Metodo di misura del coefficiente di riflessione acustica di materiali acustici subacquei con idrofono a vettore singolo

Obiettivo è studiare i cambiamenti nella forma e nella posizione geometrica del campo focale acustico del concavo trasduttore ultrasonico sferico quando l'intensità del suono è elevata e il mezzo ha una grande attenuazione. Dal punto di vista dell'acustica fisica, vengono analizzati gli effetti della non linearità e dell'attenuazione dei media causati dall'elevata intensità del suono sulla gamma focale del suono e l'algoritmo di sovrapposizione lineare dell'integrale viene utilizzato per eseguire calcoli di simulazione numerica. Sia l'analisi teorica che il calcolo numerico mostrano che all'aumentare dell'intensità sonora e dell'attenuazione media, la posizione geometrica della zona focale acustica presenta un avanzamento millimetrico lungo l'asse acustico in direzione del trasduttore; allo stesso tempo, la zona focale acustica. La forma cambiò gradualmente da un lungo ellissoide simmetrico a un corto ellissoide con una 'testa grassa e coda sottile'.

 

L'elevata intensità del suono e l'attenuazione media hanno un'influenza importante sulla posizione e sulla forma della regione focale del suono del trasduttore sferico concavo. Dovrebbe essere data piena considerazione al posizionamento preciso e al controllo della dose delle apparecchiature HIFU, alla formulazione degli standard di ispezione e persino all'applicazione clinica.

 

il mio paese ha fatto notevoli progressi nello sviluppo e nell’applicazione clinica degli ultrasuoni focalizzati ad alta intensità (apparecchiature per ultrasuoni focalizzati ad alta intensità (HIFU)). Tuttavia, per ottenere veramente un posizionamento accurato e un controllo della dose di trattamento sull'apparecchiatura, in modo che il trattamento clinico possa ottenere l'effetto ideale di uccidere efficacemente la lesione senza danneggiare i tessuti normali circostanti, ci sono ancora molte questioni teoriche e tecniche che devono essere studiate e risolte in modo approfondito. Studi sperimentali nazionali ed esteri sulla formazione di danni da HIFU nei tessuti biologici hanno dimostrato che con l'aumento dell'intensità del suono, la posizione della zona focale si sposta in avanti e cambia gradualmente da un lungo ellissoide a una 'forma di girino' o una 'forma di cono'. Sebbene negli ultimi anni la letteratura straniera abbia fornito alcune spiegazioni qualitative per il fenomeno di cui sopra risolvendo numericamente l'equazione della propagazione non lineare delle onde acustiche (equazione KZK), la procedura di calcolo è complicata e la relazione fisica nel processo di calcolo non è chiara. Per questo motivo, questo articolo prende come esempio il trasduttore di focalizzazione sferico concavo e discute il problema studiando l'influenza dell'attenuazione media e delle caratteristiche di propagazione non lineare in condizioni di elevata intensità sonora sulla gamma focale del suono.

 

Nel nostro lavoro precedente, basato sull'integrale di diffrazione di Kirchhoff, abbiamo derivato l'espressione della pressione sonora in qualsiasi punto del campo sonoro a singola frequenza sotto la condizione di un campo sonoro lineare con un trasduttore di focalizzazione sferico concavo con radiazione uniforme sulla superficie (chiamato anche punti di Rayleigh).

 

Dall'analisi della teoria dell'acustica non lineare, quando la pressione sonora dell'onda sinusoidale a frequenza singola irradiata dalla superficie del trasduttore nel mezzo è sufficientemente grande, viene chiamata 'onda di ampiezza finita', che si propaga per una certa distanza nel mezzo (chiamata distanza discontinua). ), la forma d'onda verrà distorta in un'onda a dente di sega, che può anche essere considerata un'onda d'urto. Lo spettro di frequenze di quest'onda comprende oltre alla frequenza fondamentale dell'emissione originaria anche una serie di armoniche superiori. Vengono generati gradualmente assorbendo continuamente energia dall'onda fondamentale durante la propagazione delle onde sonore, ovvero le armoniche tissutali nella medicina ecografica. Il coefficiente di ampiezza può essere utilizzato per descrivere la propagazione delle armoniche di ordine superiore con la distanza di propagazione e la relazione dei cambiamenti di energia durante la propagazione.

 

L'onda a dente di sega forma una distanza, quindi è una quantità adimensionale che riflette la distanza di propagazione. In base a ciò abbiamo calcolato la curva del coefficiente di ampiezza dell'onda fondamentale e delle prime 3 armoniche. Quando l'onda sonora si propaga nel mezzo, la pressione sonora decade in modo esponenziale con la distanza, cosa che può essere espressa in una forma. Per i tessuti molli in generale, il coefficiente di attenuazione TM è approssimativamente proporzionale alla frequenza. Per semplificare il calcolo, questo articolo esprime il coefficiente di attenuazione di ciascuna componente armonica come dove α è il sistema di attenuazione sonora dell'onda sonora a frequenza fondamentale nei tessuti biologici per unità di distanza.

 

 

Dovrebbe includere l'assorbimento acustico e la dispersione del tessuto. Dopo aver considerato i due fattori sopra indicati (non linearità e attenuazione), l'espressione della pressione sonora nel campo sonoro focalizzato può essere estesa alla seguente forma: è il numero d'onda di ciascuna armonica. Questa formula è ciò che chiamiamo algoritmo di sovrapposizione lineare dell'integrale di Rayleigh.

 

Risultato:

 

1 Influenza dell'attenuazione media sulla gamma focale del suono. I parametri dell'unità trasduttore sferico concavo utilizzato in questo articolo sono: raggio di curvatura R = 15 cm, raggio di apertura a = 42 cm, frequenza di lavoro f = 1,7 MHz. Supponendo che il mezzo sia un tessuto molle generico, il suo coefficiente di attenuazione α è compreso tra 01 e 30 dB (cm·Mz). La velocità del suono, la densità e altri parametri del mezzo sono presi secondo la letteratura pertinente. Per studiare il coefficiente di attenuazione come singolo fattore di influenza, è necessario calcolare e analizzare solo una singola frequenza, vale a dire la frequenza fondamentale, per la legge di cambiamento del dominio del fuoco del suono con diversi valori α. Per questo motivo nella formula sono stati effettuati una serie di calcoli numerici ponendo M=1. I risultati mostrano che con l'aumento dell'attenuazione, cioè quando α = 0,3, 13 e 23 dB (cm·Mhz), la forma della regione focale acustica a -6 dB cambia gradualmente da un ellissoide lungo a un ellissoide corto, e il suo asse lungo1 e asse corto .

 

2.Sono rispettivamente 111, 104 e 92. La posizione della zona focale (posizione sull'asse acustico), le ultime due sono rispettivamente 30mm e 65mm davanti alla prima lungo l'asse acustico del trasduttore. Allo stesso tempo, la testa della zona focale (l'estremità vicina al trasduttore) è più 'grassa' della sua coda (l'estremità lontana dal trasduttore).

 

2 L'effetto della non linearità causata dall'elevata intensità del suono sulla gamma di fuoco del suono è lo stesso, la pressione sonora della radiazione superficiale è considerata come un singolo fattore e i suoi valori sono rispettivamente 44, 73, 4 MPa e α = 3 dB stew (cm·MHz). Considerando che l'attenuazione del mezzo aumenta rapidamente con l'aumento della frequenza armonica, non è necessario che il numero di armoniche sia eccessivo. I risultati del calcolo mostrano che: all'aumentare della pressione sonora della radiazione superficiale, la posizione e la forma della zona focale cambiano a differenza di quando cambia il coefficiente di attenuazione. È così grande, ma la sua legge di cambiamento è simile. Cioè le posizioni di queste ultime due aree focali vengono spostate in avanti rispettivamente di 16 mm e 21 mm; il rapporto tra l'asse lungo e quello corto dell'area focale da 6 dB è rispettivamente 119, 116 e 113, e anche la testa dell'area focale ha la tendenza a diventare 'grassa'.

 

3 L'effetto combinato di attenuazione e non linearità sulla gamma focale del suono.

I due fattori precedenti sono incorporati contemporaneamente nella formula (3) per il calcolo. La Figura 3(a) e la Figura 3(b) mostrano rispettivamente che α=3dB stufato (cm·MHz), P′ 0=44MPa e α=2,3 dB stufato (cm·MHz), P′0=44MPa

Quando si considerano contemporaneamente l'attenuazione e gli effetti non lineari, il risultato del calcolo nella figura è il contorno della linea di pressione iso-sonica nella zona focale. Rispetto ai due, la posizione della zona focale è spostata in avanti di 8,4 mm e il rapporto tra gli assi maggiore e minore della zona focale è cambiato da 11,9 a 8,5. Mostra che l'andamento del cambiamento della zona focale causato dal coefficiente di attenuazione e dalla non linearità è lo stesso, quindi l'effetto complessivo è rafforzato.

 

 

Insomma

L'analisi teorica e i risultati dei calcoli contenuti in questo articolo mostrano che: un'elevata intensità sonora e un'attenuazione media hanno un'influenza importante sulla forma e sulla posizione della zona focale del suono; maggiore è il coefficiente di attenuazione del mezzo, maggiore è l'intensità del suono (ovvero, più forte la non linearità) e il fuoco del suono. Quanto più vicino è il campo al trasduttore; anche il rapporto tra gli assi lungo e corto del campo focale diventa più piccolo, cioè la sua forma cambia gradualmente da un lungo ellissoide a un corto ellissoide, e la testa dell'area di messa a fuoco del suono diventa 'grassa' rispetto alla coda. Fenomeno, la forma tende ad essere 'carota'. Le conclusioni di cui sopra forniscono una base per analizzare quantitativamente la legge di cambiamento dell'area di focalizzazione del suono del campo sonoro HIFU e studiare ulteriormente la relazione tra l'area di focalizzazione del suono e l'area danneggiata.

 

Metodo di misurazione del campione di grandi dimensioni del coefficiente di riflessione acustica di materiali acustici subacquei con idrofono a vettore singolo

 

Per realizzare la misurazione a banda larga in campo libero del normale coefficiente di riflessione acustica dei materiali acustici subacquei, un singolo idrofono vettoriale viene utilizzato come apparecchiatura principale del sistema di misurazione, combinato con la tecnologia di emissione acustica a impulsi e la tecnologia di elaborazione del segnale del filtro post-inverso, viene proposto un singolo idrofono vettoriale basato su un singolo idrofono vettoriale. Il metodo di misurazione a banda larga in campo libero del normale coefficiente di riflessione acustica del materiale acustico subacqueo, attraverso la tecnologia di rotazione elettronica dell'idrofono vettoriale per realizzare l'effettiva separazione del suono diretto e del suono riflesso. Viene discussa l'influenza dell'errore del sistema di misurazione e del rapporto segnale-rumore del segnale ricevuto sul risultato della misurazione. Questo metodo ha determinati requisiti per il rapporto segnale-rumore, ma non è sensibile all'errore del sistema di misurazione. I risultati dei test sperimentali mostrano che: Rispetto ai risultati dei test sperimentali senza elaborazione del filtraggio post-inverso, il metodo descritto nell'articolo migliora significativamente le prestazioni di misurazione, ma limitato dalla capacità di emissione a bassa frequenza del trasduttore trasmittente, i risultati sperimentali sono superiori a 2,5 kHz e i valori teorici sono in buon accordo.

 

Il coefficiente di riflessione acustica è un parametro importante che caratterizza la prestazione acustica dei materiali acustici subacquei. Allo stato attuale, i metodi di misurazione del coefficiente di riflessione acustica dei materiali acustici subacquei possono essere approssimativamente suddivisi nel metodo del tubo acustico da laboratorio per piccoli campioni e nel metodo di misurazione in campo libero per campioni di grandi dimensioni. La misurazione in campo libero di grandi campioni viene generalmente eseguita in un grande pool anecoico. Posando materiali silenzianti sul bordo della piscina per assorbire il suono riflesso dal bordo della piscina, il segnale ricevuto dall'idrofono è solo il suono diretto e il suono riflesso del campione. Tuttavia, a causa della limitazione del limite inferiore del pool anecoico, l’effetto multipercorso a bassa frequenza è evidente; inoltre, il metodo di misurazione in campo libero è per lo più disturbato dall'effetto di diffrazione dei bordi del campione, e questa interferenza è particolarmente grave nella banda delle basse frequenze. Per risolvere i problemi di cui sopra, la tecnologia di test del suono impulsivo è ampiamente utilizzata nella misurazione dei parametri acustici dei materiali acustici subacquei. La sua tecnologia chiave è quella di trasmettere segnali acustici pulsati con forme d'onda controllabili e senza distorsioni. Tuttavia, la funzione di trasferimento del trasduttore trasmittente limita la frequenza più bassa della tecnologia di test del suono impulsivo in uno spazio di misurazione limitato. Per questo motivo sono stati proposti diversi metodi di compensazione, come il metodo di sovrapposizione degli impulsi a banda larga proposto da Li Shui et al. Questo metodo utilizza la tecnologia di filtraggio inverso per preelaborare il segnale di eccitazione del trasduttore trasmittente per compensare la funzione di trasmissione del trasduttore trasmittente, in modo che il segnale irradiato dal trasduttore trasmittente sia un impulso acuto ideale, che riduce efficacemente la frequenza limite inferiore della misurazione.

 

Diversamente dal metodo sopra descritto, la 'tecnologia di filtraggio post-inverso' elabora il segnale all'estremità ricevente dell'idrofono per raggiungere lo scopo di compensare la risposta in frequenza del trasduttore trasmittente. La 'tecnologia del filtro post-inverso' è adottata nel tubo acustico per ottenere la misurazione a banda larga del coefficiente di assorbimento acustico di materiali acustici subacquei . Questo metodo ottiene innanzitutto la funzione di trasferimento del sistema di misurazione, quindi compensa il segnale di osservazione e infine ottiene il coefficiente di riflessione acustica del campione dividendo lo spettro di ampiezza del segnale di osservazione compensato con lo spettro di ampiezza del segnale di riflessione del campione standard e calcola ulteriormente il coefficiente di assorbimento del suono. Negli ultimi anni, i sensori vettoriali sono stati applicati con successo alla misurazione dei parametri acustici dei materiali aeroacustici, come il metodo dell'impedenza superficiale e il metodo dell'intensità del suono. L'idrofono vettoriale può captare le informazioni del campo sonoro in modo sincrono e nello stesso punto, espandendo lo spazio di elaborazione post-segnale, e l'elaborazione congiunta dei segnali di pressione sonora e velocità di vibrazione può formare una certa direttività spaziale, che può interferire con il suono di diffrazione del bordo del campione. Per raggiungere un certo grado di soppressione, non è necessario utilizzare un convenzionale array di ricezione della pressione sonora di grandi dimensioni, il che riduce la complessità del sistema di misurazione. Allo stesso tempo, la direzione massima principale di uscita dell'elaborazione combinata della pressione sonora e della velocità di vibrazione dell'idrofono vettoriale può essere diretta verso una direzione predeterminata attraverso la tecnologia di rotazione elettronica, che facilita l'efficace distacco del suono diretto e del suono riflesso. Inoltre, l'idrofono vettoriale presenta anche i vantaggi di una buona direttività a bassa frequenza e resistenza al rumore isotropico. Pertanto, rispetto al tradizionale idrofono a pressione sonora, l'utilizzo di un idrofono vettoriale per testare il coefficiente di riflessione del suono di un materiale presenta alcuni vantaggi. Questo articolo presenta un metodo di misurazione a banda larga per il normale coefficiente di riflessione acustica di materiali acustici subacquei con un ampio campione in campo libero. Questo metodo utilizza un singolo idrofono vettoriale come apparecchiatura principale del sistema di misurazione, combina la tecnologia di emissione acustica pulsata e la tecnologia di filtraggio post-inverso per sopprimere la distorsione della forma d'onda del segnale, elimina il suono di diffrazione del bordo del campione e il suono di interferenza multi-percorso nel dominio del tempo, quindi passa. La tecnologia di rotazione elettronica dell'idrofono vettoriale realizza l'effettiva separazione del suono diretto e del suono riflesso e infine il coefficiente di riflessione del suono normale del campione viene ottenuto dividendo i due.

 

1 Processo di misurazione

Per spiegare il principio di misurazione di questo metodo, mentre si spiega il processo di misurazione, vengono forniti la derivazione della formula correlata e i risultati della simulazione.

 

1.1 Identificazione della funzione di trasferimento e progettazione del filtro inverso del sistema di misurazione Prima di testare il campione, è necessario ottenere innanzitutto la funzione di trasferimento del sistema di misurazione. Diversamente dal tradizionale idrofono a pressione sonora, l'idrofono vettoriale include un canale di pressione sonora e un canale di velocità di vibrazione, quindi la funzione di trasferimento di ciascun canale di misurazione dell'idrofono vettoriale deve essere ottenuta contemporaneamente. Durante la misurazione, il segnale dell'impulso ideale viene irradiato nel mezzo acquoso attraverso il trasduttore trasmittente, quindi trasmesso al punto ricevente attraverso il canale idroacustico e infine ricevuto dall'idrofono vettoriale e raccolto dal collettore. Pertanto, il sistema di misurazione può essere diviso in tre parti, vale a dire il sistema di trasmissione del segnale, il canale acustico subacqueo e il sistema di ricezione del segnale. Prendendo come esempio il canale di pressione sonora, il modello del segnale ricevuto è mostrato nella Figura 1.

Nella Figura 1, s(f) è lo spettro del segnale trasmesso, T(f), Hp(f) e R(f) sono le funzioni di trasferimento del sistema di trasmissione, del canale idroacustico della pressione sonora e del sistema di ricezione del segnale, rispettivamente, e N(f) è lo spettro del rumore di fondo, Y(f) è lo spettro del segnale di uscita del sistema di misurazione. La tecnica di filtraggio post-inverso consiste nel progettare un filtro inverso per compensare T(f) e R(f) quando la funzione di trasferimento del sistema di misura è nota. Prendiamo come esempio il canale della pressione sonora per illustrare il principio di base dell'identificazione della funzione di trasferimento del sistema di misurazione. Metodo 1 Considera il sistema di trasmissione del segnale e il sistema di ricezione del segnale nel loro insieme, ovvero H(f) = T(f) + R(f). Il segnale di ingresso è x(t), il segnale di uscita del sistema è y(t), il rumore di fondo è n(t), Y(f) = H(f) X(f) + N(f) (1) dove X(f), Y(f) e N(f) sono la trasformata di Fourier del segnale di ingresso del sistema x(t), del segnale di uscita del sistema y(t) e del rumore di fondo n(t), rispettivamente. Dopo il calcolo, il valore stimato di H(f) è ^H(f) =Gxy(f)Gxx(f) (2) dove Gxy(f) è lo spettro di potenza incrociata del segnale di ingresso e del segnale di uscita del sistema e Gxx( f) è lo spettro di potenza propria del segnale di ingresso del sistema.

 

Oltre ai metodi di identificazione del sistema di misurazione sopra menzionati, possono essere utilizzate anche tecniche di identificazione di sequenze pseudo-casuali. Metodo 2 Supponiamo che il segnale di ingresso x(t) del sistema di misurazione sia una sequenza pseudo-casuale (sequenza MLS) e che il segnale di uscita del sistema sia y(t). Ovviamente, y(t) = x(t) * h(t) (3) dove , * significa convoluzione, h(t) è la funzione di risposta all'impulso unitaria del sistema. Calcolare la funzione di correlazione tra il segnale di ingresso e il segnale di uscita del sistema, rxy = ∫x(τ) y(τ-t) dτ = h(t) * rxx(t) (4) dove rxy è la correlazione incrociata tra l'ingresso e l'uscita della funzione del sistema, rxx è la funzione di autocorrelazione del segnale di ingresso. Perché la sequenza MLS ha caratteristiche di autocorrelazione migliori, ovvero rxx(n) = δ(n)-1L + 1 . dove L = 2m-1 è la lunghezza della sequenza e m è l'ordine della sequenza pseudo-casuale. È facile vedere che il valore stimato della funzione di risposta all'impulso dell'unità di sistema ^h(t) è ^h(t) ≈ rxy (6) Un'ulteriore trasformata di Fourier può ottenere il valore stimato ^H(f) della funzione di trasferimento del sistema di misurazione. Dopo aver ottenuto ^H (f), progetta il filtro inverso H-1( f) nel dominio della frequenza come Hpost( f) =^H( f)| ^H( f) | 2 + q( 7) dove , Q è un numero normale, generalmente l'1% del valore massimo di | ^H(f) | 2. Condizione di simulazione 1 Il trasduttore trasmittente e l'idrofono sono posti in una piscina anecoica alla stessa profondità, la distanza tra i due è 1 m, e il segnale trasmesso è una sequenza MLS di 16 ordini. Il metodo 1 e il metodo 2 vengono utilizzati rispettivamente per identificare il sistema. I rapporti sono 10, 20 e 30 dB. Valutare i pro e i contro dei risultati di identificazione della funzione di trasferimento dei due metodi a diversi rapporti segnale-rumore. Nella simulazione, la funzione di risposta all'impulso unitaria del sistema viene simulata aggiungendo impulsi gaussiani con frequenze centrali di 1, 2, 4 e 8 kHz.

 

La Figura 3 mostra i risultati di identificazione della funzione di trasferimento del sistema di misurazione nelle condizioni di cui sopra. Dalla figura si può vedere che i due metodi di identificazione del sistema descritti in questo articolo possono effettivamente ottenere la funzione di trasferimento del sistema di misurazione. Tuttavia, il metodo 1 prevede determinati requisiti sul rapporto segnale/rumore. Quando il rapporto segnale-rumore è maggiore di 30 dB, il risultato dell'identificazione è accurato. Il risultato dell'identificazione del sistema del metodo 2 è migliore di quello del metodo 1 e risultati di identificazione ad alta precisione possono ancora essere ottenuti in condizioni di basso rapporto segnale-rumore. Questo perché il rumore di fondo ha una piccola correlazione con il segnale di eccitazione della sorgente sonora, quindi questo metodo ha una certa capacità antirumore. Quella che segue è un'analisi dell'efficacia del metodo di misurazione descritto in questo articolo attraverso simulazione e calcolo numerico.

 

1.2 Elaborazione dei dati di osservazione

1) Ottenere i dati di osservazione. Il diagramma del principio di misurazione di sensore trasduttore acustico subacqueo  è mostrato nella Figura 4. Nella figura, ri è il percorso del suono diretto e la distanza dall'idrofono vettoriale al campione è d, il percorso del suono riflesso è ri + 2d, re = rs + rr è il percorso del suono diffratto, rq è il percorso del suono riflesso al confine della piscina, pi è il suono diretto, pr è il suono riflesso, pe è il suono diffratto al bordo del campione, pq È un suono di interferenza a più vie.

 

Supponiamo che lo spettro del segnale di eccitazione del trasduttore trasmittente sia s(f) e che l'impedenza caratteristica del mezzo venga ignorata. Senza perdita di generalità, l'espressione nel dominio della frequenza del segnale ricevuto dall'idrofono vettoriale bidimensionale è 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) Nella formula, Rs(f) è il coefficiente di riflessione acustica del campione che dipende dalla frequenza dell'onda sonora e dall'angolo incidente, D(f) è il coefficiente di diffrazione del bordo del campione, Rq(f) è il coefficiente di riflessione del bordo della piscina, τr, τe e τq sono i ritardi temporali rispettivamente del suono riflesso, del suono di diffrazione del bordo del campione, del suono di riflessione del bordo della piscina e del suono diretto. θi, θr, θe e θq sono rispettivamente il suono diretto, il suono riflesso, il suono di diffrazione del bordo del campione e il suono di riflessione del bordo della piscina. L'angolo incidente dell'onda sonora, Hpt(f), Hvxt(f) e Hvxt(f) rappresentano rispettivamente la funzione di trasferimento di ciascun canale di misurazione del sistema di misurazione.

 

2) La compensazione della funzione di trasferimento del sistema di misura. Moltiplicare il filtro inverso progettato con lo spettro di frequenza dei dati di osservazione del canale corrispondente per ottenere il segnale compensato. Lo spettro di frequenza Ppost(f), Vxpost(f) e Vypost(f) sono 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)

 

Condizione di simulazione 2 Supponiamo che la profondità della piscina sia 10 m, il trasduttore di lancio, l'idrofono vettoriale e la profondità dell'acqua h del campione da testare siano 5 m. La distanza H dal trasduttore trasmittente al campione è 15 m, la distanza d dall'idrofono vettoriale al campione è 10 cm, il segnale di trasmissione è un segnale acustico a impulso Butterworth, la larghezza di banda del segnale è 500-10 kHz e la frequenza di campionamento fs = 131 072 Hz e un rapporto segnale-rumore di 30 dB. Prendiamo come esempio il canale della pressione sonora per verificare l'efficacia della compensazione del filtro post-inverso. Nella simulazione, il campione da testare è una piastra di alluminio con uno spessore di 0,006 m e una dimensione geometrica di 1 m×1 m. Il coefficiente di diffrazione del bordo del campione viene simulato con un filtro passa-basso.

La Figura 5 mostra l'effetto di compensazione del filtro post-inverso del canale di pressione sonora. La figura mostra che la forma d'onda del segnale dopo la compensazione è più regolare e uniforme, il che sopprime efficacemente la distorsione del segnale causata dalla funzione di trasferimento del sistema di misurazione e aiuta a eliminare le interferenze come il suono della diffrazione dei bordi.

 

3) Eliminare i suoni di interferenza. Calcolare il ritardo temporale del suono riflesso, del suono di diffrazione del campione e del suono di riflessione del confine del pool in base ai parametri di implementazione del sistema di misurazione ed eseguire la trasformata di Fourier inversa dell'equazione (9) per ottenere il segnale nel dominio del tempo, quindi aggiungere una finestra per intercettare il segnale utile ed eseguire la trasformazione di Fourier Leaf, otteniamo 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)] dove Pc(f), Vxc(f) e Vyc(f) sono rispettivamente lo spettro del segnale di ciascun canale. Separare il suono diretto e quello riflesso e ottenere il coefficiente di riflessione del suono del campione. Supponiamo che l'azimut guidante dell'idrofono vettoriale sia ψ, e la velocità calcolata delle particelle composite Vc sia Vc( f) = Vxc( f) cos( ψ) + Vyc( f) sin( ψ) (11) Innanzitutto, puntiamo l'azimut guida verso il trasmettitore. Sia ψ = 0, ed eseguiamo (p + vc) 2 elaborazioni congiunte, omettendo il termine comune s( f), e otteniamo l'output dell'elaborazione congiunta Ii come Ii = [Pc( f) + Vc( f)] 2ψ = 0 = 4 (12) Puntare nuovamente l'azimut guida verso il campione, cioè sia ψ = π, ed eseguire l'elaborazione congiunta di (p + vc) 2 per ottenere l'output dell'elaborazione congiunta Ir = [Pc( f) + Vc( f)] 2ψ = π = 4 ［R2s( f) e－2jωτr］

 

2 Analisi degli errori di misura

Condizione di simulazione 3 I parametri del sistema di misurazione rimangono invariati, il segnale trasmesso è un segnale acustico pulsato Butterworth e la larghezza di banda del segnale è 500 ~ 10 kHz. Senza considerare l'effetto di diffrazione del bordo del campione e l'influenza del suono riflesso sul bordo della vasca, viene discusso il rapporto segnale/rumore. Quando è 20, 30 e 40 dB, il risultato della misurazione cambia con la frequenza. Vengono mostrati i risultati della misurazione e le curve di errore relativo della misurazione con diversi rapporti segnale-rumore. Dalla figura si può vedere che l'errore relativo della misurazione si attenua con l'oscillazione della frequenza e la banda a bassa frequenza è fortemente influenzata dal rapporto segnale-rumore; inoltre, quando il rapporto segnale-rumore è 20 dB, l'andamento della variazione del risultato della misurazione è uguale al valore teorico, ma il risultato della misurazione presenta un errore maggiore; basso L'errore di misurazione della banda di frequenza ampia è dovuto al fatto che il coefficiente di riflessione acustica è piccolo e piccole fluttuazioni possono causare grandi errori relativi. Nel test vero e proprio, oltre al rapporto segnale-rumore, anche l'errore di posizionamento del sistema di misurazione avrà un impatto sui risultati della misurazione. La seguente simulazione analizza l'impatto dell'errore di posizionamento del sistema di misurazione. Condizione di simulazione 4 I parametri del sistema di misurazione rimangono invariati, indipendentemente dalle interferenze come il rumore di fondo e la diffrazione dei bordi del campione. La distanza H dalla sorgente sonora al campione è rispettivamente 5, 10 e 15 m. Si discute quando la distanza d dall'idrofono vettoriale al campione è 10. Il risultato della misurazione con un errore percentuale. I risultati della misurazione vengono forniti quando la distanza H dal trasduttore del trasmettitore al campione è diversa e la distanza d dall'idrofono vettoriale al campione ha un errore del 10%. La figura mostra che il risultato della misurazione non è sensibile all'errore della distanza tra l'idrofono vettoriale e il campione; H I risultati della misurazione non sono quasi coincidenti allo stesso tempo. Si può vedere che nel test vero e proprio è necessario solo selezionare l'H appropriata in base alla dimensione geometrica del bacino di misurazione. Condizione di simulazione 5 I parametri del sistema di misurazione rimangono invariati, indipendentemente dall'interferenza del rumore di fondo e della diffrazione dei bordi del campione. La distanza d dall'idrofono vettoriale al campione è rispettivamente 5, 10 e 15 cm e la distanza H dal trasduttore trasmittente al campione è 15 m, discutere i risultati della misurazione quando c'è un errore dell'1% nella distanza H dal trasduttore trasmettitore al campione. I risultati della misurazione vengono forniti quando la distanza d dall'idrofono vettoriale al campione è diversa e la distanza H dal trasduttore trasmittente al campione ha un errore dell'1%. Dalla figura si può vedere che il risultato della misurazione e il valore teorico hanno lo stesso andamento con la frequenza, e maggiore è la frequenza, maggiore è la frequenza. Il risultato è più accurato e questo metodo di misurazione non è sensibile all'errore della distanza tra l'idrofono vettoriale e il campione.

3 Ricerca sperimentale ed elaborazione dati

 

Il diagramma a blocchi della composizione hardware del sistema di misurazione è mostrato nella Figura 11. Il sistema è costituito da un'estremità secca e da un'estremità umida. L'estremità secca è composta principalmente da generatore di segnale arbitrario, amplificatore di potenza, circuito di condizionamento dell'idrofono vettoriale e collettore di segnale, ecc., che vengono utilizzati per la generazione, trasmissione e acquisizione del segnale. L'estremità umida è composta principalmente da un trasduttore trasmittente, un idrofono vettoriale bidimensionale a bassa frequenza e un campione per misurare il campione. L'estremità umida è collocata in una piscina anecoica con una dimensione geometrica di 25 m×15 m×10 m, e il centro sonoro è situato a 5 m sott'acqua. La piscina è ovattata su sei lati e il limite inferiore di assorbimento acustico è di 2 kHz. Il campione da testare è una piastra di alluminio di dimensione geometrica pari a 1m×1m×0,006 m. Il trasduttore del trasmettitore è sospeso sul bordo del veicolo sopra la piscina e la distanza H dal campione è di 4,95 m. Il campione è fissato sul dispositivo di sollevamento e rotazione e può essere ruotato di un angolo durante la misurazione e spostato agevolmente in tre dimensioni. L'idrofono vettoriale è posizionato all'estremità anteriore del campione e la distanza d dalla superficie del campione è 5,5 cm. Il trasduttore trasmittente è una sorgente sonora cilindrica e la Figura 12 mostra la curva di risposta della tensione di trasmissione.

 

Dalla Fig. 12 si può vedere che il trasduttore trasmittente ha una scarsa capacità di radiazione al di sotto di 2,5 kHz. La banda di frequenza di lavoro effettiva dell'idrofono vettoriale bidimensionale a bassa frequenza è 1 ~ 12 kHz. Durante l'implementazione, il canale del vettore Vy punta al campione da testare e Vx punta alla parete della piscina. Per prima cosa trasmettere la sequenza pseudo-casuale di 16 ordini per identificare e misurare.

 

Figura 12 Curva di risposta della tensione di trasmissione del trasduttore trasmittente

 

Funzione di trasferimento del sistema e progetto del filtro inverso. La Figura 13 mostra i risultati dell'identificazione della funzione di trasferimento del sistema di misurazione. Nella figura hp(f), hvx(f) e hvy(f) sono i valori misurati della funzione di trasferimento rispettivamente del canale della pressione sonora, del canale vettoriale Vx e del canale Vy del sistema di misura; hpinv( f), hvxinv(f) e hvyinv(f) sono rispettivamente la funzione di trasferimento del filtro inverso progettata.

Dalla Figura 13 si può vedere che il risultato dell'identificazione della funzione di trasferimento del canale del vettore Vx non è valido. Questo perché nella situazione di utilizzo di cui sopra, la 'fossa' del canale Vx dell'idrofono vettoriale è rivolta verso la sorgente sonora e il segnale ricevuto da questo canale è solo la piscina. La parete riflette il segnale acustico, quindi il risultato dell'identificazione del sistema è impreciso. Mantenere la posizione spaziale e l'orientamento del trasduttore trasmittente e del vettore idrofono trasduttore invariato, posare il campione e trasmettere il segnale acustico pulsato Butterworth con una larghezza di banda compresa tra 500 e 12,5 kHz. La Figura 14 mostra i dati originali e le forme d'onda del segnale modificato ricevute da ciascun canale dell'idrofono vettoriale. Dalla Figura 14 si può vedere che la forma d'onda del segnale nel dominio del tempo dopo la correzione del filtro inverso diventa regolare e l'energia è più concentrata. Quindi calcolare il ritardo temporale del suono diretto e del suono di diffrazione del suono riflesso dal bordo del campione in base ai parametri di disposizione spaziale del sistema di misurazione e aggiungere finestre per intercettare i dati utili e calcolare il coefficiente di riflessione del suono normale del campione come mostrato nella Figura 15.

La Figura 15 mostra i risultati della misurazione prima e dopo la compensazione. Si può vedere che il risultato della misurazione della funzione di trasferimento del sistema di misurazione non compensato presenta un errore significativo ed è quasi non valido. La precisione della misurazione è notevolmente migliorata dopo l'elaborazione del filtro post-inverso. Quando la frequenza è maggiore di 2,5kHz, l'errore di misurazione dopo la correzione del filtro post-inverso è piccolo e il risultato della misurazione inferiore a 2,5kHz presenta un errore elevato. Il motivo è che la capacità di trasmissione a bassa frequenza del trasduttore trasmittente è limitata e i componenti a bassa frequenza del segnale sono sommersi dal rumore di fondo, quindi il risultato della misurazione è scadente.

 

4 Conclusione

Questo articolo propone un metodo per misurare il coefficiente di riflessione acustica normale dei materiali acustici subacquei basato su un singolo idrofono vettoriale. Questo metodo pulsa. La combinazione di tecnologia di emissione di impulsi, tecnologia di elaborazione del segnale vettoriale e tecnologia di filtro post-inverso, attraverso la tecnologia di filtro post-inverso per ricevere l'idrofono vettoriale.

 

I dati vengono compensati, la distorsione del segnale causata dalla funzione di trasferimento del sistema di misurazione viene soppressa e il suono della diffrazione dei bordi e il multipercorso del campione vengono eliminati nel dominio del tempo. L'interferenza del segnale migliora la precisione della misurazione. Il principio di misurazione viene dedotto teoricamente, l'influenza dell'errore del sistema di misurazione viene studiata attraverso calcoli numerici e simulazioni e viene effettuata ricerca sperimentale. I risultati del calcolo numerico e della simulazione mostrano che il metodo di misurazione descritto in questo articolo ha determinati requisiti per il rapporto segnale-rumore; Distribuzione del sistema imprecisa e insensibile. I risultati sperimentali mostrano che il metodo descritto in questo documento può realizzare efficacemente la misurazione su larga scala in campo libero del normale coefficiente di riflessione acustica dei materiali acustici subacquei, ma a causa della limitazione della capacità di radiazione a bassa frequenza del trasduttore trasmittente, l'errore di misurazione a bassa frequenza è relativamente grande.