روش اندازه گیری ضریب بازتاب صوتی مواد آکوستیک زیر آب با هیدروفون تک بردار

مطالعه تغییرات در شکل و موقعیت هندسی محدوده کانونی صوتی مقعر هدف است. مبدل اولتراسونیک کروی زمانی که شدت صدا زیاد است و متوسط ​​دارای میرایی زیاد است. از منظر آکوستیک فیزیکی، اثرات غیرخطی بودن و تضعیف رسانه ناشی از شدت صوت بالا بر محدوده کانونی صدا مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد و از الگوریتم برهم نهی خطی انتگرال برای انجام محاسبات شبیه‌سازی عددی استفاده می‌شود. هم تحلیل نظری و هم محاسبه عددی نشان می‌دهد که با افزایش شدت صوت و تضعیف متوسط، موقعیت هندسی ناحیه کانونی صوتی دارای یک پیشروی در سطح میلی‌متری در امتداد محور آکوستیک در جهت مبدل است. در همان زمان، منطقه کانونی آکوستیک شکل به تدریج از یک بیضی بلند متقارن به یک بیضی کوتاه با 'سر چاق و دم نازک' تغییر کرد.

 

شدت صدای بالا و میرایی متوسط ​​تأثیر مهمی بر موقعیت و شکل ناحیه کانونی صدا مبدل کروی مقعر دارد. باید به موقعیت دقیق و کنترل دوز تجهیزات HIFU، تدوین استانداردهای بازرسی و حتی کاربرد بالینی توجه کامل داشت.

 

کشور من پیشرفت های قابل توجهی در توسعه و کاربرد بالینی اولتراسوند متمرکز با شدت بالا (تجهیزات سونوگرافی متمرکز با شدت بالا (HIFU)) داشته است. با این حال، برای دستیابی واقعی به موقعیت یابی دقیق و کنترل دوز درمان بر روی تجهیزات، به طوری که درمان بالینی بتواند به اثر ایده آل از بین بردن موثر ضایعه بدون آسیب رساندن به بافت های طبیعی اطراف دست یابد، هنوز مسائل نظری و فنی زیادی وجود دارد که نیاز به مطالعه و حل عمیق دارند. مطالعات تجربی داخلی و خارجی در مورد ایجاد آسیب هایفو در بافت های بیولوژیکی نشان داده است که با افزایش شدت صوت، موقعیت ناحیه کانونی به سمت جلو حرکت می کند و به تدریج از یک بیضی بلند به «شکل بچه قورباغه» یا «شکل مخروطی» تغییر می کند. اگرچه در سال‌های اخیر، ادبیات خارجی با حل عددی معادله انتشار موج صوتی غیرخطی (معادله KZK) توضیحات کیفی برای پدیده فوق ارائه کرده است، اما روش محاسبه پیچیده است و رابطه فیزیکی در فرآیند محاسبه نامشخص است. به همین دلیل، این مقاله مبدل متمرکز کروی مقعر را به عنوان مثال می‌گیرد و با مطالعه تأثیر تضعیف متوسط ​​و ویژگی‌های انتشار غیرخطی تحت شدت صدای بالا بر روی محدوده کانونی صدا، مسئله را مورد بحث قرار می‌دهد.

 

در کار قبلی خود، بر اساس انتگرال پراش کیرشهوف، بیان فشار صوت را در هر نقطه از میدان صوتی تک فرکانس تحت شرایط یک میدان صوتی خطی با یک مبدل متمرکز کروی مقعر با تابش یکنواخت روی سطح (همچنین به نام نقاط ریلی) استخراج کردیم.

 

از تجزیه و تحلیل تئوری آکوستیک غیرخطی، زمانی که فشار صوتی موج سینوسی تک فرکانس تابش شده از سطح مبدل به محیط به اندازه کافی بزرگ باشد، به آن 'موج دامنه محدود' می گویند که فاصله معینی را در محیط منتشر می کند (به نام فاصله ناپیوسته). )، شکل موج به یک موج دندانه اره ای تغییر می کند که می تواند به عنوان یک موج ضربه ای نیز در نظر گرفته شود. طیف فرکانس این موج علاوه بر فرکانس بنیادی گسیل اصلی، شامل یک سری هارمونیک های بالاتر نیز می شود. آنها به تدریج با جذب مداوم انرژی از موج اصلی در طول انتشار امواج صوتی، یعنی هارمونیک های بافت در پزشکی اولتراسوند، تولید می شوند. ضریب دامنه را می توان برای توصیف انتشار هارمونیک های مرتبه بالا با فاصله انتشار و رابطه تغییرات انرژی در حین انتشار استفاده کرد.

 

موج دندانه اره یک فاصله را تشکیل می دهد، بنابراین یک کمیت بدون بعد است که فاصله انتشار را منعکس می کند. بر این اساس منحنی ضریب دامنه موج بنیادی و 3 هارمونیک اول را محاسبه کرده ایم. هنگامی که موج صوتی در محیط منتشر می شود، فشار صوت به صورت تصاعدی با فاصله کاهش می یابد که می تواند به شکلی بیان شود. برای بافت های نرم عمومی، ضریب تضعیف TM تقریباً متناسب با فرکانس است. به منظور ساده کردن محاسبه، این مقاله ضریب تضعیف هر جزء هارمونیک را به عنوان جایی که α سیستم تضعیف صدا موج صوتی فرکانس اساسی در بافت‌های بیولوژیکی در واحد فاصله است بیان می‌کند.

 

 

باید شامل جذب صدا و پراکندگی بافت باشد. پس از در نظر گرفتن دو عامل فوق (غیر خطی و میرایی)، بیان فشار صوت در میدان صوتی متمرکز را می توان به شکل زیر گسترش داد: عدد موج هر هارمونیک است. این فرمول همان چیزی است که ما آن را الگوریتم برهم نهی خطی انتگرال ریلی می نامیم.

 

نتیجه：

 

1 تأثیر میرایی متوسط ​​بر دامنه کانونی صدا. پارامترهای مبدل کروی مقعر واحد مورد استفاده در این مقاله عبارتند از: شعاع انحنای R = 15 سانتی متر، شعاع دیافراگم a = 42 سانتی متر، فرکانس کاری f = 1.7 مگاهرتز. با فرض اینکه محیط بافت نرم عمومی است، ضریب تضعیف α آن در محدوده خورش 01-30 دسی بل (cm·Mz) است. سرعت صدا، چگالی و سایر پارامترهای محیط با توجه به ادبیات مربوطه گرفته شده است. برای مطالعه ضریب تضعیف به عنوان یک عامل تأثیرگذار منفرد، تنها یک فرکانس منفرد، یعنی فرکانس بنیادی، باید برای قانون تغییر دامنه کانونی صدا با مقادیر α متفاوت محاسبه و تحلیل شود. به همین دلیل در فرمول یک سری محاسبات عددی با گرفتن M=1 انجام شد. نتایج نشان می دهد که با افزایش میرایی، یعنی زمانی که α = 0.3، 13 و 23dB خورش (cm·Mhz) خورش می شود، شکل ناحیه کانونی آکوستیک -6dB به تدریج از یک بیضی بلند به یک بیضی کوتاه و محور بلند 1 و محور کوتاه آن تغییر می کند.

 

2. آنها به ترتیب 111، 104 و 92 هستند. موقعیت ناحیه کانونی (موقعیت روی محور آکوستیک)، دو دومی به ترتیب 30 و 65 میلی متر جلوتر از اولی در امتداد محور آکوستیک مبدل قرار دارند. در عین حال، سر ناحیه کانونی (انتهای نزدیک به مبدل) بیشتر از دم آن (انتهای دور از مبدل) 'چاق' است.

 

2 تأثیر غیرخطی بودن ناشی از شدت صوت بالا در محدوده کانونی صدا یکسان است، فشار صوتی تابش سطحی به عنوان یک عامل واحد در نظر گرفته می شود و مقادیر آن به ترتیب 44، 73، 4 مگاپاسکال و α = 3dB خورش (cm·MHz) می باشد. با توجه به اینکه تضعیف محیط با افزایش فرکانس هارمونیک به سرعت افزایش می یابد، نیازی نیست تعداد هارمونیک ها زیاد باشد. نتایج محاسبات نشان می‌دهد که: با افزایش فشار صوت تابش سطحی، موقعیت و شکل ناحیه کانونی تغییر می‌کند برخلاف زمانی که ضریب تضعیف تغییر می‌کند، اما قانون تغییر آن مشابه است. یعنی موقعیت های دو ناحیه کانونی اخیر به ترتیب 16 و 21 میلی متر به جلو حرکت می کنند. نسبت محور بلند و کوتاه ناحیه کانونی 6 دسی بل به ترتیب 119، 116 و 113 است و سر ناحیه کانونی نیز تمایل به 'چاق' شدن دارد.

 

3 اثر ترکیبی تضعیف و غیرخطی بودن بر محدوده کانونی صدا.

دو عامل فوق به طور همزمان در فرمول (3) برای محاسبه گنجانده شده است. شکل 3(a) و شکل 3(b) به ترتیب نشان می دهند که خورش α=3dB (cm·MHz)، P′0=44MPa و α=2.3dB خورش (cm·MHz)، P′0=44MPa

هنگام در نظر گرفتن اثرات تضعیف و غیرخطی به طور همزمان، کانتور خط فشار هم صدا در ناحیه کانونی نتیجه محاسبه در شکل است. در مقایسه با این دو، موقعیت ناحیه کانونی 8.4 میلی متر به جلو حرکت کرده است و نسبت محورهای اصلی و فرعی منطقه کانونی از 11.9 به 8.5 تغییر کرده است. نشان می دهد که روند تغییر ناحیه کانونی ناشی از ضریب تضعیف و غیرخطی بودن یکسان است، بنابراین اثر کلی تقویت می شود.

 

 

در نتیجه گیری

تجزیه و تحلیل نظری و نتایج محاسبات در این مقاله نشان می دهد که: شدت صدای بالا و میرایی متوسط ​​تأثیر مهمی بر شکل و موقعیت ناحیه کانونی صدا دارد. هر چه ضریب تضعیف محیط بیشتر باشد، شدت صوت بیشتر می شود (یعنی غیرخطی بودن قوی تر) و کانون صدا هر چه میدان به مبدل نزدیکتر باشد. نسبت محورهای بلند و کوتاه میدان کانونی نیز کوچکتر می شود، یعنی شکل آن به تدریج از یک بیضی بلند به یک بیضی کوتاه تغییر می کند و سر ناحیه فوکوس صدا نسبت به دم 'چاق' می شود. پدیده، شکل تمایل به 'هویج' دارد. نتایج فوق مبنایی برای تحلیل کمی قانون تغییر ناحیه فوکوس صدا میدان صوتی HIFU و مطالعه بیشتر رابطه بین ناحیه کانونی صدا و ناحیه آسیب را فراهم می‌کند.

 

روش اندازه گیری نمونه بزرگ از ضریب بازتاب صوتی مواد آکوستیک زیر آب با هیدروفون تک بردار

 

به منظور تحقق اندازه‌گیری پهنای باند میدان آزاد ضریب بازتاب آکوستیک معمولی مواد آکوستیک زیر آب، از یک هیدروفون تک بردار به عنوان تجهیزات اصلی سیستم اندازه‌گیری استفاده می‌شود، همراه با فناوری انتشار آکوستیک پالس و فناوری پردازش سیگنال فیلتر پس معکوس، یک هیدروفون تک برداری مبتنی بر هیدروفون تک بردار پیشنهاد می‌شود. روش اندازه گیری پهنای باند میدان آزاد ضریب انعکاس آکوستیک معمولی مواد صوتی زیر آب از مواد آکوستیک زیر آب، از طریق فناوری چرخش الکترونیکی هیدروفون بردار برای درک جداسازی مؤثر صدای مستقیم و صدای منعکس شده. تأثیر خطای سیستم اندازه‌گیری و نسبت سیگنال به نویز سیگنال دریافتی بر نتیجه اندازه‌گیری مورد بحث قرار می‌گیرد. این روش دارای الزامات خاصی برای نسبت سیگنال به نویز است، اما به خطای سیستم اندازه گیری حساس نیست. نتایج آزمایش تجربی نشان می دهد که: در مقایسه با نتایج آزمایش تجربی بدون پردازش فیلتر پس از فیلتر، روش توصیف شده در مقاله به طور قابل توجهی عملکرد اندازه گیری را بهبود می بخشد، اما محدود به قابلیت انتشار فرکانس پایین مبدل فرستنده است، نتایج تجربی بالای 2.5 کیلوهرتز هستند و مقادیر نظری مطابقت خوبی دارند.

 

ضریب بازتاب صوتی یک پارامتر مهم است که عملکرد صوتی مواد صوتی زیر آب را مشخص می کند. در حال حاضر، روش‌های اندازه‌گیری ضریب بازتاب صوتی مواد آکوستیک زیر آب را می‌توان به روش لوله آکوستیک آزمایشگاهی کوچک و روش اندازه‌گیری میدان آزاد نمونه بزرگ تقسیم کرد. اندازه‌گیری میدان آزاد نمونه بزرگ معمولاً در یک استخر بزرگ بی‌نظمی انجام می‌شود. با قرار دادن مواد خاموش کننده بر روی مرز استخر برای جذب صدای بازتاب شده از مرز استخر، سیگنال دریافتی توسط هیدروفون فقط صدای مستقیم و صدای بازتابی نمونه است. با این حال، به دلیل محدودیت حد پایین استخر آنکوئیک، اثر چند مسیری فرکانس پایین آشکار است. علاوه بر این، روش اندازه‌گیری میدان آزاد عمدتاً توسط اثر پراش لبه نمونه تداخل دارد و این تداخل به ویژه در باند فرکانس پایین جدی است. به منظور حل مشکلات فوق، فناوری تست صدای ضربه ای به طور گسترده در اندازه گیری پارامترهای صوتی مواد آکوستیک زیر آب استفاده می شود. این فناوری کلیدی آن برای انتقال سیگنال های صوتی پالسی با شکل موج های قابل کنترل و بدون اعوجاج است. با این حال، عملکرد انتقال مبدل فرستنده فرکانس پایین تر فناوری تست صدای ضربه ای را در فضای اندازه گیری محدود محدود می کند. به همین دلیل، روش‌های جبران‌سازی مختلفی مانند روش برهم‌نهی پالس پهن باند پیشنهاد شده توسط لی شویی و همکاران ارائه شده است. این روش از فناوری فیلتر معکوس برای پیش پردازش سیگنال تحریک مبدل فرستنده برای جبران عملکرد انتقال مبدل فرستنده استفاده می کند، به طوری که سیگنال تابش شده توسط مبدل فرستنده یک پالس تیز ایده آل است که به طور موثر فرکانس حد پایین اندازه گیری را کاهش می دهد.

 

متفاوت از روش فوق، 'فناوری فیلتر پس معکوس' سیگنال را در انتهای دریافت کننده هیدروفون پردازش می کند تا به هدف جبران پاسخ فرکانسی مبدل فرستنده دست یابد. 'فناوری فیلتر پس معکوس' در لوله آکوستیک برای دستیابی به اندازه گیری پهنای باند ضریب جذب صدا استفاده شده است. آکوستیک زیر آب مواد این روش ابتدا تابع انتقال سیستم اندازه گیری را بدست می آورد، سپس سیگنال مشاهده را جبران می کند و در نهایت ضریب بازتاب صوتی نمونه را با تقسیم طیف دامنه سیگنال مشاهده جبرانی با طیف دامنه سیگنال بازتاب نمونه استاندارد بدست می آورد و ضریب جذب صدا را بیشتر محاسبه می کند. در سال‌های اخیر، سنسورهای برداری با موفقیت در اندازه‌گیری پارامترهای صوتی مواد هواآکوستیک، مانند روش امپدانس سطحی و روش شدت صوت به کار گرفته شده‌اند. هیدروفون برداری می تواند اطلاعات میدان صوتی را به صورت همزمان و در یک نقطه دریافت کند، که فضای پردازش پس از سیگنال را گسترش می دهد، و پردازش مشترک سیگنال های فشار صدا و سرعت ارتعاش می تواند جهت مکانی خاصی را تشکیل دهد، که می تواند با صدای پراش لبه نمونه تداخل داشته باشد. تا حد معینی از سرکوب، استفاده از یک آرایه دریافت فشار صوتی بزرگ معمولی غیر ضروری است که پیچیدگی سیستم اندازه گیری را کاهش می دهد. در عین حال، حداکثر جهت اصلی خروجی پردازش ترکیبی فشار صدا و سرعت ارتعاش هیدروفون بردار را می توان از طریق فناوری چرخش الکترونیکی به یک جهت از پیش تعیین شده هدایت کرد که لایه برداری مؤثر صدای مستقیم و صدای منعکس شده را تسهیل می کند. علاوه بر این، هیدروفون برداری دارای مزایای هدایت فرکانس پایین خوب و مقاومت در برابر نویز همسانگرد است. بنابراین، در مقایسه با هیدروفون فشار صوتی سنتی، استفاده از یک هیدروفون برداری برای آزمایش ضریب بازتاب صدای یک ماده دارای مزایای خاصی است. این مقاله یک روش اندازه‌گیری باند وسیع برای ضریب بازتاب صوتی معمولی مواد آکوستیک زیر آب با یک نمونه میدان آزاد بزرگ ارائه می‌کند. این روش از یک هیدروفون تک برداری به عنوان تجهیزات اصلی سیستم اندازه گیری استفاده می کند، فناوری انتشار آکوستیک پالسی و فناوری فیلتر پس از معکوس را برای سرکوب اعوجاج شکل موج سیگنال ترکیب می کند، صدای پراش لبه نمونه و صدای تداخل چند مسیری را در حوزه زمان حذف می کند، و سپس فناوری چرخش الکترونیکی هیدروفون بردار را منعکس می کند، در نهایت بازتاب صدای طبیعی و جداسازی مستقیم صدا را تشخیص می دهد. ضریب نمونه از تقسیم این دو به دست می آید.

 

1 فرآیند اندازه گیری

به منظور تبیین اصل اندازه گیری این روش، ضمن توضیح فرآیند اندازه گیری، فرمول مربوط به استخراج و نتایج شبیه سازی آورده شده است.

 

1.1 شناسایی تابع انتقال و طراحی فیلتر معکوس سیستم اندازه گیری قبل از آزمایش نمونه، ابتدا باید تابع انتقال سیستم اندازه گیری به دست آید. متفاوت از هیدروفون فشار صوتی سنتی، هیدروفون برداری شامل یک کانال فشار صدا و یک کانال سرعت ارتعاش است، بنابراین تابع انتقال هر کانال اندازه گیری هیدروفون برداری باید همزمان به دست آید. در طول اندازه گیری، سیگنال پالس ایده آل از طریق مبدل فرستنده به محیط آب تابش می شود و سپس از طریق کانال هیدروآکوستیک به نقطه دریافت منتقل می شود و در نهایت توسط هیدروفون برداری دریافت می شود و توسط کلکتور جمع آوری می شود. بنابراین، سیستم اندازه گیری را می توان به سه قسمت تقسیم کرد، یعنی سیستم انتقال سیگنال، کانال صوتی زیر آب و سیستم دریافت سیگنال. با در نظر گرفتن کانال فشار صدا به عنوان مثال، مدل سیگنال دریافتی در شکل 1 نشان داده شده است.

در شکل 1، s(f) طیف سیگنال ارسالی، T(f)، Hp(f) و R(f) به ترتیب توابع انتقال سیستم فرستنده، کانال هیدروآکوستیک فشار صدا و سیستم دریافت سیگنال، و N(f) طیف نویز پس‌زمینه، Y(f) طیف سیگنال خروجی اندازه‌گیری است. تکنیک فیلتر پس معکوس طراحی یک فیلتر معکوس برای جبران T(f) و R(f) در زمانی که تابع انتقال سیستم اندازه گیری مشخص است. کانال فشار صدا را به عنوان مثال در نظر بگیرید تا اصل اساسی شناسایی تابع انتقال سیستم اندازه گیری را نشان دهید. روش 1 سیستم ارسال سیگنال و سیستم دریافت سیگنال را به عنوان یک کل در نظر بگیرید، یعنی H(f) = T(f) + R(f). سیگنال ورودی x(t)، سیگنال خروجی سیستم y(t)، نویز پس زمینه n(t)، Y(f) = H(f) X(f) + N(f) (1) که در آن، X(f)، Y(f) و N(f) تبدیل فوریه سیگنال ورودی سیستم x(t)، سیگنال خروجی سیستم به ترتیب noise y(t) و (t) است. پس از محاسبه، مقدار تخمینی H(f) ^H(f) =Gxy(f)Gxx(f) (2) است که Gxy(f) طیف توان متقاطع سیگنال ورودی و سیگنال خروجی سیستم است و Gxx(f) طیف خود توان سیگنال ورودی سیستم است.

 

علاوه بر روش‌های شناسایی سیستم اندازه‌گیری فوق، می‌توان از تکنیک‌های شناسایی توالی شبه تصادفی نیز استفاده کرد. روش 2 فرض کنید سیگنال ورودی x(t) سیستم اندازه گیری یک دنباله شبه تصادفی (توالی MLS) است و سیگنال خروجی سیستم y(t) است. بدیهی است، y(t) = x(t) * h(t) (3) که در آن، * به معنای پیچش، h(t) تابع پاسخ واحد ضربه سیستم است. تابع همبستگی بین سیگنال ورودی و سیگنال خروجی سیستم را محاسبه کنید، rxy = ∫x(τ) y(τ-t) dτ = h(t) * rxx(t) (4) که در آن rxy همبستگی متقابل بین ورودی و خروجی تابع سیستم است، rxx تابع علامت همبستگی خودکار است. از آنجا که دنباله MLS ویژگی های خودهمبستگی بهتری دارد، یعنی rxx(n) = δ(n)-1L + 1. که در آن L = 2m-1 طول دنباله است و m ترتیب توالی شبه تصادفی است. به راحتی می توان فهمید که مقدار تخمینی تابع پاسخ ضربه واحد سیستم ^h(t) ^h(t) ≈ rxy است (6) تبدیل فوریه بیشتر می تواند مقدار تخمینی ^H(f) تابع انتقال سیستم سیستم اندازه گیری را بدست آورد. پس از بدست آوردن ^H (f)، فیلتر معکوس H-1(f) را در حوزه فرکانس به صورت Hpost(f) =^H(f)| ^H(f) | 2 + q( 7) که در آن، Q یک عدد عادی است، به طور کلی 1٪ از حداکثر مقدار | ^H (f) | 2. شرایط شبیه سازی 1 مبدل فرستنده و هیدروفون در یک حوضچه آنکوئیک در عمق مساوی قرار می گیرند، فاصله بین این دو 1 متر است و سیگنال ارسالی یک دنباله MLS 16 مرتبه است. برای شناسایی سیستم به ترتیب از روش 1 و روش 2 استفاده می شود. نسبت ها 10، 20 و 30 دسی بل هستند. مزایا و معایب نتایج شناسایی تابع انتقال دو روش را در نسبت‌های سیگنال به نویز مختلف ارزیابی کنید. در شبیه سازی، تابع پاسخ واحد ضربه ای سیستم با افزودن پالس های گاوسی با فرکانس های مرکزی 1، 2، 4 و 8 کیلوهرتز شبیه سازی شده است.

 

شکل 3 نتایج شناسایی تابع انتقال سیستم اندازه گیری را در شرایط فوق نشان می دهد. از شکل می توان دریافت که دو روش شناسایی سیستم شرح داده شده در این مقاله می توانند به طور موثر تابع انتقال سیستم اندازه گیری را بدست آورند. با این حال، روش 1 الزامات خاصی در نسبت سیگنال به نویز دارد. هنگامی که نسبت سیگنال به نویز بیشتر از 30 دسی بل باشد، نتیجه شناسایی دقیق است. نتیجه شناسایی سیستم از روش 2 بهتر از روش 1 است، و نتایج شناسایی با دقت بالا را همچنان می توان تحت شرایط نسبت سیگنال به نویز کم به دست آورد. این به این دلیل است که نویز پس زمینه ارتباط کمی با سیگنال تحریک منبع صدا دارد، بنابراین این روش قابلیت ضد نویز خاصی دارد. در ادامه تحلیلی از اثربخشی روش اندازه گیری شرح داده شده در این مقاله از طریق شبیه سازی و محاسبه عددی ارائه شده است.

 

1.2 پردازش داده های مشاهده

1) داده های مشاهده را بدست آورید. نمودار اصل اندازه گیری سنسور مبدل آکوستیک زیر آب  در شکل 4 نشان داده شده است. در شکل، ri مسیر مستقیم صدای است، و فاصله از هیدروفون بردار تا نمونه d است، مسیر صدای منعکس شده ri + 2d، re = rs + rr مسیر صدای پراش شده، rq مسیر صدای منعکس شده در مرز استخر، پی صدای منعکس شده مستقیم، صدای منعکس شده در pe، صدای منعکس شده در pe، صدای منعکس شده در pe است. pq صدای تداخل چند طرفه است.

 

فرض کنید طیف سیگنال تحریک مبدل فرستنده s(f) باشد و امپدانس مشخصه محیط نادیده گرفته شود. بدون از دست دادن کلیت، بیان حوزه فرکانس سیگنال دریافتی توسط هیدروفون بردار دو بعدی P(f) = s(f) · 1 + Rs(f) e－jωτr+ D(f) e－jωτe + Rq(f) e－jωτq Hpt(f)Vx(f) = s(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)+De) e－jωτqsin(θq) Hvyt(f)(8) در فرمول، Rs(f) ضریب بازتاب صوتی نمونه است که به فرکانس موج صوتی و زاویه برخورد بستگی دارد، D(f) ضریب پراش لبه نمونه، Rq(f) ضریب انعکاس مرزی حوضچه، τr، ضریب بازتاب صوت، ضریب بازتاب صوت، ضریب انعکاس صدا، ضریب بازتاب صوت، تq، انعکاس صدا، انعکاس صدا، τe است. و صدای بازتاب مرزی استخر و صدای مستقیم به ترتیب. .

 

2) جبران عملکرد انتقال سیستم اندازه گیری. فیلتر معکوس طراحی شده را با طیف فرکانس داده های مشاهده کانال مربوطه ضرب کنید تا سیگنال جبران شده به دست آید. 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－f) )+ D(f) e－jωτesin(θe) + Rq(f) e－jωτqsin(θq)

 

شرایط شبیه سازی 2 فرض کنید عمق استخر 10 متر، مبدل پرتاب کننده، هیدروفون بردار و عمق آب h نمونه مورد آزمایش 5 متر است. فاصله H از مبدل فرستنده تا نمونه 15 متر، فاصله d از هیدروفون برداری تا نمونه 10 سانتی متر، سیگنال فرستنده یک سیگنال صوتی پالس Butterworth، پهنای باند سیگنال 500-10 کیلوهرتز و فرکانس نمونه برداری fs = 131-07-00ioz و سیگنال H072 دسی بل کانال فشار صدا را به عنوان مثال برای بررسی اثربخشی جبران فیلتر پس معکوس در نظر بگیرید. در شبیه سازی، نمونه مورد آزمایش یک صفحه آلومینیومی با ضخامت 0.006 متر و اندازه هندسی 1 متر×1 متر است. ضریب پراش لبه نمونه با فیلتر پایین گذر شبیه سازی شده است.

شکل 5 اثر جبرانی فیلتر پس معکوس کانال فشار صدا را نشان می دهد. شکل نشان می دهد که شکل موج سیگنال پس از جبران، منظم تر و صاف تر است، که به طور موثر اعوجاج سیگنال ناشی از عملکرد انتقال سیستم اندازه گیری را سرکوب می کند و به حذف تداخل مانند صدای پراش لبه کمک می کند.

 

3) صداهای تداخلی را حذف کنید. تأخیر زمانی صدای منعکس شده، صدای پراش نمونه و صدای بازتاب مرزی استخر را با توجه به پارامترهای استقرار سیستم اندازه گیری محاسبه کنید و تبدیل فوریه معکوس معادله (9) را برای به دست آوردن سیگنال حوزه زمان انجام دهید، سپس یک پنجره برای قطع سیگنال مفید اضافه کنید، و تبدیل برگ فوریه را انجام دهید، Pc(f)j)r = f(f)j]s

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

Vy c(f) = s(f) [sin(θi) + Rs(f) e－jωτrsin(θr)] که در آن Pc(f)، Vxc(f) و Vyc(f) به ترتیب طیف سیگنال هر کانال هستند. صدای مستقیم و صدای بازتاب شده را از هم جدا کنید و ضریب بازتاب صدای نمونه را بدست آورید. فرض کنید آزیموت هدایت کننده هیدروفون برداری ψ باشد، و سرعت ذرات مرکب محاسبه شده Vc Vc(f) = Vxc(f) cos(ψ) + Vyc(f) sin(ψ) (11) ابتدا، آزیموت هدایت کننده را به فرستنده نشان دهید، ψ2 = 0 را بگذارید، و (فرایند اتصال p + vc) را انجام دهید. خروجی پردازش مشترک Ii به صورت Ii = [Pc(f) + Vc(f)] 2ψ = 0 = 4 (12) دوباره آزیموت راهنما را به سمت نمونه بگیرید، یعنی اجازه دهید ψ = π، و پردازش مشترک (p + vc) 2 را انجام دهید تا خروجی پردازش مشترک را بدست آورید Ir = [Pc(f) + Vc e－2jωτr］

 

2 تجزیه و تحلیل خطای اندازه گیری

شرایط شبیه سازی 3 پارامترهای سیستم اندازه گیری بدون تغییر باقی می مانند، سیگنال ارسالی یک سیگنال صوتی پالسی Butterworth است و پهنای باند سیگنال 500 ~ 10 کیلوهرتز است. بدون در نظر گرفتن اثر پراش لبه نمونه و تأثیر صدای بازتاب در مرز استخر، نسبت سیگنال به نویز مورد بحث قرار می‌گیرد. هنگامی که 20، 30 و 40 دسی بل باشد، نتیجه اندازه گیری با فرکانس تغییر می کند. نتایج اندازه گیری و منحنی های خطای نسبی اندازه گیری تحت نسبت های مختلف سیگنال به نویز نشان داده شده است. از شکل می توان دریافت که خطای نسبی اندازه گیری با نوسان فرکانس کاهش می یابد و باند فرکانس پایین تا حد زیادی تحت تأثیر نسبت سیگنال به نویز قرار می گیرد. علاوه بر این، هنگامی که نسبت سیگنال به نویز 20 دسی بل است، روند تغییر نتیجه اندازه گیری با مقدار نظری یکسان است، اما نتیجه اندازه گیری خطای بزرگتری دارد. low خطای اندازه گیری باند فرکانس بزرگ به این دلیل است که ضریب بازتاب صوتی کوچک است و نوسانات کوچک می تواند باعث خطاهای نسبی بزرگ شود. در آزمایش واقعی، علاوه بر نسبت سیگنال به نویز، خطای قرارگیری سیستم اندازه گیری نیز بر نتایج اندازه گیری تأثیر خواهد داشت. شبیه سازی زیر تاثیر خطای قرارگیری سیستم اندازه گیری را تحلیل می کند. شرایط شبیه سازی 4 پارامترهای سیستم اندازه گیری بدون توجه به تداخلی مانند نویز پس زمینه و پراش لبه نمونه بدون تغییر باقی می مانند. فاصله H از منبع صدا تا نمونه به ترتیب 5، 10 و 15 متر است. زمانی بحث می شود که فاصله d از هیدروفون بردار تا نمونه 10 باشد. نتیجه اندازه گیری در درصد خطا است. نتایج اندازه گیری زمانی داده می شود که فاصله H از مبدل فرستنده تا نمونه متفاوت باشد و فاصله d از هیدروفون بردار تا نمونه دارای خطای 10 درصدی باشد. شکل نشان می دهد که نتیجه اندازه گیری به خطای فاصله بین هیدروفون بردار و نمونه حساس نیست. H نتایج اندازه گیری تقریباً همزمان نیستند. مشاهده می شود که در آزمایش واقعی فقط باید H مناسب را با توجه به اندازه هندسی حوضچه اندازه گیری انتخاب کرد. شرایط شبیه سازی 5 پارامترهای سیستم اندازه گیری بدون توجه به تداخل نویز پس زمینه و پراش لبه نمونه بدون تغییر باقی می مانند. فاصله d از هیدروفون وکتور تا نمونه به ترتیب 5، 10 و 15 سانتی متر است و فاصله H از مبدل فرستنده تا نمونه 15 متر است، در مورد نتایج اندازه گیری زمانی که خطای 1% در فاصله H از مبدل فرستنده تا نمونه وجود دارد، بحث کنید. نتایج اندازه گیری زمانی داده می شود که فاصله d از هیدروفون بردار تا نمونه متفاوت باشد و فاصله H از مبدل فرستنده تا نمونه دارای خطای 1٪ باشد. از شکل مشاهده می شود که نتیجه اندازه گیری و مقدار نظری با فرکانس روند یکسانی دارند و هر چه فرکانس بیشتر باشد فرکانس بالاتر است. نتیجه دقیق تر است و این روش اندازه گیری به خطای فاصله بین هیدروفون بردار و نمونه حساس نیست.

3 تحقیق تجربی و پردازش داده ها

 

دیاگرام بلوک ترکیب سخت افزاری سیستم اندازه گیری در شکل 11 نشان داده شده است. این سیستم از یک انتهای خشک و یک انتهای مرطوب تشکیل شده است. انتهای خشک عمدتاً از ژنراتور سیگنال دلخواه، تقویت کننده قدرت، مدار تهویه هیدروفون برداری و جمع کننده سیگنال و غیره تشکیل شده است که برای تولید، انتقال و کسب سیگنال استفاده می شود. انتهای مرطوب عمدتا از یک مبدل فرستنده، یک هیدروفون بردار دو بعدی با فرکانس پایین و یک نمونه برای اندازه گیری نمونه تشکیل شده است. انتهای مرطوب در حوضچه ای با اندازه هندسی 25 متر×15 متر×10 متر و مرکز صدا در 5 متری زیر آب قرار گرفته است. استخر از شش طرف خفه می شود و حد پایین جذب صدا 2 کیلوهرتز است. نمونه مورد آزمایش یک صفحه آلومینیومی با اندازه هندسی 1m×1m×0.006 متر است. مبدل فرستنده در لبه وسیله نقلیه بالای استخر معلق است و فاصله H از نمونه 4.95 متر است. نمونه بر روی دستگاه بالابر و چرخان ثابت می شود و نمونه را می توان در حین اندازه گیری به صورت زاویه دار چرخاند و به آرامی در سه بعدی حرکت داد. هیدروفون وکتور در انتهای جلوی نمونه قرار می گیرد و فاصله d از سطح نمونه 5.5 سانتی متر است. مبدل فرستنده یک منبع صوتی استوانه ای است و شکل 12 منحنی پاسخ ولتاژ انتقال آن را نشان می دهد.

 

از شکل 12 می توان دریافت که مبدل فرستنده توانایی تابش ضعیفی در زیر 2.5 کیلوهرتز دارد. باند فرکانس کاری موثر هیدروفون بردار دوبعدی فرکانس پایین 1 تا 12 کیلوهرتز است. در حین استقرار، بردار کانال Vy به نمونه مورد آزمایش و Vx به دیواره استخر اشاره می کند. ابتدا دنباله شبه تصادفی 16 مرتبه را برای شناسایی و اندازه گیری ارسال کنید.

 

شکل 12 منحنی پاسخ ولتاژ فرستنده مبدل فرستنده

 

عملکرد انتقال سیستم و طراحی فیلتر معکوس. شکل 13 نتایج شناسایی تابع انتقال سیستم اندازه گیری را نشان می دهد. در شکل، hp(f)، hvx(f) و hvy(f) به ترتیب مقادیر اندازه گیری شده تابع انتقال کانال فشار صدا، کانال برداری Vx و کانال Vy سیستم اندازه گیری هستند. hpinv(f)، hvxinv(f) و hvyinv(f) به ترتیب تابع انتقال فیلتر معکوس طراحی شده هستند.

از شکل 13 می توان دریافت که نتیجه شناسایی تابع انتقال کانال Vx بردار نامعتبر است. زیرا در وضعیت استقرار فوق، 'pit' کانال هیدروفون Vx بردار رو به منبع صدا است و سیگنال دریافتی توسط این کانال فقط حوضچه است. دیوار سیگنال صوتی را منعکس می کند، بنابراین نتیجه شناسایی سیستم نادرست است. موقعیت مکانی و جهت مبدل فرستنده و مبدل هیدروفون بردار بدون تغییر، نمونه را قرار داده و سیگنال صوتی پالسی Butterworth را با پهنای باند 500 تا 12.5 کیلوهرتز ارسال کنید. شکل 14 داده های اصلی و شکل موج سیگنال اصلاح شده دریافت شده توسط هر کانال از هیدروفون برداری را نشان می دهد. از شکل 14 مشاهده می شود که شکل موج دامنه زمانی سیگنال پس از تصحیح فیلتر معکوس منظم می شود و انرژی متمرکزتر می شود. سپس تأخیر زمانی صدای مستقیم و صدای انعکاس صدای بازتاب شده از لبه نمونه را با توجه به پارامترهای چیدمان فضایی سیستم اندازه‌گیری محاسبه کنید و پنجره‌هایی را برای رهگیری داده‌های مفید اضافه کنید و ضریب انعکاس صدای طبیعی نمونه را همانطور که در شکل 15 نشان داده شده است محاسبه کنید.

شکل 15 نتایج اندازه گیری را قبل و بعد از جبران نشان می دهد. مشاهده می شود که نتیجه اندازه گیری تابع انتقال سیستم اندازه گیری جبران نشده دارای خطای زیادی بوده و تقریباً نامعتبر است. دقت اندازه گیری پس از پردازش فیلتر پس از معکوس بسیار بهبود می یابد. هنگامی که فرکانس بیشتر از 2.5 کیلوهرتز است، خطای اندازه گیری پس از تصحیح فیلتر پس از معکوس کوچک است و نتیجه اندازه گیری زیر 2.5 کیلوهرتز دارای خطای بزرگی است. دلیل آن این است که قابلیت انتقال فرکانس پایین مبدل فرستنده محدود است و اجزای فرکانس پایین سیگنال در نویز پس زمینه غوطه ور هستند، بنابراین نتیجه اندازه گیری ضعیف است.

 

4 نتیجه گیری

این مقاله روشی را برای اندازه‌گیری ضریب بازتاب آکوستیک معمولی مواد صوتی زیر آب بر اساس یک هیدروفون تک بردار پیشنهاد می‌کند. این روش پالس خواهد شد.ترکیبی از فناوری انتشار ضربه، فناوری پردازش سیگنال برداری و فناوری فیلتر پس معکوس، از طریق فناوری فیلتر پس معکوس برای دریافت هیدروفون بردار.

 

داده ها جبران می شود، اعوجاج سیگنال ناشی از عملکرد انتقال سیستم اندازه گیری سرکوب می شود، و صدای پراش لبه و چند مسیر نمونه در حوزه زمان حذف می شود. تداخل سیگنال دقت اندازه گیری را بهبود می بخشد. اصل اندازه گیری به صورت تئوری استنباط می شود، تأثیر خطای سیستم اندازه گیری از طریق محاسبه عددی و شبیه سازی مورد مطالعه قرار می گیرد و تحقیقات تجربی انجام می شود. محاسبات عددی و نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که روش اندازه‌گیری توصیف‌شده در این مقاله الزامات خاصی برای نسبت سیگنال به نویز دارد. استقرار سیستم نادرست و غیر حساس نتایج تجربی نشان می‌دهد که روش توصیف‌شده در این مقاله می‌تواند به طور موثر اندازه‌گیری میدان آزاد در مقیاس بزرگ ضریب بازتاب صوتی معمولی مواد صوتی زیر آب را تحقق بخشد، اما به دلیل محدودیت توانایی تابش فرکانس پایین مبدل فرستنده، خطای اندازه‌گیری فرکانس پایین نسبتاً بزرگ است.