Vedenalaisten akustisten materiaalien akustisen heijastuskertoimen mittausmenetelmä yksivektorihydrofonilla

Tavoitteena on tutkia koveran akustisen polttovälin muodon ja geometrisen sijainnin muutoksia. pallomainen ultraäänianturi, kun äänen intensiteetti on korkea ja välineellä on suuri vaimennus. Fyysisen akustiikan näkökulmasta analysoidaan suuren äänenvoimakkuuden aiheuttaman epälineaarisuuden ja mediavaimennuksen vaikutuksia äänen polttoväliin ja integraalin lineaarista superpositioalgoritmia käytetään numeeristen simulaatiolaskujen suorittamiseen. Sekä teoreettinen analyysi että numeerinen laskelma osoittavat, että äänen intensiteetin ja keskitason vaimennuksen kasvaessa akustisen polttoalueen geometrinen sijainti etenee millimetrin tasolla akustista akselia pitkin anturin suuntaan; samalla akustinen polttoalue. Muoto muuttui vähitellen symmetrisestä pitkästä ellipsoidista lyhyeksi ellipsoidiksi, jossa on 'lihava pää ja ohut häntä'.

 

Korkea äänenvoimakkuus ja keskivaimennus vaikuttavat merkittävästi koveran pallomaisen anturin äänen polttoalueen sijaintiin ja muotoon. HIFU-laitteiden tarkka sijoittelu ja annoksen valvonta, tarkastusstandardien muotoilu ja jopa kliininen sovellus tulee ottaa täysimääräisesti huomioon.

 

kotimaani on tehnyt merkittäviä läpimurtoja korkean intensiteetin fokusoitujen ultraäänilaitteiden (HIFU-laitteiden) kehittämisessä ja kliinisessä soveltamisessa. Kuitenkin, jotta todella saavutettaisiin tarkka paikannus ja hoitoannoksen hallinta laitteissa, jotta kliinisellä hoidolla voidaan saavuttaa ihanteellinen vaikutus leesion tehokkaaseen tappamiseen vahingoittamatta ympäröiviä normaaleja kudoksia, on kuitenkin vielä monia teoreettisia ja teknisiä kysymyksiä, joita on tutkittava ja ratkaistava perusteellisesti. Kotimaiset ja ulkomaiset kokeelliset tutkimukset HIFU:n vaurioiden muodostumisesta biologisissa kudoksissa ovat osoittaneet, että äänen voimakkuuden kasvaessa polttovyöhykkeen sijainti siirtyy eteenpäin ja muuttuu vähitellen pitkästä ellipsoidista 'tadpole-muotoiseksi' tai 'kartion muotoiseksi'. Vaikka ulkomaisessa kirjallisuudessa on viime vuosina tehty kvalitatiivisia selityksiä yllä olevalle ilmiölle ratkaisemalla numeerisesti epälineaarisen akustisen aallon etenemisyhtälö (KZK-yhtälö), mutta laskentaprosessi on monimutkainen ja fyysinen suhde laskentaprosessissa on epäselvä. Tästä syystä tässä artikkelissa otetaan esimerkkinä kovera pallomainen tarkennusmuunnin ja käsitellään ongelmaa tutkimalla keskivaimennuksen ja epälineaaristen etenemisominaisuuksien vaikutusta korkealla äänenvoimakkuudella äänen polttoväliin.

 

Aiemmassa työssämme, perustuen Kirchhoffin diffraktiointegraaliin, olemme johtaneet äänenpaineen ilmaisun missä tahansa pisteessä yksitaajuisessa äänikentässä lineaarisen äänikentän olosuhteissa koveralla pallomaisella tarkennusmuuntimella, jonka pinnalla on tasaista säteilyä (kutsutaan myös Rayleigh-pisteiksi).

 

Epälineaarisen akustiikan teorian analyysin perusteella, kun anturin pinnasta väliaineeseen säteilevän yksitaajuisen siniaallon äänenpaine on riittävän suuri, sitä kutsutaan 'ääreelliseksi amplitudiaaloksi', joka etenee väliaineessa tietyn matkan (kutsutaan epäjatkuvaksi etäisyydeksi). ), aaltomuoto vääristyy saha-aaltoksi, jota voidaan pitää myös iskuaaltona. Alkuperäisen emission perustaajuuden lisäksi tämän aallon taajuusspektri sisältää myös sarjan korkeampia harmonisia. Niitä syntyy vähitellen absorboimalla jatkuvasti energiaa ääniaaltojen, eli ultraäänilääketieteen kudosharmonisten, etenemisen aikana. Amplitudikertoimella voidaan kuvata korkean kertaluvun harmonisten etenemistä etenemisetäisyyden kanssa ja etenemisen aikana tapahtuvien energiamuutosten suhdetta.

 

Sahanhammasaalto muodostaa etäisyyden, joten se on etenemisetäisyyttä heijastava dimensioton suure. Tämän perusteella olemme laskeneet perusaallon ja 3 ensimmäisen harmonisen amplitudikerroinkäyrän. Kun ääniaalto etenee väliaineessa, äänenpaine pienenee eksponentiaalisesti etäisyyden mukaan, mikä voidaan ilmaista muodossa. Yleisille pehmytkudoksille vaimennuskerroin TM on karkeasti verrannollinen taajuuteen. Laskennan yksinkertaistamiseksi tässä artikkelissa esitetään kunkin harmonisen komponentin vaimennuskerroin missä α on perustaajuuden ääniaallon äänenvaimennusjärjestelmä biologisissa kudoksissa etäisyysyksikköä kohti.

 

 

Sen tulisi sisältää äänen absorptio ja kudoksen sironta. Kun edellä mainitut kaksi tekijää (epälineaarisuus ja vaimennus) otetaan huomioon, äänenpaineen ilmaisu fokusoidussa äänikentässä voidaan laajentaa seuraavaan muotoon: on kunkin harmonisen aaltoluku. Tätä kaavaa kutsumme Rayleighin integraalin lineaariseksi superpositioalgoritmiksi.

 

Tulos:

 

1 Keskivaimennuksen vaikutus äänen polttoväliin. Tässä työssä käytetyn yksikkökoveran palloanturin parametrit ovat: kaarevuussäde R = 15 cm, aukon säde a = 42 cm, työtaajuus f = 1,7 MHz. Olettaen, että väliaine on yleinen pehmytkudos, sen vaimennuskerroin α on alueella 01-30 dB muhennos (cm·Mz). Väliaineen äänen nopeus, tiheys ja muut parametrit on otettu asiaankuuluvan kirjallisuuden mukaan. Jotta vaimennuskerrointa voidaan tutkia yhtenä vaikuttavana tekijänä, on vain yksi taajuus, nimittäin perustaajuus, laskettava ja analysoitava eri α-arvoilla olevan äänen fokusalueen muutoslakia varten. Tästä syystä kaavassa suoritettiin sarja numeerisia laskelmia ottamalla M=1. Tulokset osoittavat, että vaimennuksen kasvaessa, eli kun α = 0,3, 13 ja 23 dB muhennos (cm·Mhz), -6 dB akustisen polttoalueen muoto muuttuu vähitellen pitkästä ellipsoidista lyhyeksi ellipsoidiksi ja sen pitkä akseli1 ja lyhyt akseli .

 

2. Ne ovat 111, 104 ja 92. Polttoalueen sijainti (sijainti akustisella akselilla), kaksi jälkimmäistä ovat vastaavasti 30 mm ja 65 mm edellistä edellä anturin akustista akselia pitkin. Samanaikaisesti polttoalueen pää (anturin lähellä oleva pää) on 'rasvavampi' kuin sen häntä (pää kaukana anturista).

 

2 Korkean äänenvoimakkuuden aiheuttaman epälineaarisuuden vaikutus äänen fokusalueeseen on sama, pintasäteilyn äänenpaine lasketaan yhtenä tekijänä ja sen arvot ovat vastaavasti 44, 73, 4 MPa ja α = 3dB stew (cm·MHz). Ottaen huomioon, että väliaineen vaimennus kasvaa nopeasti harmonisen taajuuden kasvaessa, harmonisten lukumäärän ei tarvitse olla liikaa. Laskentatulokset osoittavat, että: pintasäteilyn äänenpaineen kasvaessa polttovyöhykkeen sijainti ja muoto muuttuvat toisin kuin vaimennuskertoimen muuttuessa. Se on niin suuri, mutta sen muuttuva laki on samanlainen. Toisin sanoen kahden jälkimmäisen polttoalueen paikkoja siirretään eteenpäin 16 mm ja 21 mm vastaavasti; 6 dB:n polttoalueen pitkän ja lyhyen akselin suhde on 119, 116 ja 113, ja myös polttoalueen päällä on taipumus tulla 'rasvaksi'.

 

3 Vaimennuksen ja epälineaarisuuden yhteisvaikutus äänen polttoväliin.

Edellä mainitut kaksi tekijää sisällytetään samanaikaisesti laskennan kaavaan (3). Kuva 3(a) ja kuva 3(b) osoittavat, että α = 3 dB muhennos (cm·MHz), P′ 0 = 44 MPa ja α = 2,3 dB muhennos (cm·MHz), P′0 = 44 MPa

Kun otetaan huomioon vaimennus ja epälineaariset vaikutukset samanaikaisesti, isoäänipainelinjan ääriviiva polttoalueella on kuvan laskentatulos. Näihin kahteen verrattuna polttoalueen sijainti on siirtynyt eteenpäin 8,4 mm ja polttoalueen pää- ja sivuakselien suhde on muuttunut 11,9:stä 8,5:een. Se osoittaa, että vaimennuskertoimen ja epälineaarisuuden aiheuttama fokusalueen muutostrendi on sama, joten kokonaisvaikutus vahvistuu.

 

 

lopuksi

Tässä artikkelissa esitetyt teoreettiset analyysi- ja laskentatulokset osoittavat, että: korkea äänenvoimakkuus ja keskivaimennus vaikuttavat merkittävästi äänen polttoalueen muotoon ja sijaintiin; mitä suurempi väliaineen vaimennuskerroin, sitä suurempi äänen intensiteetti (eli sitä vahvempi epälineaarisuus) ja äänen fokusointi Mitä lähempänä kenttä on anturia; myös polttokentän pitkien ja lyhyiden akselien suhde pienenee, eli sen muoto muuttuu vähitellen pitkästä ellipsoidista lyhyeksi ellipsoidiksi ja äänen fokusalueen pää muuttuu 'lihavammaksi' kuin häntä. Ilmiö, muoto on yleensä 'porkkana'. Yllä olevat johtopäätökset antavat perustan kvantitatiiviselle HIFU-äänikentän äänifokusalueen muutoslain analysoinnille sekä äänen fokusalueen ja vaurioalueen välisen suhteen jatkotutkimukselle.

 

Suuri näyte mittausmenetelmä akustisen heijastuskertoimen vedenalaiset akustiset materiaalit yksivektorihydrofonilla

 

Vedenalaisten akustisten materiaalien normaalin akustisen heijastuskertoimen vapaan kentän laajakaistamittauksen toteuttamiseksi mittausjärjestelmän ydinlaitteistona käytetään yksivektorihydrofonia yhdistettynä pulssiakustiseen emissiotekniikkaan ja jälkikäänteissuodattimen signaalinkäsittelytekniikkaan, ehdotetaan yksivektorihydrofonia, joka perustuu yksivektorihydrofoniin. Vedenalaisen akustisen materiaalin vedenalaisen akustisen materiaalin normaalin akustisen heijastuskertoimen vapaan kentän laajakaistamittausmenetelmä vektorihydrofonin elektronisen kiertotekniikan avulla suoran äänen ja heijastuneen äänen tehokkaan erottamisen toteuttamiseksi. Käsitellään mittausjärjestelmän virheen ja vastaanotetun signaalin signaali-kohinasuhteen vaikutusta mittaustulokseen. Tällä menetelmällä on tiettyjä vaatimuksia signaali-kohinasuhteelle, mutta se ei ole herkkä mittausjärjestelmän virheelle. Kokeelliset testitulokset osoittavat, että: Verrattuna kokeellisiin testituloksiin ilman käänteissuodatuksen jälkeistä käsittelyä, artikkelissa kuvattu menetelmä parantaa merkittävästi mittaussuorituskykyä, mutta lähettävän anturin matalataajuisen emissiokyvyn rajoittamana, koetulokset ovat yli 2,5 kHz ja teoreettiset arvot ovat hyvässä linjassa.

 

Akustinen heijastuskerroin on tärkeä parametri, joka luonnehtii vedenalaisten akustisten materiaalien akustista suorituskykyä. Tällä hetkellä vedenalaisten akustisten materiaalien akustisen heijastuskertoimen mittausmenetelmät voidaan jakaa karkeasti piennäytteen laboratorioakustiseen putkimenetelmään ja suuren näytteen vapaan kentän mittausmenetelmään. Suuren näytteen vapaan kentän mittaus suoritetaan yleensä suuressa kaiuttomassa poolissa. Asettamalla vaimennusmateriaaleja altaan rajalle absorboimaan altaan rajalta heijastuvaa ääntä, hydrofonin vastaanottama signaali on vain suora ääni ja näytteen heijastunut ääni. Kuitenkin, johtuen kaiuttoman poolin alarajan rajoituksesta, matalataajuinen monitievaikutus on ilmeinen; lisäksi vapaan kentän mittausmenetelmää häiritsee enimmäkseen näytteen reunadiffraktiovaikutus, ja tämä häiriö on erityisen vakavaa matalataajuisella kaistalla. Edellä mainittujen ongelmien ratkaisemiseksi impulssiäänen testaustekniikkaa käytetään laajalti vedenalaisten akustisten materiaalien akustisten parametrien mittaamisessa. Se on sen keskeinen tekniikka pulssi-akustisten signaalien välittämiseen säädettävillä aaltomuodoilla ja ilman vääristymiä. Lähettävän muuntimen siirtotoiminto rajoittaa kuitenkin impulssiäänen testaustekniikan alentaa taajuutta rajoitetussa mittaustilassa. Tästä syystä on ehdotettu erilaisia ​​kompensointimenetelmiä, kuten Li Shuin et ai. ehdottama laajakaistapulssi superpositiomenetelmä. Tämä menetelmä esikäsittelee käänteissuodatustekniikkaa lähettävän anturin virityssignaalin kompensoimaan lähettävän muuntimen lähetystoimintoa siten, että lähettävän muuntimen säteilemä signaali on ihanteellinen terävä pulssi, joka vähentää tehokkaasti mittauksen alarajataajuutta.

 

Yllä olevasta menetelmästä poiketen 'post-inverse filtering technology' prosessoi signaalin hydrofonin vastaanottopäässä saavuttaakseen tarkoituksen kompensoida lähettävän muuntimen taajuusvastetta. Akustisessa putkessa käytetään 'post-inverse-suodatintekniikkaa' äänen absorptiokertoimen laajakaistamittauksen saavuttamiseksi. vedenalaiset akustiset materiaalit . Tämä menetelmä hankkii ensin mittausjärjestelmän siirtofunktion, kompensoi sitten havaintosignaalin ja lopulta saa näytteen akustisen heijastuskertoimen jakamalla kompensoidun havaintosignaalin amplitudispektrin standardin näytteen heijastussignaalin amplitudispektrillä ja laskee edelleen absorptioäänikertoimen. Viime vuosina vektoriantureita on sovellettu menestyksekkäästi aeroakustisten materiaalien akustisten parametrien mittaamiseen, kuten pintaimpedanssimenetelmää ja äänen intensiteettimenetelmää. Vektorihydrofoni voi poimia äänikenttätiedot synkronisesti ja samassa pisteessä, mikä laajentaa signaalin jälkeistä käsittelytilaa, ja äänenpaine- ja värähtelynopeussignaalien yhteiskäsittely voi muodostaa tietyn avaruudellisen suuntaavuuden, joka voi häiritä näytteen reunan diffraktioääntä. Tiettyyn vaimennusasteeseen asti ei ole tarpeen käyttää tavanomaista suurta äänenpaineen vastaanottojärjestelmää, mikä vähentää mittausjärjestelmän monimutkaisuutta. Samanaikaisesti vektorihydrofonin äänenpaineen ja värähtelynopeuden yhdistetyn käsittelyn lähtöpäämaksimisuunta voidaan ohjata ennalta määrättyyn suuntaan elektronisen kiertotekniikan avulla, mikä helpottaa suoran äänen ja heijastuneen äänen tehokasta kuorimista. Lisäksi vektorihydrofonilla on myös hyvä matalataajuinen suuntaavuus ja isotrooppisen kohinan kestävyys. Siksi perinteiseen äänenpainehydrofoniin verrattuna vektorihydrofonin käyttämisellä materiaalin äänen heijastuskertoimen testaamiseen on tiettyjä etuja. Tässä artikkelissa esitetään laajakaistainen mittausmenetelmä vedenalaisten akustisten materiaalien normaalille akustiselle heijastuskertoimelle suurella vapaan kentän näytteellä. Tämä menetelmä käyttää yksivektorihydrofonia mittausjärjestelmän ydinlaitteistona, yhdistää pulssi-akustisen emissiotekniikan ja jälkikäänteisen suodatustekniikan signaalin aaltomuodon vääristymisen vaimentamiseksi, eliminoi näytteen reunadiffraktioäänen ja monitiehäiriöäänen aika-alueella, ja sitten ohittaa. jakamalla nämä kaksi.

 

1 Mittausprosessi

Tämän menetelmän mittausperiaatteen selittämiseksi, samalla kun selitetään mittausprosessia, annetaan siihen liittyvät kaavan johtamis- ja simulointitulokset.

 

1.1 Mittausjärjestelmän siirtofunktion tunnistus ja käänteissuodatinrakenne Ennen näytteen testaamista on ensin hankittava mittausjärjestelmän siirtofunktio. Perinteisestä äänenpainehydrofonista poiketen vektorihydrofonissa on äänenpainekanava ja värähtelynopeuskanava, joten vektorihydrofonin kunkin mittauskanavan siirtofunktio on hankittava samanaikaisesti. Mittauksen aikana ihanteellinen pulssisignaali säteilee vesiväliaineeseen lähettävän anturin kautta ja lähetetään sitten vastaanottopisteeseen hydroakustisen kanavan kautta, ja lopuksi vastaanotetaan vektorihydrofonilla ja kerätään kollektorilla. Siksi mittausjärjestelmä voidaan jakaa kolmeen osaan, nimittäin signaalin lähetysjärjestelmään, vedenalaiseen akustiseen kanavaan ja signaalin vastaanottojärjestelmään. Esimerkkinä äänenpainekanavasta vastaanotettu signaalimalli on esitetty kuvassa 1.

Kuvassa 1 s(f) on lähetettävän signaalin spektri, T(f), Hp(f) ja R(f) ovat lähettävän järjestelmän, äänenpaineen hydroakustisen kanavan ja signaalin vastaanottojärjestelmän siirtofunktiot, ja N(f) on taustakohinaspektri, Y(f) on mittausjärjestelmän lähtösignaalin spektri. Jälkikäänteissuodatustekniikka on suunnitella käänteissuodatin kompensoimaan T(f) ja R(f), kun mittausjärjestelmän siirtofunktio tunnetaan. Otetaan äänenpainekanava esimerkkinä havainnollistamaan mittausjärjestelmän siirtofunktioiden tunnistamisen perusperiaatetta. Menetelmä 1 Tarkastellaan signaalin lähetysjärjestelmää ja signaalin vastaanottojärjestelmää kokonaisuutena, eli H(f) = T(f) + R(f). Tulosignaali on x(t), järjestelmän lähtösignaali on y(t), taustakohina on n(t), Y(f) = H(f) X(f) + N(f) (1) missä X(f), Y(f) ja N(f) ovat järjestelmän tulosignaalin x(t), järjestelmän lähtösignaalin y(t) ja taustakohinan Fourier-muunnos. Laskennan jälkeen H(f):n arvioitu arvo on ^H(f) =Gxy(f)Gxx(f) (2) missä Gxy(f) on järjestelmän tulosignaalin ja lähtösignaalin ristiintehospektri ja Gxx(f) on järjestelmän tulosignaalin omatehospektri.

 

Edellä mainittujen mittausjärjestelmän tunnistusmenetelmien lisäksi voidaan käyttää myös näennäissatunnaisia ​​sekvenssitunnistustekniikoita. Menetelmä 2 Oletetaan, että mittausjärjestelmän tulosignaali x(t) on näennäissatunnaissekvenssi (MLS-sekvenssi) ja järjestelmän lähtösignaali on y(t). Ilmeisesti y(t) = x(t) * h(t) (3) missä , * Tarkoittaa konvoluutiota, h(t) on järjestelmän yksikköimpulssivastefunktio. Laske korrelaatiofunktio järjestelmän tulosignaalin ja lähtösignaalin välillä, rxy = ∫x(τ) y(τ-t) dτ = h(t) * rxx(t) (4) missä rxy on järjestelmän funktion tulon ja lähdön välinen ristikorrelaatio, rxx on sisääntulosignaalin autokorrelaatiofunktio. Koska MLS-sekvenssillä on paremmat autokorrelaatio-ominaisuudet, eli rxx(n) = δ(n)-1L+1. jossa L = 2m-1 on sekvenssin pituus ja m on näennäissatunnaisen sekvenssin järjestys. On helppo nähdä, että järjestelmäyksikön impulssivastefunktion ^h(t) estimoitu arvo on ^h(t) ≈ rxy (6) Lisäksi Fourier-muunnos voi saada mittausjärjestelmän järjestelmän siirtofunktion estimaattiarvon ^H(f). Kun olet saanut ^H (f), suunnittele taajuusalueen käänteissuodatin H-1( f) muotoon Hpost( f) =^H( f)| ^H(f) | 2 + q( 7) jossa , Q on normaaliluku, yleensä 1 % | ^H (f) | 2. Simulaatioehto 1 Lähettävä anturi ja hydrofoni sijoitetaan kaiuttomaan pooliin yhtä syvälle, etäisyys näiden välillä on 1 m ja lähetettävä signaali on 16-kertainen MLS-sekvenssi. Järjestelmän tunnistamiseen käytetään menetelmää 1 ja menetelmää 2. Suhteet ovat 10, 20 ja 30 dB. Arvioi näiden kahden menetelmän siirtofunktioiden tunnistustulosten edut ja haitat eri signaali-kohinasuhteilla. Simulaatiossa simuloidaan järjestelmän yksikköimpulssivastefunktiota lisäämällä Gaussin pulsseja, joiden keskitaajuudet ovat 1, 2, 4 ja 8 kHz.

 

Kuvassa 3 on esitetty mittausjärjestelmän siirtofunktion tunnistustulokset yllä olevissa olosuhteissa. Kuvasta voidaan nähdä, että tässä artikkelissa kuvatut kaksi järjestelmän tunnistusmenetelmää voivat saada tehokkaasti mittausjärjestelmän siirtofunktion. Menetelmällä 1 on kuitenkin tiettyjä vaatimuksia signaali-kohinasuhteelle. Kun signaali-kohinasuhde on suurempi kuin 30 dB, tunnistustulos on tarkka. Menetelmän 2 järjestelmän tunnistustulos on parempi kuin menetelmän 1, ja korkean tarkkuuden tunnistustuloksia voidaan silti saada matalan signaali-kohinasuhteen olosuhteissa. Tämä johtuu siitä, että taustamelulla on pieni korrelaatio äänilähteen virityssignaalin kanssa, joten tällä menetelmällä on tietty häiriönestokyky. Seuraavassa on analyysi tässä artikkelissa kuvatun mittausmenetelmän tehokkuudesta simulaation ja numeerisen laskennan avulla.

 

1.2 Havaintotietojen käsittely

1) Hanki havaintotiedot. Mittausperiaatekaavio vedenalainen akustinen anturi  on esitetty kuvassa 4. Kuvassa ri on suora äänitie ja etäisyys vektorihydrofonista näytteeseen on d, heijastunut äänirata on ri + 2d, re = rs + rr on taittunut äänirata, rq on heijastunut äänirata altaan reunalla, pi on suora ääni, pr on heijastunut ääni, se on näyte, p on heijastunut ääni, p on näyte. monisuuntainen häiriöääni.

 

Oletetaan, että lähettävän muuntimen virityssignaalin spektri on s(f), ja väliaineen ominaisimpedanssi jätetään huomiotta. Yleisyyden menettämättä kaksiulotteisen vektorihydrofonin vastaanottaman signaalin taajuustason ilmaisu on P( f) = s( f) · 1 + Rs( f) e－jωτr+ D( f) e－jωτe + Rq( f) f) f) e－jωτq Hpt() =) sx(θ) Rs( f) e－jωτrcos( θr )+ D( f) e－jωτecos( θe) + Rq( f) e－jωτqcos( θq) Hvxt( f )Vy( f) = s( f)(in) ωin) +－rs(j) ·sin B rajaheijastuskerroin, τr, τe ja τq ovat heijastuneen äänen, näytteen reunadiffraktioäänen ja poolin rajaheijastusäänen ja suoran äänen aikaviiveet. θi, θr, θe ja θq ovat suora ääni, heijastunut ääni, näytereunan diffraktioääni ja poolin rajaheijastusääni, vastaavasti. Ääniaallon tulokulma, Hpt(f), Hvxt(f) ja Hvxt(f) edustavat vastaavasti mittausjärjestelmän kunkin mittauskanavan siirtofunktiota.

 

2) Mittausjärjestelmän siirtofunktion kompensointi. Kerro suunniteltu käänteissuodatin vastaavan kanavan havainnointitiedon taajuusspektrillä saadaksesi kompensoitu signaali. Taajuusspektri Ppost(f), Vxpost(f) ja Vypost(f) ovat Ppost(f) ≈ s(f) ·1 + Rs(f) e－jωτr+ D(f) e－ eqω Vxpost( f) ≈ s( f) · cos( θi) + Rs( f) e－jωτrcos( θr )+ D( f) e－jωτecos( θe) + Rq( f) e－jωτqcos() Vypost ( θ q) θi) + Rs(f) e－jωτrsin( θr )+ D( f) e－jωτesin( θe) + Rq(f) e－jωτqsin( θq)

 

Simulaatioehto 2 Oletetaan, että altaan syvyys on 10 m, laukaisuanturi, vektorihydrofoni ja testattavan näytteen veden syvyys h ovat 5 m. Etäisyys H lähettävästä muuntimesta näytteeseen on 15 m, etäisyys d vektorihydrofonista näytteeseen on 10 cm, lähettävä signaali on Butterworthin pulssi-akustinen signaali, signaalin kaistanleveys 500-10 kHz ja näytteenottotaajuus fs = 131 072 Hz ja signaalin suhde B-to-30. Ota äänenpainekanava esimerkkinä tarkistaaksesi käänteisen suodattimen kompensoinnin tehokkuuden. Simulaatiossa testattava näyte on alumiinilevy, jonka paksuus on 0,006 m ja geometrinen koko 1 m×1 m. Näytteen reunadiffraktiokerrointa simuloidaan alipäästösuodattimella.

Kuvassa 5 on esitetty äänenpainekanavan jälkikäänteissuodattimen kompensointivaikutus. Kuvasta näkyy, että signaalin aaltomuoto kompensoinnin jälkeen on säännöllisempi ja tasaisempi, mikä vaimentaa tehokkaasti mittausjärjestelmän siirtofunktion aiheuttamaa signaalisäröä ja auttaa eliminoimaan häiriöitä, kuten reunadiffraktioääntä.

 

3) Poista häiriöäänet. Laske heijastuneen äänen, näytediffraktioäänen ja poolin rajaheijastusäänen aikaviive mittausjärjestelmän käyttöönottoparametrien mukaisesti ja suorita yhtälön (9) käänteinen Fourier-muunnos aika-alueen signaalin saamiseksi, lisää sitten ikkuna hyödyllisen signaalin sieppaamiseksi ja suorita Fourier-lehtimuunnos, saamme Pc(f) = s(f) f]ύ.

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

Vy c(f) = s(f) [sin(θi) + Rs(f) e－jωτrsin(θr)] missä Pc(f), Vxc(f) ja Vyc(f) ovat vastaavasti kunkin kanavan signaalispektri. Erottele suora ääni ja heijastunut ääni ja hanki näytteen äänen heijastuskerroin. Oletetaan, että vektorihydrofonin ohjaava atsimuutti on ψ ja laskettu komposiittihiukkasen nopeus Vc on Vc( f) = Vxc( f) cos( ψ) + Vyc( f) sin( ψ) (11) Osoita ensin ohjaava atsimuutti lähettimeen, Olkoon ψ = 0 ja suorita (2p yhteinen termi +comi) s. f), ja hanki yhteiskäsittelytulos Ii muodossa Ii = [Pc( f) + Vc( f)] 2ψ = 0 = 4 (12) Osoita ohjaava atsimuutti uudelleen näytteeseen, eli olkoon ψ = π, ja suorita (p + vc) f 2:n yhteiskäsittely saadaksesi yhteiskäsittelyn tulos Ir = [Pc( f) π4 = V. ［R2s(f) e－2jωτr］

 

2 Mittausvirheanalyysi

Simulointiehto 3 Mittausjärjestelmän parametrit pysyvät ennallaan, lähetetty signaali on Butterworth-pulssiäänisignaali ja signaalin kaistanleveys on 500 ~ 10 kHz. Ottamatta huomioon näytteen reunan diffraktiovaikutusta ja heijastusäänen vaikutusta altaan rajalla, käsitellään signaali-kohinasuhdetta. Kun se on 20, 30 ja 40 dB, mittaustulos muuttuu taajuuden mukaan. Mittaustulokset ja mittauksen suhteelliset virhekäyrät eri signaali-kohinasuhteissa esitetään. Kuvasta voidaan nähdä, että mittauksen suhteellinen virhe vaimenee taajuusvärähtelyn myötä ja signaali-kohinasuhde vaikuttaa suuresti matalaan taajuuskaistaan; lisäksi, kun signaali-kohinasuhde on 20 dB, mittaustuloksen muutostrendi on sama kuin teoreettinen arvo, mutta mittaustuloksen virhe on suurempi; matala Suuri taajuuskaistan mittausvirhe johtuu siitä, että akustinen heijastuskerroin on pieni ja pienet vaihtelut voivat aiheuttaa suuria suhteellisia virheitä. Varsinaisessa testissä signaali-kohinasuhteen lisäksi mittausjärjestelmän sijoitusvirhe vaikuttaa mittaustuloksiin. Seuraava simulaatio analysoi mittausjärjestelmän sijoitusvirheen vaikutusta. Simulointiehto 4 Mittausjärjestelmän parametrit pysyvät ennallaan riippumatta häiriöistä, kuten taustamelusta ja näytteen reunan diffraktiosta. Etäisyys H äänilähteestä näytteeseen on vastaavasti 5, 10 ja 15 m. Puhutaan, kun etäisyys d vektorihydrofonista näytteeseen on 10 Mittaustulos % virheellä. Mittaustulokset annetaan, kun etäisyys H lähettimen muuntimesta näytteeseen on erilainen ja etäisyydellä d vektorihydrofonista näytteeseen on 10 % virhe. Kuvasta näkyy, että mittaustulos ei ole herkkä vektorihydrofonin ja näytteen välisen etäisyyden virheelle; H Mittaustulokset eivät ole lähes samat samaan aikaan. Voidaan nähdä, että varsinaisessa testissä tarvitsee vain valita sopiva H mittausaltaan geometrisen koon mukaan. Simulointiehto 5 Mittausjärjestelmän parametrit pysyvät ennallaan riippumatta taustamelun ja näytteen reunan diffraktiosta aiheutuvista häiriöistä. Etäisyys d vektorihydrofonista näytteeseen on vastaavasti 5, 10 ja 15 cm ja etäisyys H lähettävästä muuntimesta näytteeseen on 15 m, keskustele mittaustuloksista, kun etäisyydellä H lähettimen muuntimesta näytteeseen on 1 % virhe. Mittaustulokset annetaan, kun etäisyys d vektorihydrofonista näytteeseen on erilainen ja etäisyydellä H lähettävästä muuntimesta näytteeseen on 1 % virhe. Kuvasta voidaan nähdä, että mittaustuloksella ja teoreettisella arvolla on sama trendi taajuuden kanssa ja mitä suurempi taajuus, sitä korkeampi taajuus. Tulos on tarkempi, eikä tämä mittausmenetelmä ole herkkä vektorihydrofonin ja näytteen välisen etäisyyden virheelle.

3 Kokeellinen tutkimus ja tietojenkäsittely

 

Mittausjärjestelmän laitteistokokoonpanon lohkokaavio on esitetty kuvassa 11. Järjestelmä koostuu kuivasta päästä ja märästä päästä. Kuiva pää koostuu pääasiassa mielivaltaisista signaaligeneraattoreista, tehovahvistimesta, vektorihydrofonin säätöpiiristä ja signaalin kerääjästä jne., joita käytetään signaalin generointiin, siirtoon ja hankintaan. Märkä pää koostuu pääasiassa lähettävästä muuntimesta, matalataajuisesta kaksiulotteisesta vektorihydrofonista ja näytteestä näytteen mittaamiseksi. Märkä pää sijoitetaan kaiuttomaan altaaseen, jonka geometrinen koko on 25 m×15 m×10 m, ja äänikeskus sijaitsee 5 m veden alla. Allas on vaimennettu kuudelta sivulta ja äänen absorption alaraja on 2 kHz. Testattava näyte on alumiinilevy, jonka geometrinen koko on 1m×1m×0,006 m. Lähetinanturi on ripustettu ajoneuvon reunaan uima-altaan yläpuolelle ja etäisyys H näytteestä on 4,95 m. Näyte on kiinnitetty nosto- ja pyörityslaitteeseen ja näytettä voidaan kääntää kulmassa mittauksen aikana ja siirtää tasaisesti kolmessa ulottuvuudessa. Vektorihydrofoni sijoitetaan näytteen etupäähän ja etäisyys d näytteen pinnasta on 5,5 cm. Lähettävä muunnin on sylinterimäinen äänilähde, ja kuvassa 12 on esitetty sen lähetysjännitteen vastekäyrä.

 

Kuvasta 12 voidaan nähdä, että lähettävällä muuntimella on huono säteilykyky alle 2,5 kHz. Matalataajuisen kaksiulotteisen vektorihydrofonin tehollinen työtaajuuskaista on 1 ~ 12 kHz. Käyttöönoton aikana vektori Vy -kanava osoittaa testattavaan näytteeseen ja Vx osoittaa poolin seinään. Lähetä ensin 16-kertainen näennäissatunnainen sekvenssi tunnistamista ja mittaamista varten.

 

Kuva 12 Lähettävän muuntimen lähetysjännitteen vastekäyrä

 

Järjestelmän siirtotoiminto ja suunnittelu käänteissuodatin. Kuvassa 13 on esitetty mittausjärjestelmän siirtofunktioiden tunnistustulokset. Kuvassa hp(f), hvx(f) ja hvy(f) ovat mittausjärjestelmän äänenpainekanavan, vektorin Vx-kanavan ja Vy-kanavan siirtofunktion mitatut arvot; hpinv(f), hvxinv(f) ja hvyinv(f) ovat suunnitellut käänteissuodattimen siirtofunktiot.

Kuvasta 13 voidaan nähdä, että vektorin Vx-kanavan siirtofunktion tunnistustulos on virheellinen. Tämä johtuu siitä, että yllä olevassa käyttöönottotilanteessa vektorihydrofonin Vx-kanavan 'kuoppa' on äänilähdettä päin, ja tämän kanavan vastaanottama signaali on vain pooli. Seinä heijastaa akustista signaalia, joten järjestelmän tunnistustulos on epätarkka. Säilytä lähettävän anturin avaruudellinen sijainti ja suunta vektorihydrofonianturi ennallaan, aseta näyte alas ja lähetä Butterworthin pulssi-akustinen signaali kaistanleveydellä 500–12,5 kHz. Kuva 14 esittää alkuperäistä dataa ja muunnettuja signaaliaaltomuotoja, jotka vektorihydrofonin jokainen kanava vastaanottaa. Kuvasta 14 voidaan nähdä, että signaalin aika-alueen aaltomuoto käänteissuodattimen korjauksen jälkeen muuttuu säännölliseksi ja energia keskittyy enemmän. Laske sitten suoran äänen ja heijastuneen äänen diffraktioäänen aikaviive näytteen reunasta mittausjärjestelmän tilaparametrien mukaan ja lisää ikkunat hyödyllisten tietojen sieppaamiseksi ja laske näytteen normaali äänen heijastuskerroin kuvan 15 mukaisesti.

Kuvassa 15 on esitetty mittaustulokset ennen ja jälkeen kompensoinnin. Voidaan nähdä, että kompensoimattoman mittausjärjestelmän siirtofunktion mittaustuloksessa on suuri virhe ja se on lähes virheellinen. Mittaustarkkuus paranee huomattavasti käänteisen suodattimen jälkikäsittelyn jälkeen. Kun taajuus on suurempi kuin 2,5 kHz, mittausvirhe käänteisen suodattimen korjauksen jälkeen on pieni ja alle 2,5 kHz:n mittaustuloksessa on suuri virhe. Syynä on se, että lähettävän muuntimen matalataajuinen lähetyskyky on rajallinen ja signaalin matalataajuiset komponentit uppoavat taustakohinaan, joten mittaustulos on huono.

 

4 Johtopäätös

Tässä artikkelissa ehdotetaan menetelmää vedenalaisten akustisten materiaalien normaalin akustisen heijastuskertoimen mittaamiseksi yhden vektorin hydrofonin perusteella. Tämä menetelmä pulssi.Yhdistelmä impulssi emission tekniikka, vektori signaalinkäsittelytekniikka ja post-inverse suodatin teknologian kautta post-inverse suodatintekniikka vastaanottaa vektori hydrofoni.

 

Data kompensoituu, mittausjärjestelmän siirtofunktion aiheuttama signaalin vääristymä vaimentuu ja näytteen reunadiffraktioääni ja monitie eliminoidaan aikatasolla. Signaalin häiriöt parantavat mittaustarkkuutta. Mittausperiaate päätellään teoreettisesti, mittausjärjestelmän virheen vaikutusta tutkitaan numeerisen laskennan ja simuloinnin avulla sekä tehdään kokeellista tutkimusta. Numeeriset laskenta- ja simulointitulokset osoittavat, että tässä artikkelissa kuvatulla mittausmenetelmällä on tiettyjä vaatimuksia signaali-kohinasuhteelle; Epätarkka ja epäherkkä järjestelmän käyttöönotto. Kokeelliset tulokset osoittavat, että tässä artikkelissa kuvattu menetelmä voi tehokkaasti toteuttaa vedenalaisten akustisten materiaalien normaalin akustisen heijastuskertoimen vapaan kentän laajamittaisen mittauksen, mutta lähettävän muuntimen matalataajuisen säteilykyvyn rajoituksesta johtuen matalataajuinen mittausvirhe on suhteellisen suuri.