Metode pengukuran koefisien refleksi akustik material akustik bawah air dengan hidrofon vektor tunggal

Tujuan mempelajari perubahan bentuk dan posisi geometri rentang fokus akustik cekung transduser ultrasonik bulat ketika intensitas suara tinggi dan media memiliki redaman yang besar. Dari perspektif akustik fisik, efek nonlinier dan redaman media yang disebabkan oleh intensitas suara tinggi pada rentang fokus suara dianalisis, dan algoritma superposisi linier integral digunakan untuk melakukan perhitungan simulasi numerik. Baik analisis teoretis maupun perhitungan numerik menunjukkan bahwa dengan peningkatan intensitas suara dan redaman medium, posisi geometris zona fokus akustik mengalami kenaikan tingkat milimeter sepanjang sumbu akustik ke arah transduser; pada saat yang sama, zona fokus akustik Bentuknya berangsur-angsur berubah dari ellipsoid panjang simetris menjadi ellipsoid pendek dengan 'kepala gemuk dan ekor tipis'.

 

Intensitas suara yang tinggi dan redaman sedang mempunyai pengaruh penting terhadap posisi dan bentuk daerah fokus suara pada transduser bola cekung. Pertimbangan penuh harus diberikan pada penempatan yang tepat dan kontrol dosis peralatan HIFU, perumusan standar inspeksi, dan bahkan penerapan klinis.

 

negara saya telah membuat terobosan luar biasa dalam pengembangan dan penerapan klinis peralatan ultrasonografi terfokus intensitas tinggi (peralatan ultrasonografi terfokus intensitas tinggi (HIFU)). Namun, untuk benar-benar mencapai posisi yang akurat dan kontrol dosis pengobatan pada peralatan, sehingga pengobatan klinis dapat mencapai efek ideal yaitu membunuh lesi secara efektif tanpa merusak jaringan normal di sekitarnya, masih banyak masalah teoritis dan teknis yang perlu dipelajari dan diselesaikan secara mendalam. Studi eksperimental dalam dan luar negeri tentang pembentukan kerusakan HIFU pada jaringan biologis telah menunjukkan bahwa dengan peningkatan intensitas suara, posisi zona fokus bergerak maju dan secara bertahap berubah dari ellipsoid panjang menjadi 'bentuk kecebong' atau 'bentuk kerucut'. Meskipun dalam beberapa tahun terakhir, literatur asing telah membuat beberapa penjelasan kualitatif untuk fenomena di atas dengan menyelesaikan persamaan rambat gelombang akustik nonlinier (persamaan KZK) secara numerik, namun prosedur penghitungannya rumit dan hubungan fisik dalam proses penghitungan tidak jelas. Oleh karena itu, makalah ini mengambil contoh transduser pemfokusan bola cekung, dan membahas masalah tersebut dengan mempelajari pengaruh redaman medium dan karakteristik propagasi nonlinier di bawah intensitas suara tinggi pada rentang fokus suara.

 

Dalam pekerjaan kami sebelumnya, berdasarkan integral difraksi Kirchhoff, kami telah memperoleh ekspresi tekanan suara di setiap titik dalam medan suara frekuensi tunggal di bawah kondisi medan suara linier dengan transduser pemfokusan bola cekung dengan radiasi seragam di permukaan (juga disebut titik Rayleigh).

 

Dari analisis teori akustik nonlinier, ketika tekanan suara gelombang sinus frekuensi tunggal yang dipancarkan dari permukaan transduser ke dalam medium cukup besar, maka disebut 'gelombang amplitudo terbatas', yang merambat pada jarak tertentu dalam medium (disebut jarak terputus-putus). ), bentuk gelombangnya akan terdistorsi menjadi gelombang gigi gergaji, yang juga dapat dianggap sebagai gelombang kejut. Selain frekuensi dasar emisi aslinya, spektrum frekuensi gelombang ini juga mencakup rangkaian harmonik yang lebih tinggi. Mereka dihasilkan secara bertahap dengan terus menerus menyerap energi dari gelombang fundamental selama perambatan gelombang suara, yaitu harmonik jaringan dalam pengobatan ultrasound. Koefisien amplitudo dapat digunakan untuk menggambarkan perambatan harmonik tingkat tinggi dengan jarak rambat dan hubungan perubahan energi selama perambatan.

 

Gelombang gigi gergaji membentuk jarak, sehingga merupakan besaran tak berdimensi yang mencerminkan jarak rambat. Berdasarkan hal ini, kami telah menghitung kurva koefisien amplitudo gelombang fundamental dan 3 harmonik pertama. Ketika gelombang suara merambat dalam medium, tekanan suara berkurang secara eksponensial terhadap jarak, yang dapat dinyatakan dalam bentuk. Untuk jaringan lunak umum, koefisien atenuasi TM kira-kira sebanding dengan frekuensi. Untuk menyederhanakan penghitungan, artikel ini menyatakan koefisien atenuasi setiap komponen harmonik dengan α adalah sistem redaman suara dari gelombang suara frekuensi dasar dalam jaringan biologis per satuan jarak.

 

 

Ini harus mencakup penyerapan suara dan hamburan jaringan. Setelah mempertimbangkan dua faktor di atas (non-linearitas dan redaman), ekspresi tekanan suara dalam bidang suara terfokus dapat diperluas ke bentuk berikut: adalah bilangan gelombang masing-masing harmonik. Rumus inilah yang kita sebut sebagai algoritma superposisi linier integral Rayleigh.

 

Hasil:

 

1 Pengaruh redaman medium terhadap rentang fokus bunyi. Parameter transduser bola cekung satuan yang digunakan dalam makalah ini adalah: jari-jari kelengkungan R = 15 cm, jari-jari bukaan a = 42 cm, frekuensi kerja f = 1,7 MHz. Dengan asumsi bahwa medianya adalah jaringan lunak umum, koefisien atenuasinya berada dalam kisaran rebusan 01-30dB (cm·Mz). Kecepatan suara, kepadatan dan parameter medium lainnya diambil sesuai dengan literatur yang relevan. Untuk mempelajari koefisien atenuasi sebagai faktor tunggal yang mempengaruhi, hanya satu frekuensi saja yaitu frekuensi fundamental yang perlu dihitung dan dianalisis hukum perubahan domain fokus bunyi dengan nilai α yang berbeda. Oleh karena itu, dalam rumus tersebut dilakukan serangkaian perhitungan numerik dengan mengambil M=1. Hasilnya menunjukkan bahwa dengan meningkatnya redaman, yaitu ketika α = 0,3, 13 dan 23dB rebusan (cm·Mhz), bentuk daerah fokus akustik -6dB secara bertahap berubah dari ellipsoid panjang menjadi ellipsoid pendek, dan sumbu panjang1 dan sumbu pendeknya.

 

2. Masing-masing berjumlah 111, 104, dan 92. Posisi zona fokus (posisi pada sumbu akustik), dua yang terakhir masing-masing berada 30mm dan 65mm di depan yang pertama sepanjang sumbu akustik transduser. Pada saat yang sama, kepala zona fokus (ujung yang dekat dengan transduser) lebih “gemuk” dibandingkan ekornya (ujung yang jauh dari transduser).

 

2 Pengaruh non-linearitas yang disebabkan oleh intensitas suara yang tinggi pada rentang fokus suara adalah sama, tekanan suara radiasi permukaan dianggap sebagai faktor tunggal, dan nilainya masing-masing 44, 73, 4 MPa, danα = 3dB stew (cm·MHz). Mengingat redaman medium meningkat pesat seiring dengan meningkatnya frekuensi harmonik, maka jumlah harmonisa tidak perlu terlalu banyak. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa: dengan meningkatnya tekanan suara radiasi permukaan, posisi dan bentuk zona fokus berubah, tidak seperti ketika koefisien atenuasi berubah. Besar sekali, tetapi hukum perubahannya serupa. Artinya, posisi dua area fokus terakhir dimajukan masing-masing sebesar 16mm dan 21mm; rasio sumbu panjang dan pendek area fokus 6dB masing-masing adalah 119, 116, dan 113, dan kepala area fokus juga cenderung menjadi 'gemuk'.

 

3 Efek gabungan dari redaman dan nonlinier pada rentang fokus suara.

Kedua faktor di atas secara bersamaan dimasukkan ke dalam rumus (3) untuk perhitungan. Gambar 3(a) dan Gambar 3(b) masing-masing menunjukkan bahwa α=3dB rebusan (cm·MHz), P′ 0=44MPa dan α=2.3dB rebusan (cm·MHz), P′0=44MPa

Saat mempertimbangkan redaman dan efek nonlinier secara bersamaan, kontur garis tekanan iso-suara di zona fokus adalah hasil perhitungan pada gambar. Dibandingkan dengan keduanya, posisi zona fokus telah maju sebesar 8,4 mm, dan rasio sumbu mayor dan minor zona fokus telah berubah dari 11,9 menjadi 8,5. Hal ini menunjukkan bahwa tren perubahan zona fokus yang disebabkan oleh koefisien atenuasi dan nonlinier adalah sama, sehingga pengaruh keseluruhannya diperkuat.

 

 

sebagai kesimpulan

Hasil analisis dan perhitungan teoritis dalam makalah ini menunjukkan bahwa: intensitas suara tinggi dan redaman sedang mempunyai pengaruh penting terhadap bentuk dan posisi zona fokus suara; semakin besar koefisien atenuasi medium, semakin tinggi intensitas suara (yaitu, semakin kuat nonliniernya), dan fokus suara Semakin dekat medan ke transduser; perbandingan sumbu panjang dan pendek bidang fokus juga menjadi lebih kecil, yaitu bentuknya berangsur-angsur berubah dari ellipsoid panjang menjadi ellipsoid pendek, dan kepala daerah fokus bunyi menjadi “gemuk” dibandingkan ekor. Fenomenanya, bentuknya cenderung 'wortel'. Kesimpulan di atas memberikan dasar untuk menganalisis secara kuantitatif hukum perubahan area fokus suara pada bidang suara HIFU, dan mempelajari lebih lanjut hubungan antara area fokus suara dan area kerusakan.

 

Metode pengukuran sampel besar koefisien refleksi akustik bahan akustik bawah air dengan hidrofon vektor tunggal

 

Untuk mewujudkan pengukuran broadband medan bebas dari koefisien refleksi akustik normal bahan akustik bawah air, hidrofon vektor tunggal digunakan sebagai peralatan inti sistem pengukuran, dikombinasikan dengan teknologi emisi akustik pulsa dan teknologi pemrosesan sinyal filter pasca-invers, hidrofon vektor tunggal berdasarkan hidrofon vektor tunggal diusulkan. Metode pengukuran broadband medan bebas dari koefisien refleksi akustik normal bahan akustik bawah air dari bahan akustik bawah air, melalui teknologi rotasi elektronik vektor hidrofon untuk mewujudkan pemisahan efektif suara langsung dan suara yang dipantulkan. Pengaruh kesalahan sistem pengukuran dan rasio signal-to-noise dari sinyal yang diterima terhadap hasil pengukuran dibahas. Metode ini memiliki persyaratan tertentu untuk rasio signal-to-noise, namun tidak sensitif terhadap kesalahan sistem pengukuran. Hasil pengujian eksperimental menunjukkan bahwa: Dibandingkan dengan hasil pengujian eksperimental tanpa pemrosesan penyaringan pasca-invers, metode yang dijelaskan dalam artikel secara signifikan meningkatkan kinerja pengukuran, namun dibatasi oleh kemampuan emisi frekuensi rendah dari transduser transmisi, hasil eksperimen berada di atas 2,5 kHz dan Nilai teoritis sesuai dengan baik.

 

Koefisien refleksi akustik merupakan parameter penting yang mencirikan kinerja akustik material akustik bawah air. Saat ini, metode pengukuran koefisien refleksi akustik bahan akustik bawah air secara kasar dapat dibagi menjadi metode tabung akustik laboratorium sampel kecil dan metode pengukuran lapangan bebas sampel besar. Pengukuran lapangan bebas sampel besar umumnya dilakukan di kolam anechoic yang besar. Dengan meletakkan material peredam pada batas kolam untuk menyerap bunyi pantulan batas kolam, maka sinyal yang diterima hidrofon hanya berupa bunyi langsung dan bunyi pantulan sampel. Namun, karena keterbatasan batas bawah kumpulan anechoic, efek multipath frekuensi rendah terlihat jelas; selain itu, metode pengukuran medan bebas sebagian besar terganggu oleh efek difraksi tepi sampel, dan gangguan ini sangat serius pada pita frekuensi rendah. Untuk mengatasi permasalahan di atas, teknologi pengujian suara impuls banyak digunakan dalam pengukuran parameter akustik material akustik bawah air. Ini adalah teknologi utamanya untuk mengirimkan sinyal akustik berdenyut dengan bentuk gelombang yang dapat dikontrol dan tanpa distorsi. Namun, fungsi transfer transduser transmisi membatasi frekuensi yang lebih rendah dari teknologi pengujian suara impuls dalam ruang pengukuran yang terbatas. Untuk alasan ini, berbagai metode kompensasi telah diusulkan, seperti metode superposisi pulsa broadband yang diusulkan oleh Li Shui et al. Metode ini menggunakan teknologi penyaringan terbalik untuk melakukan pra-proses sinyal eksitasi dari transduser transmisi untuk mengkompensasi fungsi transmisi dari transduser transmisi, sehingga sinyal yang dipancarkan oleh transduser transmisi adalah pulsa tajam yang ideal, yang secara efektif mengurangi frekuensi batas bawah pengukuran.

 

Berbeda dari metode di atas, 'teknologi penyaringan pasca-invers' memproses sinyal di ujung penerima hidrofon untuk mencapai tujuan mengkompensasi respons frekuensi transduser transmisi. 'Teknologi filter pasca-terbalik' diadopsi dalam tabung akustik untuk mencapai pengukuran broadband dari koefisien penyerapan suara bahan akustik bawah air . Metode ini pertama-tama memperoleh fungsi alih sistem pengukuran, kemudian mengkompensasi sinyal observasi, dan terakhir memperoleh koefisien refleksi akustik sampel dengan membagi spektrum amplitudo sinyal observasi terkompensasi dengan spektrum amplitudo sinyal refleksi sampel standar, dan selanjutnya menghitung serapan Koefisien suara. Dalam beberapa tahun terakhir, sensor vektor telah berhasil diterapkan pada pengukuran parameter akustik material aeroakustik, seperti metode impedansi permukaan dan metode intensitas suara. Hidrofon vektor dapat mengambil informasi medan suara secara sinkron dan pada titik yang sama, yang memperluas ruang pemrosesan pasca-sinyal, dan pemrosesan gabungan sinyal tekanan suara dan kecepatan getaran dapat membentuk pengarahan spasial tertentu, yang dapat mengganggu suara difraksi dari tepi sampel. Sampai tingkat penekanan tertentu, tidak perlu menggunakan rangkaian penerima tekanan suara besar konvensional, yang mengurangi kompleksitas sistem pengukuran. Pada saat yang sama, arah maksimum keluaran dari pemrosesan gabungan tekanan suara dan kecepatan getaran hidrofon vektor dapat diarahkan ke arah yang telah ditentukan melalui teknologi rotasi elektronik, yang memfasilitasi pengelupasan suara langsung dan suara pantulan secara efektif. Selain itu, hidrofon vektor juga memiliki keunggulan berupa directivity frekuensi rendah yang baik dan ketahanan terhadap noise isotropik. Oleh karena itu, dibandingkan dengan hidrofon tekanan suara tradisional, penggunaan hidrofon vektor untuk menguji koefisien pantulan suara suatu bahan memiliki keunggulan tertentu. Makalah ini menyajikan metode pengukuran pita lebar untuk koefisien refleksi akustik normal material akustik bawah air dengan sampel medan bebas yang besar. Metode ini menggunakan hidrofon vektor tunggal sebagai peralatan inti sistem pengukuran, menggabungkan teknologi emisi akustik berdenyut dan teknologi penyaringan pasca-terbalik untuk menekan distorsi bentuk gelombang sinyal, menghilangkan suara difraksi tepi sampel dan suara interferensi multi-jalur dalam domain waktu, dan kemudian melewati Teknologi rotasi elektronik dari hidrofon vektor mewujudkan pemisahan efektif suara langsung dan suara yang dipantulkan, dan akhirnya koefisien refleksi suara normal sampel diperoleh dengan membagi keduanya.

 

1 Proses pengukuran

Untuk menjelaskan prinsip pengukuran metode ini, sekaligus menjelaskan proses pengukuran, diberikan turunan rumus dan hasil simulasi terkait.

 

1.1 Identifikasi fungsi transfer dan desain filter terbalik dari sistem pengukuran Sebelum pengujian sampel, fungsi transfer dari sistem pengukuran harus diperoleh terlebih dahulu. Berbeda dengan hidrofon tekanan suara tradisional, hidrofon vektor mencakup saluran tekanan suara dan saluran kecepatan getaran, sehingga fungsi transfer setiap saluran pengukuran hidrofon vektor perlu diperoleh secara bersamaan. Selama pengukuran, sinyal pulsa ideal dipancarkan ke media air melalui transduser pemancar, kemudian ditransmisikan ke titik penerima melalui saluran hidroakustik, dan akhirnya diterima oleh hidrofon vektor dan dikumpulkan oleh kolektor. Oleh karena itu, sistem pengukuran dapat dibagi menjadi tiga bagian, yaitu sistem pemancar sinyal, saluran akustik bawah air, dan sistem penerima sinyal. Mengambil contoh saluran tekanan suara, model sinyal yang diterima ditunjukkan pada Gambar 1.

Pada Gambar 1, s(f) adalah spektrum sinyal yang ditransmisikan, T(f), Hp(f) dan R(f) masing-masing adalah fungsi transfer dari sistem transmisi, saluran hidroakustik tekanan suara dan sistem penerima sinyal, dan N(f) adalah spektrum kebisingan latar belakang, Y(f) adalah spektrum sinyal keluaran dari sistem pengukuran. Teknik pemfilteran pasca-invers adalah merancang filter invers untuk mengkompensasi T(f) dan R(f) ketika fungsi transfer sistem pengukuran diketahui. Ambil saluran tekanan suara sebagai contoh untuk menggambarkan prinsip dasar identifikasi fungsi transfer sistem pengukuran. Metode 1 Perhatikan sistem pemancar sinyal dan sistem penerima sinyal secara keseluruhan, yaitu H(f) = T(f) + R(f). Sinyal masukan adalah x(t), sinyal keluaran sistem adalah y(t), kebisingan latar belakang adalah n(t), Y(f) = H(f) X(f) + N(f) (1) di mana, X(f), Y(f) dan N(f) masing-masing adalah transformasi Fourier dari sinyal masukan sistem x(t), sinyal keluaran sistem y(t) dan kebisingan latar belakang n(t). Setelah dilakukan perhitungan, estimasi nilai H(f) adalah ^H(f) =Gxy(f)Gxx(f) (2) dimana Gxy(f) adalah spektrum daya silang dari sinyal masukan dan sinyal keluaran sistem, dan Gxx( f) adalah spektrum daya sendiri dari sinyal masukan sistem.

 

Selain metode identifikasi sistem pengukuran di atas, teknik identifikasi urutan pseudo-acak juga dapat digunakan. Metode 2 Misalkan sinyal masukan x(t) dari sistem pengukuran adalah barisan pseudo-acak (urutan MLS), dan sinyal keluaran sistem adalah y(t). Jelasnya, y(t) = x(t) * h(t) (3) di mana , * Berarti konvolusi, h(t) adalah fungsi respons impuls satuan sistem. Hitung fungsi korelasi antara sinyal masukan dan sinyal keluaran sistem, rxy = ∫x(τ) y(τ-t) dτ = h(t) * rxx(t) (4) dengan rxy adalah korelasi silang antara masukan dan keluaran sistem Fungsi, rxx adalah fungsi autokorelasi sinyal masukan. Karena barisan MLS mempunyai karakteristik autokorelasi yang lebih baik yaitu rxx(n) = δ(n)-1L + 1 . dimana L = 2m-1 adalah panjang barisan, dan m adalah barisan barisan pseudo-acak. Sangat mudah untuk melihat bahwa nilai taksiran fungsi respon impuls satuan sistem ^h(t) adalah ^h(t) ≈ rxy (6) Selanjutnya Transformasi Fourier dapat diperoleh nilai taksiran ^H(f) dari fungsi alih sistem dari sistem pengukuran. Setelah memperoleh ^H (f), rancang filter invers H-1( f) dalam domain frekuensi sebagai Hpost( f) =^H( f)| ^H( f) | 2 + q( 7) dimana , Q adalah bilangan normal, umumnya 1% dari nilai maksimum | ^H (p) | 2. Kondisi simulasi 1 Transduser pemancar dan hidrofon ditempatkan dalam kolam anechoic pada kedalaman yang sama, jarak antara keduanya adalah 1 m, dan sinyal yang ditransmisikan adalah rangkaian MLS 16 orde. Metode 1 dan metode 2 masing-masing digunakan untuk mengidentifikasi sistem. Rasionya adalah 10, 20 dan 30 dB. Menilai kelebihan dan kekurangan hasil identifikasi fungsi transfer kedua metode pada rasio signal-to-noise yang berbeda. Dalam simulasi, fungsi respon impuls satuan sistem disimulasikan dengan menambahkan pulsa Gaussian dengan frekuensi pusat 1, 2, 4 dan 8 kHz.

 

Gambar 3 menunjukkan hasil identifikasi fungsi alih sistem pengukuran pada kondisi di atas. Terlihat dari gambar bahwa kedua metode identifikasi sistem yang dijelaskan dalam artikel ini secara efektif dapat memperoleh fungsi alih sistem pengukuran. Namun, metode 1 memiliki persyaratan tertentu pada rasio signal-to-noise. Jika rasio signal-to-noise lebih besar dari 30 dB maka hasil identifikasinya akurat. Hasil identifikasi sistem metode 2 lebih baik dibandingkan metode 1, dan hasil identifikasi presisi tinggi masih dapat diperoleh dalam kondisi rasio signal-to-noise rendah. Hal ini dikarenakan kebisingan latar belakang memiliki korelasi yang kecil dengan sinyal eksitasi sumber suara, sehingga metode ini memiliki kemampuan anti kebisingan tertentu. Berikut analisis efektivitas metode pengukuran yang dijelaskan dalam artikel ini melalui simulasi dan perhitungan numerik.

 

1.2 Pengolahan data observasi

1) Memperoleh data observasi. Diagram prinsip pengukuran sensor transduser akustik bawah air  ditunjukkan pada Gambar 4. Pada gambar, ri adalah jalur bunyi langsung, dan jarak hidrofon vektor ke sampel adalah d, jalur bunyi pantul adalah ri + 2d, re = rs + rr adalah lintasan bunyi terdifraksi, rq adalah lintasan bunyi pantulan pada batas kolam, pi adalah bunyi langsung, pr adalah bunyi pantulan, pe adalah bunyi terdifraksi di tepi sampel, pq Merupakan bunyi interferensi multi arah.

 

Misalkan spektrum sinyal eksitasi dari transduser transmisi adalah s(f), dan impedansi karakteristik medium diabaikan. Tanpa kehilangan keumumannya, ekspresi domain frekuensi dari sinyal yang diterima oleh hidrofon vektor dua dimensi adalah 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) Dalam rumusnya, Rs(f) adalah koefisien refleksi akustik sampel yang bergantung pada frekuensi gelombang suara dan sudut datang, D(f) adalah koefisien difraksi tepi sampel, Rq(f) adalah koefisien refleksi batas kumpulan, τr, τe dan τq masing-masing adalah waktu tunda bunyi pantulan, bunyi difraksi tepi sampel, bunyi pantulan batas kumpulan, dan bunyi langsung. θi, θr, θe dan θq masing-masing adalah bunyi langsung, bunyi pantulan, bunyi difraksi tepi sampel, dan bunyi pantulan batas kumpulan. Sudut datang gelombang bunyi, Hpt(f), Hvxt(f) dan Hvxt(f) masing-masing mewakili fungsi transfer setiap saluran pengukuran sistem pengukuran.

 

2) Sistem pengukuran kompensasi fungsi alih. Lipat gandakan filter invers yang dirancang dengan spektrum frekuensi data pengamatan saluran yang sesuai untuk mendapatkan sinyal kompensasi. Spektrum frekuensi Ppost(f), Vxpost(f) dan Vypost(f) adalah 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)

 

Kondisi simulasi 2 Misalkan kedalaman kolam adalah 10 m, transduser peluncuran, hidrofon vektor dan kedalaman air h sampel yang akan diuji adalah 5 m. Jarak H dari transduser pemancar ke sampel adalah 15 m, jarak d dari hidrofon vektor ke sampel adalah 10 cm, sinyal pemancar adalah sinyal akustik pulsa Butterworth, bandwidth sinyal 500-10 kHz, dan frekuensi sampling fs = 131.072 Hz dan rasio signal-to-noise 30 dB. Ambil saluran tekanan suara sebagai contoh untuk memverifikasi efektivitas kompensasi filter pasca-invers. Dalam simulasi, sampel yang akan diuji adalah pelat aluminium dengan ketebalan 0,006 m dan ukuran geometri 1 m×1 m. Koefisien difraksi tepi sampel disimulasikan dengan filter low-pass.

Gambar 5 menunjukkan efek kompensasi filter pasca-invers saluran tekanan suara. Gambar tersebut menunjukkan bahwa bentuk gelombang sinyal setelah kompensasi lebih teratur dan halus, yang secara efektif menekan distorsi sinyal yang disebabkan oleh fungsi transfer sistem pengukuran dan membantu menghilangkan interferensi seperti suara difraksi tepi.

 

3) Hilangkan gangguan suara. Hitung waktu tunda suara yang dipantulkan, suara difraksi sampel, dan suara pantulan batas kumpulan sesuai dengan parameter penerapan sistem pengukuran, dan lakukan transformasi Fourier terbalik dari persamaan (9) untuk mendapatkan sinyal domain waktu, kemudian tambahkan jendela untuk mencegat sinyal yang berguna, dan melakukan transformasi Fourier Leaf, kita mendapatkan 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)] di mana Pc(f), Vxc(f) dan Vyc(f) masing-masing merupakan spektrum sinyal dari setiap saluran. Pisahkan bunyi langsung dan bunyi pantulan, dan dapatkan koefisien pantulan bunyi sampel. Misalkan azimuth pemandu vektor hidrofon adalah ψ, dan kecepatan partikel komposit yang dihitung Vc adalah Vc( f) = Vxc( f) cos( ψ) + Vyc( f) sin( ψ) (11) Pertama, arahkan azimuth pemandu ke pemancar Misalkan ψ = 0, dan lakukan pemrosesan gabungan (p + vc) 2, hilangkan istilah umum s( f), dan dapatkan output pemrosesan gabungan Ii sebagai Ii = [Pc( f) + Vc( f)] 2ψ = 0 = 4 (12) Arahkan kembali azimuth pemandu ke sampel, misalkan ψ = π, dan lakukan pemrosesan gabungan (p + vc) 2 untuk mendapatkan keluaran pemrosesan gabungan Ir = [Pc( f) + Vc( f)] 2ψ = π = 4 ［R2s( f) e－2jωτr］

 

2 Analisis kesalahan pengukuran

Kondisi simulasi 3 Parameter sistem pengukuran tetap tidak berubah, sinyal yang ditransmisikan adalah sinyal akustik berdenyut Butterworth, dan bandwidth sinyal adalah 500 ~ 10 kHz. Tanpa mempertimbangkan efek difraksi tepi sampel dan pengaruh suara pantulan pada batas kumpulan, rasio signal-to-noise dibahas. Jika 20, 30 dan 40 dB, hasil pengukuran berubah seiring frekuensi. Hasil pengukuran dan kurva kesalahan relatif pengukuran pada rasio signal-to-noise yang berbeda ditampilkan. Dapat dilihat dari gambar bahwa kesalahan relatif pengukuran dilemahkan dengan osilasi frekuensi, dan pita frekuensi rendah sangat dipengaruhi oleh rasio signal-to-noise; selain itu, bila rasio signal-to-noise 20 dB, tren perubahan hasil pengukuran sama dengan nilai teoritis, namun hasil pengukuran mempunyai error yang lebih besar; Rendah Kesalahan pengukuran pita frekuensi yang besar disebabkan oleh koefisien refleksi akustik yang kecil, dan fluktuasi yang kecil dapat menyebabkan kesalahan relatif yang besar. Pada pengujian sebenarnya, selain rasio signal-to-noise, kesalahan penempatan sistem pengukuran juga akan berdampak pada hasil pengukuran. Simulasi berikut menganalisis dampak kesalahan penempatan sistem pengukuran. Kondisi simulasi 4 Parameter sistem pengukuran tetap tidak berubah, terlepas dari gangguan seperti kebisingan latar belakang dan difraksi tepi sampel. Jarak H dari sumber bunyi ke sampel masing-masing adalah 5, 10, dan 15 m. Dibahas bila jarak d dari vektor hidrofon ke sampel adalah 10 Hasil pengukuran pada % error. Hasil pengukuran diberikan bila jarak H dari transduser pemancar ke sampel berbeda, dan jarak d dari hidrofon vektor ke sampel mempunyai error 10%. Gambar tersebut menunjukkan bahwa hasil pengukuran tidak peka terhadap kesalahan jarak antara vektor hidrofon dan sampel; H Hasil pengukuran hampir tidak terjadi secara bersamaan. Terlihat bahwa pada pengujian sebenarnya hanya perlu memilih H yang sesuai dengan ukuran geometrik kolam ukur. Kondisi simulasi 5 Parameter sistem pengukuran tetap tidak berubah, terlepas dari interferensi dari kebisingan latar belakang dan difraksi tepi sampel. Jarak d dari hidrofon vektor ke sampel masing-masing adalah 5, 10, dan 15 cm, dan jarak H dari transduser pemancar ke sampel adalah 15 m, bahaslah hasil pengukuran bila terdapat kesalahan 1% pada jarak H dari transduser pemancar ke sampel. Hasil pengukuran diberikan bila jarak d dari hidrofon vektor ke sampel berbeda, dan jarak H dari transduser pemancar ke sampel mempunyai kesalahan 1%. Dari gambar tersebut terlihat bahwa hasil pengukuran dan nilai teoritis mempunyai trend yang sama dengan frekuensi, dan semakin tinggi frekuensinya maka semakin tinggi pula frekuensinya. Hasilnya lebih akurat dan metode pengukuran ini tidak sensitif terhadap kesalahan jarak antara hidrofon vektor dengan sampel.

3 Penelitian eksperimental dan pengolahan data

 

Diagram blok komposisi perangkat keras dari sistem pengukuran ditunjukkan pada Gambar 11. Sistem terdiri dari ujung kering dan ujung basah. Ujung kering terutama terdiri dari generator sinyal sewenang-wenang, penguat daya, rangkaian pengkondisian hidrofon vektor dan pengumpul sinyal, dll., yang digunakan untuk pembangkitan sinyal, transmisi dan akuisisi. Ujung basah terutama terdiri dari transduser transmisi, hidrofon vektor dua dimensi frekuensi rendah, dan sampel untuk mengukur sampel. Ujung basah ditempatkan pada kolam anechoic dengan ukuran geometris 25 m×15 m×10 m, dan pusat suara terletak 5 m di bawah air. Kolam teredam di enam sisi, dan batas bawah penyerapan suara adalah 2 kHz. Benda uji yang akan diuji adalah pelat alumunium dengan ukuran geometri 1m×1m×0,006 m. Transduser pemancar digantung di tepi kendaraan di atas kolam, dan jarak H dari sampel adalah 4,95 m. Sampel dipasang pada alat pengangkat dan pemutar, dan sampel dapat diputar pada suatu sudut selama pengukuran dan dipindahkan dengan lancar dalam tiga dimensi. Hidrofon vektor diletakkan di ujung depan sampel, dan jarak d dari permukaan sampel adalah 5,5 cm. Transduser transmisi adalah sumber suara berbentuk silinder, dan Gambar 12 menunjukkan kurva respons tegangan transmisinya.

 

Terlihat dari Gambar 12 bahwa transduser pemancar memiliki kemampuan radiasi yang buruk di bawah 2,5 kHz. Pita frekuensi kerja efektif hidrofon vektor dua dimensi frekuensi rendah adalah 1 ~ 12 kHz. Selama penerapan, saluran vektor Vy menunjuk ke sampel yang akan diuji, dan Vx menunjuk ke dinding kumpulan. Pertama-tama kirimkan urutan pseudo-acak 16 urutan untuk mengidentifikasi dan mengukur.

 

Gambar 12 Kurva respons tegangan transmisi dari transduser transmisi

 

Fungsi transfer sistem, dan desain filter terbalik. Gambar 13 menunjukkan hasil identifikasi fungsi alih sistem pengukuran. Pada gambar, hp(f), hvx(f) dan hvy(f) masing-masing adalah nilai terukur dari fungsi transfer saluran tekanan suara, saluran vektor Vx dan saluran Vy dari sistem pengukuran; hpinv( f), hvxinv(f) dan hvyinv(f) masing-masing merupakan fungsi transfer filter terbalik yang dirancang.

Terlihat dari Gambar 13 hasil identifikasi fungsi alih saluran vektor Vx tidak valid. Hal ini karena pada situasi penyebaran di atas, 'lubang' saluran vektor hidrofon Vx menghadap sumber suara, dan sinyal yang diterima saluran ini hanyalah kumpulan. Dinding tersebut memantulkan sinyal akustik sehingga hasil identifikasi sistem tidak akurat. Jaga posisi spasial dan orientasi transduser transmisi dan transduser hidrofon vektor tidak berubah, meletakkan sampel, dan mengirimkan sinyal akustik berdenyut Butterworth dengan bandwidth 500 hingga 12,5 kHz. Gambar 14 menunjukkan data asli dan bentuk gelombang sinyal yang dimodifikasi yang diterima oleh setiap saluran hidrofon vektor. Terlihat dari Gambar 14 bahwa bentuk gelombang domain waktu sinyal setelah koreksi filter terbalik menjadi teratur dan energinya lebih terkonsentrasi. Kemudian hitung waktu tunda bunyi langsung dan bunyi difraksi bunyi pantulan dari tepi sampel sesuai dengan parameter tata letak spasial sistem pengukuran, dan tambahkan jendela untuk mencegat data yang berguna, dan hitung koefisien pantulan bunyi normal sampel seperti yang ditunjukkan pada Gambar 15.

Gambar 15 menunjukkan hasil pengukuran sebelum dan sesudah kompensasi. Terlihat bahwa hasil pengukuran fungsi alih sistem pengukuran tanpa kompensasi mempunyai error yang besar dan hampir tidak valid. Akurasi pengukuran meningkat pesat setelah pemrosesan filter pasca-invers. Ketika frekuensi lebih besar dari 2.5kHz, kesalahan pengukuran setelah koreksi filter pasca-invers kecil, dan hasil pengukuran di bawah 2.5kHz memiliki kesalahan besar. Alasannya adalah kemampuan transmisi frekuensi rendah dari transduser transmisi terbatas, dan komponen sinyal frekuensi rendah terendam dalam kebisingan latar belakang, sehingga hasil pengukurannya buruk.

 

4 Kesimpulan

Makalah ini mengusulkan metode untuk mengukur koefisien refleksi akustik normal bahan akustik bawah air berdasarkan hidrofon vektor tunggal. Metode ini akan berdenyut. Kombinasi teknologi emisi impuls, teknologi pemrosesan sinyal vektor, dan teknologi filter pasca-invers, melalui teknologi filter pasca-invers untuk menerima hidrofon vektor.

 

Data dikompensasi, distorsi sinyal yang disebabkan oleh fungsi transfer sistem pengukuran ditekan, dan suara difraksi tepi serta multipath sampel dihilangkan dalam domain waktu. Interferensi sinyal meningkatkan akurasi pengukuran. Prinsip pengukuran disimpulkan secara teoritis, pengaruh kesalahan sistem pengukuran dipelajari melalui perhitungan numerik dan simulasi, dan penelitian eksperimental dilakukan. Hasil perhitungan dan simulasi numerik menunjukkan bahwa metode pengukuran yang dijelaskan dalam artikel ini memiliki persyaratan tertentu untuk rasio signal-to-noise; Penerapan sistem yang tidak akurat dan tidak sensitif. Hasil percobaan menunjukkan bahwa metode yang dijelaskan dalam makalah ini dapat secara efektif mewujudkan pengukuran skala besar medan bebas dari koefisien refleksi akustik normal bahan akustik bawah air, namun karena keterbatasan kemampuan radiasi frekuensi rendah dari transduser transmisi, kesalahan pengukuran frekuensi rendah relatif besar.