабходнасці выкарыстоўваць звычайную вялікую прыёмную рашотку гукавога ціску, што зніжае складанасць сістэмы вымярэння. У той жа час асноўны максімальны кірунак выхаду камбінаванай апрацоўкі гукавога ціску і хуткасці вібрацыі вектарнага гідрафона можна накіраваць у загадзя зададзены кірунак з дапамогай тэхналогіі электроннага кручэння, што спрыяе эфектыўнаму адслойванню прамога гуку і адлюстраванага гуку. Акрамя таго, вектарны гідрафон таксама мае такія перавагі, як добрая нізкачашчынная накіраванасць і ўстойлівасць да ізатропнага шуму. Такім чынам, у параўнанні з традыцыйным гідрафонам гукавога ціску выкарыстанне вектарнага гідрафона для праверкі каэфіцыента адлюстравання гуку ад матэрыялу мае пэўныя перавагі. У гэтым артыкуле прадстаўлены шырокапалосны метад вымярэння нармальнага акустычнага каэфіцыента адлюстравання падводных акустычных матэрыялаў з вялікай выбаркай у вольным полі. Гэты метад выкарыстоўвае адзіны вектарны гідрафон у якасці асноўнага абсталявання вымяральнай сістэмы, спалучае тэхналогію імпульснай акустычнай эмісіі і тэхналогію постінверснай фільтрацыі для падаўлення скажэння формы сігналу, ліквідуе гук дыфракцыі краю ўзору і гук шматпраходнай інтэрферэнцыі ў часовай вобласці, а затым праходзіць Тэхналогія электроннага кручэння вектарнага гідрафона рэалізуе эфектыўнае раздзяленне прамога гуку і адлюстраванага гуку і, нарэшце, нармальны каэфіцыент адлюстравання гуку узору атрымліваецца шляхам дзялення на два.

 

1 Працэс вымярэння

Для тлумачэння прынцыпу вымярэння гэтага метаду пры тлумачэнні працэсу вымярэння прыводзяцца высновы адпаведнай формулы і вынікі мадэлявання.

 

1.1 Ідэнтыфікацыя перадаткавай функцыі і канструкцыя зваротнага фільтра вымяральнай сістэмы Перад тэставаннем узору трэба спачатку атрымаць перадатачную функцыю вымяральнай сістэмы. У адрозненне ад традыцыйнага гідрафона гукавога ціску, вектарны гідрафон уключае канал гукавога ціску і канал хуткасці вібрацыі, таму перадаткавую функцыю кожнага канала вымярэння вектарнага гідрафона трэба атрымліваць адначасова. Падчас вымярэння ідэальны імпульсны сігнал выпраменьваецца ў воднае асяроддзе праз перадаючы пераўтваральнік, затым перадаецца ў пункт прыёму праз гідраакустычны канал і, нарэшце, прымаецца вектарным гідрафонам і збіраецца калектарам. Такім чынам, сістэму вымярэння можна падзяліць на тры часткі, а менавіта сістэму перадачы сігналу, падводны акустычны канал і сістэму прыёму сігналу. На прыкладзе канала гукавога ціску мадэль атрыманага сігналу паказана на малюнку 1.

На малюнку 1 s(f) — спектр перададзенага сігналу, T(f), Hp(f) і R(f) — функцыі перадачы перадаючай сістэмы, гідраакустычнага канала гукавога ціску і сістэмы прыёму сігналу адпаведна, N(f) — спектр фонавага шуму, Y(f) — спектр выхаднога сігналу вымяральнай сістэмы. Тэхніка постінверснай фільтрацыі заключаецца ў распрацоўцы зваротнага фільтра для кампенсацыі T(f) і R(f), калі вядомая перадаточная функцыя вымяральнай сістэмы. Возьмем у якасці прыкладу канал гукавога ціску, каб праілюстраваць асноўны прынцып ідэнтыфікацыі перадаткавай функцыі вымяральнай сістэмы. Спосаб 1. Разгледзім сістэму перадачы сігналу і сістэму прыёму сігналу ў цэлым, гэта значыць H(f) = T(f) + R(f). Уваходны сігнал роўны x(t), выхадны сігнал сістэмы роўны y(t), фонавы шум роўны n(t), Y(f) = H(f) X(f) + N(f) (1) дзе X(f), Y(f) і N(f) — пераўтварэнне Фур’е ўваходнага сігналу сістэмы x(t), выхаднога сігналу сістэмы y(t) і фонавага шуму n(t) адпаведна. Пасля разліку ацэначнае значэнне H(f) роўна ^H(f) =Gxy(f)Gxx(f) (2) дзе Gxy(f) — спектр перакрыжаванай магутнасці ўваходнага і выхаднога сігналаў сістэмы, а Gxx(f) — спектр уласнай магутнасці ўваходнага сігналу сістэмы.

 

У дадатак да вышэйзгаданых метадаў ідэнтыфікацыі сістэмы вымярэнняў можна таксама выкарыстоўваць метады ідэнтыфікацыі псеўдавыпадковай паслядоўнасці. Метад 2. Дапусцім, што ўваходны сігнал x(t) вымяральнай сістэмы з'яўляецца псеўдавыпадковай паслядоўнасцю (MLS-паслядоўнасцю), а выхадны сігнал сістэмы - y(t). Відавочна, што y(t) = x(t) * h(t) (3) дзе , * азначае згортку, h(t) - адзінкавая функцыя імпульснай характарыстыкі сістэмы. Разлічыце карэляцыйную функцыю паміж уваходным сігналам і выхадным сігналам сістэмы, rxy = ∫x(τ) y(τ-t) dτ = h(t) * rxx(t) (4) дзе rxy — узаемакарэляцыя паміж уваходам і выхадам функцыі сістэмы, rxx — функцыя аўтакарэляцыі ўваходнага сігналу. Паколькі паслядоўнасць MLS мае лепшыя аўтакарэляцыйныя характарыстыкі, гэта значыць rxx(n) = δ(n)-1L + 1 . дзе L = 2m-1 - даўжыня паслядоўнасці, а m - парадак псеўдавыпадковай паслядоўнасці. Лёгка бачыць, што разліковае значэнне функцыі імпульснай характарыстыкі сістэмнага блока ^h(t) роўна ^h(t) ≈ rxy (6) Далейшае пераўтварэнне Фур'е можа атрымаць разліковае значэнне ^H(f) перадаткавай функцыі сістэмы вымяральнай сістэмы. Пасля атрымання ^H (f) распрацуйце зваротны фільтр H-1( f) у частотнай вобласці як Hpost( f) =^H( f)| ^H( f) | 2 + q( 7) дзе , Q з'яўляецца звычайным лікам, звычайна 1% ад максімальнага значэння | ^H (f) | 2. Умова мадэлявання 1. Перадаючы пераўтваральнік і гідрафон размешчаны ў безэхавой лужыне на аднолькавай глыбіні, адлегласць паміж імі складае 1 м, а перададзены сігнал уяўляе сабой паслядоўнасць MLS 16 парадку. Метад 1 і метад 2 выкарыстоўваюцца для ідэнтыфікацыі сістэмы адпаведна. Каэфіцыенты складаюць 10, 20 і 30 дБ. Ацаніце плюсы і мінусы вынікаў ідэнтыфікацыі перадаткавай функцыі двух метадаў пры розных суадносінах сігнал/шум. Пры мадэляванні функцыя адзінкавай імпульснай характарыстыкі сістэмы мадэлюецца шляхам дадання гаўсавых імпульсаў з цэнтральнымі частотамі 1, 2, 4 і 8 кГц.

 

На малюнку 3 паказаны вынікі ідэнтыфікацыі перадаткавай функцыі вымяральнай сістэмы ў вышэйзгаданых умовах. З малюнка відаць, што два метады ідэнтыфікацыі сістэмы, апісаныя ў гэтым артыкуле, могуць эфектыўна атрымаць перадаткавую функцыю вымяральнай сістэмы. Аднак метад 1 прад'яўляе пэўныя патрабаванні да адносіны сігнал/шум. Калі стаўленне сігнал/шум больш за 30 дБ, вынік ідэнтыфікацыі дакладны. Вынік ідэнтыфікацыі сістэмы па метадзе 2 лепш, чым па метадзе 1, і вынікі ідэнтыфікацыі з высокай дакладнасцю могуць быць атрыманы пры ўмове нізкага стаўлення сігнал/шум. Гэта таму, што фонавы шум мае невялікую карэляцыю з сігналам узбуджэння крыніцы гуку, таму гэты метад валодае пэўнай здольнасцю супраць шуму. Далей прыведзены аналіз эфектыўнасці метаду вымярэння, апісанага ў гэтым артыкуле, шляхам мадэлявання і лікавых разлікаў.

 

1.2 Апрацоўка дадзеных назіранняў

1) Атрымаць дадзеныя назірання. Дыяграма прынцыпу вымярэння датчык падводнага акустычнага пераўтваральніка  паказана на малюнку 4. На малюнку ri — прамы гукавы шлях, а адлегласць ад вектарнага гідрафона да ўзору — d, адлюстраваны гукавы шлях — ri + 2d, re = rs + rr — дыфрагаваны гукавы шлях, rq — адлюстраваны гукавы шлях на мяжы басейна, pi — прамы гук, pr — адлюстраваны гук, pe — дыфрагаваны гук на краі ўзору, pq — гук шматбаковай інтэрферэнцыі.

 

Выкажам здагадку, што спектр сігналу ўзбуджэння перадаючага пераўтваральніка роўны s(f), а характарыстычны імпеданс асяроддзя ігнаруецца. Без страты агульнасці, выраз частотнай вобласці сігналу, атрыманага двухмерным вектарным гідрафонам, 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) У формуле Rs(f) — каэфіцыент акустычнага адлюстравання ўзору, які залежыць ад частаты гукавой хвалі і вугла падзення, D(f) — каэфіцыент дыфракцыі краю ўзору, Rq(f) — адлюстраванне на мяжы пула каэфіцыент, τr, τe і τq - гэта часавыя затрымкі адлюстраванага гуку, гуку дыфракцыі краю ўзору, гуку адлюстравання на мяжы пула і прамога гуку адпаведна. θi, θr, θe і θq — прамы гук, адбіты гук, гук дыфракцыі на краі ўзору і гук адлюстравання на мяжы басейна адпаведна. Вугал падзення гукавой хвалі, Hpt(f), Hvxt(f) і Hvxt(f) адпаведна ўяўляюць перадатачную функцыю кожнага вымяральнага канала вымяральнай сістэмы.

 

2) Кампенсацыя перадатачнай функцыі сістэмы вымярэння. Памножце спраектаваны зваротны фільтр на частотны спектр адпаведных даных назірання канала, каб атрымаць кампенсаваны сігнал. Спектр частот Ppost(f), Vxpost(f) і Vypost(f) роўны 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)

 

Умова мадэлявання 2. Выкажам здагадку, што глыбіня басейна роўная 10 м, пускавы пераўтваральнік, вектарны гідрафон і глыбіня вады h узору, які трэба выпрабаваць, роўны 5 м. Адлегласць H ад перадаючага пераўтваральніка да ўзору складае 15 м, адлегласць d ад вектарнага гідрафона да ўзору складае 10 см, які перадае сігнал - гэта імпульсны акустычны сігнал Баттерворта, паласа прапускання сігналу складае 500-10 кГц, частата дыскрэтызацыі fs = 131 072 Гц і стаўленне сігнал/шум 30 дБ. Возьмем у якасці прыкладу канал гукавога ціску, каб праверыць эфектыўнасць кампенсацыі постінверснага фільтра. Пры мадэляванні ўзор для выпрабаванняў уяўляе сабой алюмініевую пласціну таўшчынёй 0,006 м і геаметрычным памерам 1 м × 1 м. Краёвы каэфіцыент дыфракцыі ўзору мадэлюецца з дапамогай фільтра нізкіх частот.

На малюнку 5 паказаны эфект кампенсацыі постінверснага фільтра канала гукавога ціску. На малюнку паказана, што форма хвалі сігналу пасля кампенсацыі больш правільная і плыўная, што эфектыўна падаўляе скажэнні сігналу, выкліканыя перадаткавай функцыяй вымяральнай сістэмы, і дапамагае ліквідаваць такія перашкоды, як краёвы дыфракцыйны гук.

 

3) Ліквідацыя гукаў перашкод. Разлічыце часовую затрымку адлюстраванага гуку, дыфракцыйнага гуку ўзору і гуку адлюстравання ад мяжы пула ў адпаведнасці з параметрамі разгортвання вымяральнай сістэмы і выканайце адваротнае пераўтварэнне Фур'е раўнання (9), каб атрымаць сігнал у часовай вобласці, затым дадайце акно для перахопу карыснага сігналу і выканайце пераўтварэнне лісця Фур'е, мы атрымаем 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)], дзе Pc(f), Vxc(f) і Vyc(f) адпаведна спектр сігналу кожнага канала. Раздзяліце прамы і адлюстраваны гук і атрымайце каэфіцыент адлюстравання гуку ўзору. Выкажам здагадку, што накіроўвалы азімут вектарнага гідрафона роўны ψ, а разліковая складаная хуткасць часціц Vc роўная Vc( f) = Vxc( f) cos( ψ) + Vyc( f) sin( ψ) (11) Спачатку накіруйце накіроўвалы азімут на перадатчык. Няхай ψ = 0, і выканайце (p + vc) 2 сумесную апрацоўку, апускаючы агульны член s( f), і атрымаць вынік сумеснай апрацоўкі Ii як Ii = [Pc( f) + Vc( f)] 2ψ = 0 = 4 (12) Зноў накіруйце кіруючы азімут на ўзор, гэта значыць, няхай ψ = π, і выканайце сумесную апрацоўку (p + vc) 2, каб атрымаць вынік сумеснай апрацоўкі Ir = [Pc( f) + Vc( f)] 2ψ = π = 4 ［R2s( f) e－2jωτr］

 

2 Аналіз памылак вымярэнняў

Умова мадэлявання 3. Параметры вымяральнай сістэмы застаюцца нязменнымі, перадаваны сігнал - гэта імпульсны акустычны сігнал Батэрворта, а паласа прапускання сігналу складае 500 ~ 10 кГц. Без уліку эфекту дыфракцыі на краі ўзору і ўплыву гуку адбіцця на мяжы басейна абмяркоўваецца стаўленне сігнал/шум. Калі ён складае 20, 30 і 40 дБ, вынік вымярэння змяняецца з частатой. Паказаны вынікі вымярэнняў і крывыя адноснай памылкі вымярэнняў пры розных суадносінах сігнал/шум. На малюнку відаць, што адносная хібнасць вымярэння змяншаецца з ваганнем частоты, а на дыяпазон нізкіх частот моцна ўплывае стаўленне сігнал/шум; акрамя таго, калі стаўленне сігнал/шум складае 20 дБ, тэндэнцыя змены выніку вымярэння такая ж, як і тэарэтычнае значэнне, але вынік вымярэння мае большую хібнасць; нізкая Вялікая памылка вымярэння паласы частот звязана з тым, што каэфіцыент акустычнага адлюстравання малы, і невялікія ваганні могуць выклікаць вялікія адносныя памылкі. У рэальным тэсце, у дадатак да суадносін сігнал/шум, памылка размяшчэння вымяральнай сістэмы таксама будзе мець уплыў на вынікі вымярэнняў. Наступнае мадэляванне аналізуе ўплыў памылкі размяшчэння вымяральнай сістэмы. Умова мадэлявання 4 Параметры вымяральнай сістэмы застаюцца нязменнымі, незалежна ад перашкод, такіх як фонавы шум і дыфракцыя краю ўзору. Адлегласць H ад крыніцы гуку да ўзору роўная адпаведна 5, 10 і 15 м. Абмяркоўваецца, калі адлегласць d ад вектарнага гідрафона да ўзору роўная 10. Вынік вымярэння пры% хібнасці. Вынікі вымярэнняў даюцца, калі адлегласць H ад пераўтваральніка перадатчыка да ўзору адрозніваецца, а адлегласць d ад вектарнага гідрафона да ўзору мае памылку 10%. На малюнку відаць, што вынік вымярэння не адчувальны да хібнасці адлегласці паміж вектарным гідрафонам і ўзорам; H Вынікі вымярэнняў адначасова амаль не супадаюць. Відаць, што ў рэальным тэсце неабходна толькі выбраць адпаведны H у адпаведнасці з геаметрычным памерам вымяральнага басейна. Умова мадэлявання 5 Параметры вымяральнай сістэмы застаюцца нязменнымі, незалежна ад перашкод ад фонавага шуму і дыфракцыі краю ўзору. Адлегласць d ад вектарнага гідрафона да ўзору роўная 5, 10 і 15 см адпаведна, а адлегласць H ад перадаючага пераўтваральніка да ўзору роўная 15 м. Абмяркуйце вынікі вымярэнняў, калі ёсць хібнасць 1% у адлегласці H ад перадатчыка да ўзору. Вынікі вымярэнняў даюцца, калі адлегласць d ад вектарнага гідрафона да ўзору адрозніваецца, а адлегласць H ад перадаючага пераўтваральніка да ўзору мае хібнасць 1%. З малюнка відаць, што вынік вымярэння і тэарэтычнае значэнне маюць аднолькавую тэндэнцыю з частатой, і чым вышэй частата, тым вышэй частата. Вынік больш дакладны, і гэты метад вымярэння не адчувальны да хібнасці адлегласці паміж вектарным гідрафонам і ўзорам.

3 Эксперыментальныя даследаванні і апрацоўка даных

 

Блок-схема апаратнага складу вымяральнай сістэмы паказана на малюнку 11. Сістэма складаецца з сухога і вільготнага канца. Сухая частка ў асноўным складаецца з генератара адвольных сігналаў, узмацняльніка магутнасці, вектарнай схемы кандыцыянавання гідрафона і калектара сігналаў і г.д., якія выкарыстоўваюцца для генерацыі, перадачы і атрымання сігналаў. Мокры канец у асноўным складаецца з перадаючага пераўтваральніка, нізкачашчыннага двухмернага вектарнага гідрафона і ўзору для вымярэння ўзору. Мокры канец змяшчаецца ў безэховой басейне з геаметрычным памерам 25 м × 15 м × 10 м, а гукавы цэнтр знаходзіцца ў 5 м пад вадой. Басейн глушыцца з шасці бакоў, а ніжняя мяжа гукапаглынання складае 2 кГц. Узорам для выпрабаванняў з'яўляецца алюмініевая пласціна з геаметрычнымі памерамі 1м×1м×0,006м. Датчык перадатчыка падвешаны на краі транспартнага сродку над басейнам, а адлегласць H ад узору складае 4,95 м. Узор замацоўваецца на пад'ёмна-паваротным прыладзе, і ўзор можа паварочвацца пад вуглом падчас вымярэння і плаўна перамяшчацца ў трох вымярэннях. Вектарны гідрафон размешчаны на пярэднім канцы ўзору, а адлегласць d ад паверхні ўзору складае 5,5 см. Перадаючы пераўтваральнік - гэта цыліндрычная крыніца гуку, і на малюнку 12 паказана крывая характарыстыкі напружання перадачы.

 

На малюнку 12 відаць, што перадаючы пераўтваральнік мае дрэнную здольнасць да выпраменьвання ніжэй за 2,5 кГц. Эфектыўная рабочая паласа частот нізкачашчыннага двухмернага вектарнага гідрафона складае 1 ~ 12 кГц. Падчас разгортвання вектарны канал Vy паказвае на ўзор, які трэба праверыць, а Vx паказвае на сценку пула. Спачатку перадайце псеўдавыпадковай паслядоўнасць 16 парадку для ідэнтыфікацыі і вымярэння.

 

Малюнак 12 Крывая характарыстыкі перадаючага пераўтваральніка напружання

 

Функцыя перадачы сістэмы і дызайн зваротнага фільтра. На малюнку 13 паказаны вынікі ідэнтыфікацыі перадаткавай функцыі вымяральнай сістэмы. На малюнку hp(f), hvx(f) і hvy(f) — вымераныя значэнні перадаткавай функцыі канала гукавога ціску, вектарнага канала Vx і канала Vy вымяральнай сістэмы адпаведна; hpinv(f), hvxinv(f) і hvyinv(f) - гэта распрацаваная зваротная перадатачная функцыя фільтра адпаведна.

На малюнку 13 відаць, што вынік ідэнтыфікацыі перадатачнай функцыі вектарнага канала Vx несапраўдны. Гэта адбываецца таму, што ў прыведзенай вышэй сітуацыі разгортвання 'яма' канала вектарнага гідрафона Vx звернута да крыніцы гуку, і сігнал, атрыманы гэтым каналам, з'яўляецца толькі пулам. Сцяна адлюстроўвае гукавы сігнал, таму вынік ідэнтыфікацыі сістэмы недакладны. Захоўвайце прасторавае становішча і арыентацыю перадаючага пераўтваральніка і вектарны пераўтваральнік гідрафона без зменаў, пакласці ўзор і перадаць імпульсны акустычны сігнал Батэрворта з паласой прапускання ад 500 да 12,5 кГц. На малюнку 14 паказаны зыходныя даныя і мадыфікаваныя формы сігналу, атрыманыя кожным каналам вектарнага гідрафона. На малюнку 14 відаць, што форма сігналу ў часавай вобласці пасля карэкцыі зваротнага фільтра становіцца рэгулярнай, а энергія больш канцэнтраванай. Затым вылічыце часовую затрымку прамога гуку і гуку дыфракцыі адлюстраванага гуку ад краю ўзору ў адпаведнасці з параметрамі прасторавай кампаноўкі вымяральнай сістэмы, дадайце вокны для перахопу карысных даных і вылічыце нармальны каэфіцыент адлюстравання гуку ўзору, як паказана на малюнку 15.

На малюнку 15 паказаны вынікі вымярэнняў да і пасля кампенсацыі. Відаць, што вынік вымярэння перадаткавай функцыі некампенсаванай сістэмы вымярэння мае вялікую хібнасць і амаль несапраўдны. Дакладнасць вымярэння значна павышаецца пасля апрацоўкі пасля зваротнага фільтра. Калі частата перавышае 2,5 кГц, памылка вымярэння пасля карэкцыі постінверснага фільтра невялікая, а вынік вымярэння ніжэй за 2,5 кГц мае вялікую памылку. Прычына ў тым, што здольнасць перадаючага пераўтваральніка да нізкачашчыннай перадачы абмежаваная, і нізкачашчынныя кампаненты сігналу пагружаны ў фонавы шум, таму вынік вымярэння дрэнны.

 

4 Заключэнне

У гэтым артыкуле прапануецца метад вымярэння нармальнага каэфіцыента акустычнага адлюстравання падводных акустычных матэрыялаў на аснове аднавектарнага гідрафона. Гэты метад будзе пульсаваць. Спалучэнне тэхналогіі імпульснага выпраменьвання, тэхналогіі вектарнай апрацоўкі сігналу і тэхналогіі пост-інверснага фільтра, праз тэхналогію пост-інверснага фільтра для атрымання вектарнага гідрафона.

 

Дадзеныя кампенсуюцца, скажэнні сігналу, выкліканыя перадаткавай функцыяй вымяральнай сістэмы, падаўляюцца, а краёвы гук дыфракцыі і шматшляхоўнасць выбаркі ўхіляюцца ў часовай вобласці. Перашкоды сігналу павышаюць дакладнасць вымярэння. Прынцып вымярэння выведзены тэарэтычна, уплыў хібнасці вымяральнай сістэмы вывучаецца шляхам лікавых разлікаў і мадэлявання, а таксама праводзяцца эксперыментальныя даследаванні. Лікавыя разлікі і вынікі мадэлявання паказваюць, што метад вымярэння, апісаны ў гэтым артыкуле, прад'яўляе пэўныя патрабаванні да адносіны сігнал/шум; Недакладнае і неадчувальнае разгортванне сістэмы. Эксперыментальныя вынікі паказваюць, што метад, апісаны ў гэтым артыкуле, можа эфектыўна рэалізаваць буйнамаштабнае вымярэнне ў свабодным полі нармальнага каэфіцыента акустычнага адлюстравання падводных акустычных матэрыялаў, але з-за абмежавання здольнасці перадаючага пераўтваральніка да нізкачашчыннага выпраменьвання хібнасць вымярэння нізкай частаты адносна вялікая.