Kaedah pengukuran pekali pantulan akustik bahan akustik bawah air dengan hidrofon vektor tunggal

Ia adalah objektif untuk mengkaji perubahan dalam bentuk dan kedudukan geometri julat fokus akustik cekung. transduser ultrasonik sfera apabila keamatan bunyi tinggi dan medium mempunyai pengecilan yang besar. Dari perspektif akustik fizikal, kesan ketaklinearan dan pengecilan media yang disebabkan oleh keamatan bunyi yang tinggi pada julat fokus bunyi dianalisis, dan algoritma superposisi linear kamiran digunakan untuk melakukan pengiraan simulasi berangka. Kedua-dua analisis teori dan pengiraan berangka menunjukkan bahawa dengan peningkatan keamatan bunyi dan pengecilan sederhana, kedudukan geometri zon fokus akustik mempunyai pendahuluan tahap milimeter sepanjang paksi akustik ke arah transduser; pada masa yang sama, zon fokus akustik Bentuk secara beransur-ansur berubah daripada elipsoid panjang simetri kepada ellipsoid pendek dengan 'kepala gemuk dan ekor nipis'.

 

Keamatan bunyi yang tinggi dan pengecilan sederhana mempunyai pengaruh penting pada kedudukan dan bentuk kawasan fokus bunyi transduser sfera cekung. Pertimbangan penuh harus diberikan kepada kedudukan tepat dan kawalan dos peralatan HIFU, perumusan piawaian pemeriksaan, dan juga aplikasi klinikal.

 

negara saya telah membuat penemuan yang luar biasa dalam pembangunan dan aplikasi klinikal ultrabunyi berintensiti tinggi (peralatan fokus ultrabunyi intensiti tinggi (HIFU)). Walau bagaimanapun, untuk benar-benar mencapai kedudukan yang tepat dan kawalan dos rawatan pada peralatan, supaya rawatan klinikal dapat mencapai kesan ideal untuk membunuh lesi secara berkesan tanpa merosakkan tisu normal di sekelilingnya, masih terdapat banyak isu teori dan teknikal yang perlu dikaji dan diselesaikan secara mendalam. Kajian eksperimen domestik dan asing mengenai pembentukan kerosakan HIFU dalam tisu biologi telah menunjukkan bahawa dengan peningkatan keamatan bunyi, kedudukan zon fokus bergerak ke hadapan dan secara beransur-ansur berubah daripada ellipsoid panjang kepada 'bentuk berudu' atau 'bentuk kon'. Walaupun dalam beberapa tahun kebelakangan ini, kesusasteraan asing telah membuat beberapa penjelasan kualitatif untuk fenomena di atas dengan menyelesaikan secara numerik persamaan perambatan gelombang akustik tak linear (persamaan KZK), tetapi prosedur pengiraan adalah rumit dan hubungan fizikal dalam proses pengiraan tidak jelas. Atas sebab ini, kertas ini mengambil transduser pemfokusan sfera cekung sebagai contoh, dan membincangkan masalah dengan mengkaji pengaruh pengecilan sederhana dan ciri perambatan tak linear di bawah intensiti bunyi yang tinggi pada julat fokus bunyi.

 

Dalam kerja kami sebelum ini, berdasarkan kamiran pembelauan Kirchhoff, kami telah memperoleh ungkapan tekanan bunyi pada mana-mana titik dalam medan bunyi frekuensi tunggal di bawah keadaan medan bunyi linear dengan transduser pemfokusan sfera cekung dengan sinaran seragam pada permukaan (juga dipanggil Untuk titik Rayleigh).

 

Daripada analisis teori akustik tak linear, apabila tekanan bunyi gelombang sinus frekuensi tunggal yang dipancarkan dari permukaan transduser ke dalam medium cukup besar, ia dipanggil 'gelombang amplitud terhingga', yang merambat jarak tertentu dalam medium (dipanggil jarak tak selanjar). ), bentuk gelombang akan diherotkan menjadi gelombang gigi gergaji, yang juga boleh dianggap sebagai gelombang kejutan. Sebagai tambahan kepada frekuensi asas pancaran asal, spektrum frekuensi gelombang ini juga termasuk satu siri harmonik yang lebih tinggi. Mereka dijana secara beransur-ansur dengan terus menyerap tenaga daripada gelombang asas semasa penyebaran gelombang bunyi, iaitu harmonik tisu dalam perubatan ultrasound. Pekali amplitud boleh digunakan untuk menerangkan perambatan harmonik tertib tinggi dengan jarak perambatan dan hubungan perubahan tenaga semasa perambatan.

 

Gelombang gigi gergaji membentuk jarak, jadi ia adalah kuantiti tanpa dimensi yang mencerminkan jarak perambatan. Berdasarkan ini, kami telah mengira lengkung pekali amplitud bagi gelombang asas dan 3 harmonik pertama. Apabila gelombang bunyi merambat dalam medium, tekanan bunyi mereput secara eksponen dengan jarak, yang boleh dinyatakan dalam bentuk. Untuk tisu lembut am, pekali pengecilan TM adalah berkadar secara kasar dengan kekerapan. Untuk memudahkan pengiraan, artikel ini menyatakan pekali pengecilan setiap komponen harmonik sebagai mana α ialah sistem pengecilan bunyi bagi gelombang bunyi frekuensi asas dalam tisu biologi per unit jarak.

 

 

Ia harus termasuk penyerapan bunyi dan penyebaran tisu. Selepas mempertimbangkan dua faktor di atas (tidak lineariti dan pengecilan), ungkapan tekanan bunyi dalam medan bunyi fokus boleh dilanjutkan kepada bentuk berikut: ialah nombor gelombang setiap harmonik. Formula ini ialah apa yang kita panggil algoritma superposisi linear bagi kamiran Rayleigh.

 

Keputusan：

 

1 Pengaruh pengecilan sederhana pada julat fokus bunyi. Parameter unit transduser sfera cekung yang digunakan dalam kertas ini ialah: jejari kelengkungan R = 15 cm, jejari apertur a = 42 cm, frekuensi kerja f = 1.7 MHz. Dengan mengandaikan bahawa medium adalah tisu lembut umum, pekali pengecilannya α adalah dalam julat 01-30dB rebus (cm·Mz). Halaju bunyi, ketumpatan dan parameter lain medium diambil mengikut literatur yang berkaitan. Untuk mengkaji pekali pengecilan sebagai faktor pengaruh tunggal, hanya frekuensi tunggal, iaitu frekuensi asas, perlu dikira dan dianalisis untuk hukum perubahan domain fokus bunyi dengan nilai α yang berbeza. Atas sebab ini, dalam formula , satu siri pengiraan berangka telah dijalankan dengan mengambil M=1. Keputusan menunjukkan bahawa dengan peningkatan pengecilan, iaitu, apabila α = 0.3, 13 dan 23dB rebus (cm·Mhz), bentuk kawasan fokus akustik -6dB berubah secara beransur-ansur daripada elipsoid panjang kepada ellipsoid pendek, dan paksi panjangnya1 dan paksi pendek .

 

2. Mereka masing-masing adalah 111, 104, dan 92. Kedudukan zon fokus (kedudukan pada paksi akustik), dua yang terakhir masing-masing 30mm dan 65mm di hadapan bekas di sepanjang paksi akustik transduser. Pada masa yang sama, kepala zon fokus (hujung dekat dengan transduser) lebih 'lemak' daripada ekornya (hujungnya jauh dari transduser).

 

2 Kesan bukan lineariti yang disebabkan oleh keamatan bunyi yang tinggi pada julat fokus bunyi adalah sama, tekanan bunyi sinaran permukaan dianggap sebagai faktor tunggal, dan nilainya masing-masing 44, 73, 4 MPa, dan α = 3dB rebus (cm·MHz). Memandangkan pengecilan medium meningkat dengan cepat dengan peningkatan frekuensi harmonik, bilangan harmonik tidak perlu terlalu banyak. Keputusan pengiraan menunjukkan bahawa: apabila tekanan bunyi sinaran permukaan meningkat, kedudukan dan bentuk zon fokus berubah tidak seperti apabila pekali pengecilan berubah Ia begitu besar, tetapi undang-undang perubahannya adalah serupa. Iaitu, kedudukan dua kawasan fokus yang terakhir digerakkan ke hadapan sebanyak 16mm dan 21mm masing-masing; nisbah paksi panjang dan pendek bagi kawasan fokus 6dB ialah 119, 116, dan 113 masing-masing, dan kepala kawasan fokus juga mempunyai kecenderungan untuk menjadi 'gemuk'.

 

3 Kesan gabungan pengecilan dan tidak linear pada julat fokus bunyi.

Kedua-dua faktor di atas secara serentak dimasukkan ke dalam formula (3) untuk pengiraan. Rajah 3(a) dan Rajah 3(b) masing-masing menunjukkan bahawa α=3dB rebus (cm·MHz), P′ 0=44MPa dan α=2.3dB rebus (cm·MHz), P′0=44MPa

Apabila mempertimbangkan pengecilan dan kesan tak linear pada masa yang sama, kontur garis tekanan bunyi iso dalam zon fokus ialah hasil pengiraan dalam rajah. Berbanding dengan kedua-duanya, kedudukan zon fokus telah bergerak ke hadapan sebanyak 8.4mm, dan nisbah paksi utama dan kecil zon fokus telah berubah daripada 11.9 kepada 8.5. Ia menunjukkan bahawa trend perubahan zon fokus yang disebabkan oleh pekali pengecilan dan tidak linear adalah sama, jadi kesan keseluruhan diperkukuh.

 

 

kesimpulannya

Hasil analisis dan pengiraan teori dalam kertas ini menunjukkan bahawa: keamatan bunyi yang tinggi dan pengecilan sederhana mempunyai pengaruh penting ke atas bentuk dan kedudukan zon fokus bunyi; lebih besar pekali pengecilan medium, lebih tinggi keamatan bunyi (iaitu, lebih kuat ketaklinearan), dan fokus bunyi Semakin dekat medan dengan transduser; nisbah paksi panjang dan pendek medan fokus juga menjadi lebih kecil, iaitu bentuknya secara beransur-ansur berubah dari elipsoid panjang kepada ellipsoid pendek, dan kepala kawasan fokus bunyi menjadi 'lemak' daripada ekor. Fenomena, bentuknya cenderung kepada 'lobak merah'. Kesimpulan di atas menyediakan asas untuk menganalisis secara kuantitatif undang-undang perubahan kawasan fokus bunyi medan bunyi HIFU, dan mengkaji lebih lanjut hubungan antara kawasan fokus bunyi dan kawasan kerosakan.

 

Kaedah pengukuran sampel besar bagi pekali pantulan akustik bagi bahan akustik bawah air dengan hidrofon vektor tunggal

 

Untuk merealisasikan pengukuran jalur lebar medan bebas bagi pekali pantulan akustik biasa bahan akustik bawah air, hidrofon vektor tunggal digunakan sebagai peralatan teras sistem pengukuran, digabungkan dengan teknologi pelepasan akustik nadi dan teknologi pemprosesan isyarat penapis pasca songsang, hidrofon vektor tunggal berdasarkan hidrofon vektor tunggal dicadangkan. Kaedah pengukuran jalur lebar medan bebas bagi pekali pantulan akustik biasa bahan akustik bawah air bahan akustik bawah air, melalui teknologi putaran elektronik hidrofon vektor untuk merealisasikan pemisahan berkesan bunyi langsung dan bunyi yang dipantulkan. Pengaruh ralat sistem pengukuran dan nisbah isyarat-ke-bunyi bagi isyarat yang diterima ke atas hasil pengukuran dibincangkan. Kaedah ini mempunyai keperluan tertentu untuk nisbah isyarat kepada hingar, tetapi ia tidak sensitif kepada ralat sistem pengukuran. Keputusan ujian eksperimen menunjukkan bahawa: Berbanding dengan keputusan ujian eksperimen tanpa pemprosesan penapisan pasca songsang, kaedah yang diterangkan dalam artikel meningkatkan prestasi pengukuran dengan ketara, tetapi dihadkan oleh keupayaan pancaran frekuensi rendah transduser pemancar, keputusan eksperimen adalah melebihi 2.5 kHz dan Nilai teori adalah dalam persetujuan yang baik.

 

Pekali pantulan akustik ialah parameter penting yang mencirikan prestasi akustik bahan akustik bawah air. Pada masa ini, kaedah pengukuran pekali pantulan akustik bahan akustik bawah air boleh dibahagikan secara kasar kepada kaedah tiub akustik makmal sampel kecil dan kaedah pengukuran medan bebas sampel besar. Pengukuran medan bebas sampel besar biasanya dilakukan dalam kolam anechoic yang besar. Dengan meletakkan bahan pendiam pada sempadan kolam untuk menyerap bunyi pantulan sempadan kolam, isyarat yang diterima oleh hidrofon hanyalah bunyi langsung dan bunyi pantulan sampel. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh had had bawah kolam anechoic, kesan berbilang laluan frekuensi rendah adalah jelas; di samping itu, kaedah pengukuran medan bebas kebanyakannya diganggu oleh kesan pembelauan tepi sampel, dan gangguan ini amat serius dalam jalur frekuensi rendah. Untuk menyelesaikan masalah di atas, teknologi ujian bunyi impuls digunakan secara meluas dalam pengukuran parameter akustik bahan akustik bawah air. Ia adalah teknologi utamanya untuk menghantar isyarat akustik berdenyut dengan bentuk gelombang yang boleh dikawal dan tanpa herotan. Walau bagaimanapun, fungsi pemindahan transduser pemancar mengehadkan frekuensi rendah teknologi ujian bunyi impuls dalam ruang pengukuran terhad. Atas sebab ini, pelbagai kaedah pampasan telah dicadangkan, seperti kaedah superposisi nadi jalur lebar yang dicadangkan oleh Li Shui et al. Kaedah ini menggunakan teknologi penapisan songsang untuk pra-memproses isyarat pengujaan transduser pemancar untuk mengimbangi fungsi penghantaran transduser pemancar, supaya isyarat yang dipancarkan oleh transduser pemancar adalah nadi tajam yang ideal, yang mengurangkan kekerapan had bawah pengukuran dengan berkesan.

 

Berbeza daripada kaedah di atas, 'teknologi penapisan pasca songsang' memproses isyarat pada hujung penerima hidrofon untuk mencapai tujuan mengimbangi tindak balas frekuensi transduser pemancar. 'teknologi penapis pasca songsang' diguna pakai dalam tiub akustik untuk mencapai pengukuran jalur lebar bagi pekali penyerapan bunyi bahan akustik bawah air . Kaedah ini mula-mula memperoleh fungsi pemindahan sistem pengukuran, kemudian mengimbangi isyarat pemerhatian, dan akhirnya memperoleh pekali pantulan akustik sampel dengan membahagikan spektrum amplitud isyarat cerapan terkompensasi dengan spektrum amplitud isyarat pantulan sampel standard, dan seterusnya mengira pekali Bunyi penyerapan. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penderia vektor telah berjaya digunakan untuk pengukuran parameter akustik bahan aeroakustik, seperti kaedah impedans permukaan dan kaedah intensiti bunyi. Hidrofon vektor boleh mengambil maklumat medan bunyi secara serentak dan pada titik yang sama, yang memperluaskan ruang pemprosesan pasca isyarat, dan pemprosesan bersama tekanan bunyi dan isyarat halaju getaran boleh membentuk arah spatial tertentu, yang boleh mengganggu bunyi pembelauan tepi sampel. Pada tahap penindasan tertentu, adalah tidak perlu menggunakan tatasusunan penerima tekanan bunyi besar konvensional, yang mengurangkan kerumitan sistem pengukuran. Pada masa yang sama, arah maksimum output utama pemprosesan gabungan tekanan bunyi dan halaju getaran hidrofon vektor boleh diarahkan ke arah yang telah ditetapkan melalui teknologi putaran elektronik, yang memudahkan pengelupasan berkesan bunyi langsung dan bunyi yang dipantulkan. Di samping itu, hidrofon vektor juga mempunyai kelebihan kejuruteraan frekuensi rendah yang baik dan rintangan kepada bunyi isotropik. Oleh itu, berbanding hidrofon tekanan bunyi tradisional, menggunakan hidrofon vektor untuk menguji pekali pantulan bunyi bahan mempunyai kelebihan tertentu. Kertas ini membentangkan kaedah pengukuran jalur lebar untuk pekali pantulan akustik biasa bagi bahan akustik bawah air dengan sampel medan bebas yang besar. Kaedah ini menggunakan hidrofon vektor tunggal sebagai peralatan teras sistem pengukuran, menggabungkan teknologi pancaran akustik berdenyut dan teknologi penapisan pasca songsang untuk menyekat herotan bentuk gelombang isyarat, menghapuskan bunyi difraksi tepi sampel dan bunyi gangguan berbilang laluan dalam domain masa, dan kemudian melepasi Teknologi putaran elektronik hidrofon vektor merealisasikan pemisahan bunyi yang dipantulkan secara langsung dan akhirnya adalah pemisahan yang berkesan bagi bunyi pantulan dan sampel yang terpantul secara normal, dan akhirnya adalah bunyi yang tercermin. diperoleh dengan membahagikan keduanya.

 

1 Proses pengukuran

Bagi menjelaskan prinsip pengukuran kaedah ini, sambil menerangkan proses pengukuran, hasil derivasi formula dan simulasi yang berkaitan diberikan.

 

1.1 Pengenalpastian fungsi pemindahan dan reka bentuk penapis songsang sistem pengukuran Sebelum menguji sampel, fungsi pemindahan sistem pengukuran perlu diperoleh terlebih dahulu. Berbeza daripada hidrofon tekanan bunyi tradisional, hidrofon vektor termasuk saluran tekanan bunyi dan saluran halaju getaran, jadi fungsi pemindahan setiap saluran pengukuran hidrofon vektor perlu diperoleh pada masa yang sama. Semasa pengukuran, isyarat nadi yang ideal dipancarkan ke dalam medium air melalui transduser pemancar, dan kemudian dihantar ke titik penerimaan melalui saluran hidroakustik, dan akhirnya diterima oleh hidrofon vektor dan dikumpulkan oleh pengumpul. Oleh itu, sistem pengukuran boleh dibahagikan kepada tiga bahagian iaitu sistem pemancar isyarat, saluran akustik bawah air dan sistem penerima isyarat. Mengambil saluran tekanan bunyi sebagai contoh, model isyarat yang diterima ditunjukkan dalam Rajah 1.

Dalam Rajah 1, s(f) ialah spektrum isyarat yang dihantar, T(f), Hp(f) dan R(f) ialah fungsi pemindahan sistem pemancar, saluran hidroakustik tekanan bunyi dan sistem penerima isyarat, dan N(f) ialah latar belakang spektrum hingar, Y(f) ialah spektrum isyarat keluaran sistem pengukuran. Teknik penapisan selepas songsang adalah untuk mereka bentuk penapis songsang untuk mengimbangi T(f) dan R(f) apabila fungsi pemindahan sistem pengukuran diketahui. Ambil saluran tekanan bunyi sebagai contoh untuk menggambarkan prinsip asas pengenalan fungsi pemindahan sistem pengukuran. Kaedah 1 Pertimbangkan sistem pemancar isyarat dan sistem penerima isyarat secara keseluruhan, iaitu, H(f) = T(f) + R(f). Isyarat input ialah x(t), isyarat keluaran sistem ialah y(t), bunyi latar belakang ialah n(t), Y(f) = H(f) X(f) + N(f) (1) di mana, X(f), Y(f) dan N(f) ialah transformasi Fourier bagi isyarat input sistem x(t), isyarat keluaran sistem y(t) dan bunyi latar belakang n(t). Selepas pengiraan, nilai anggaran H(f) ialah ^H(f) =Gxy(f)Gxx(f) (2) dengan Gxy(f) ialah spektrum kuasa silang bagi isyarat input dan isyarat keluaran sistem, dan Gxx(f) ialah spektrum kuasa kendiri bagi isyarat input sistem.

 

Sebagai tambahan kepada kaedah pengenalan sistem pengukuran yang dinyatakan di atas, teknik pengenalan jujukan pseudo-rawak juga boleh digunakan. Kaedah 2 Katakan isyarat input x(t) sistem pengukuran ialah jujukan pseudo-rawak (jujukan MLS), dan isyarat keluaran sistem ialah y(t). Jelas sekali, y(t) = x(t) * h(t) (3) dengan , * Bermaksud lilitan, h(t) ialah fungsi tindak balas impuls unit sistem. Kira fungsi korelasi antara isyarat input dan isyarat keluaran sistem, rxy = ∫x(τ) y(τ-t) dτ = h(t) * rxx(t) (4) di mana rxy ialah korelasi silang antara input dan output sistem Fungsi, rxx ialah fungsi autokorelasi isyarat input. Oleh kerana jujukan MLS mempunyai ciri autokorelasi yang lebih baik, iaitu, rxx(n) = δ(n)-1L + 1 . di mana L = 2m-1 ialah panjang jujukan, dan m ialah susunan jujukan rawak semu. Adalah mudah untuk melihat bahawa nilai anggaran bagi fungsi tindak balas impuls unit sistem ^h(t) ialah ^h(t) ≈ rxy (6) Transformasi Fourier selanjutnya boleh memperoleh nilai anggaran ^H(f) bagi fungsi pemindahan sistem sistem pengukuran. Selepas mendapat ^H (f), reka bentuk penapis songsang H-1( f) dalam domain frekuensi sebagai Hpost( f) =^H( f)| ^H(f) | 2 + q( 7) dengan , Q ialah nombor biasa, secara amnya 1% daripada nilai maksimum | ^H (f) | 2. Keadaan simulasi 1 Transduser pemancar dan hidrofon diletakkan di dalam kolam anechoic pada kedalaman yang sama, jarak antara keduanya ialah 1 m, dan isyarat yang dihantar ialah urutan MLS 16 pesanan. Kaedah 1 dan kaedah 2 digunakan untuk mengenal pasti sistem, masing-masing. Nisbahnya ialah 10, 20 dan 30 dB. Menilai kebaikan dan keburukan hasil pengenalpastian fungsi pemindahan bagi kedua-dua kaedah pada nisbah isyarat-ke-bunyi yang berbeza. Dalam simulasi, fungsi tindak balas impuls unit sistem disimulasikan dengan menambah denyutan Gaussian dengan frekuensi tengah 1, 2, 4 dan 8 kHz.

 

Rajah 3 menunjukkan hasil pengenalpastian fungsi pemindahan sistem pengukuran di bawah keadaan di atas. Dari rajah tersebut dapat dilihat bahawa kedua-dua kaedah pengenalan sistem yang diterangkan dalam artikel ini boleh mendapatkan fungsi pemindahan sistem pengukuran dengan berkesan. Walau bagaimanapun, kaedah 1 mempunyai keperluan tertentu pada nisbah isyarat kepada hingar. Apabila nisbah isyarat kepada hingar lebih besar daripada 30 dB, hasil pengenalpastian adalah tepat. Hasil pengenalpastian sistem kaedah 2 adalah lebih baik daripada kaedah 1, dan keputusan pengenalpastian ketepatan tinggi masih boleh diperoleh di bawah keadaan nisbah isyarat kepada hingar yang rendah. Ini kerana hingar latar belakang mempunyai korelasi kecil dengan isyarat pengujaan sumber bunyi, jadi kaedah ini mempunyai keupayaan anti hingar tertentu. Berikut adalah analisis keberkesanan kaedah pengukuran yang diterangkan dalam artikel ini melalui simulasi dan pengiraan berangka.

 

1.2 Pemprosesan data pemerhatian

1) Dapatkan data pemerhatian. Gambar rajah prinsip pengukuran sensor transduser akustik bawah air  ditunjukkan dalam Rajah 4. Dalam rajah, ri ialah laluan bunyi terus, dan jarak dari hidrofon vektor ke sampel ialah d, laluan bunyi yang dipantulkan ialah ri + 2d, re = rs + rr ialah laluan bunyi terbias, rq ialah laluan bunyi terpantul di sempadan kolam, pi ialah bunyi langsung, pr ialah bunyi yang terpantul, p ialah bunyi yang terpantul, ialah bunyi gangguan pelbagai hala.

 

Katakan spektrum isyarat pengujaan transduser pemancar ialah s(f), dan impedans ciri medium diabaikan. Tanpa kehilangan keluasan, ungkapan domain frekuensi isyarat yang diterima oleh hidrofon vektor dua dimensi ialah P( f) = s( f) · 1 + Rs( f) e－jωτr+ D( f) e－jωτe + Rq( f) e－jωτq Hpt( f)Vx( f) · s( f) Vx( f) = s( f)Vx( f) = s( f)Vx( f) · i e－jωτrcos( θr )+ D( f) e－jωτecos( θe) + Rq( f) e－jωτqcos( θq) Hvxt( f )Vy( f) = s( f) ·sin( θi) + Rs( f) e－(ωτr) + Rs(f) e－ e－jωτesin( θe) + Rq( f) e－jωτqsin( θq) Hvyt( f)(8) Dalam formula, Rs(f) ialah pekali pantulan akustik sampel yang bergantung pada frekuensi gelombang bunyi dan sudut tuju, D(f) ialah pekali pembelauan tepi sampel, pekali pembezaan tepi (Rs) τr, τe dan τq ialah kelewatan masa bunyi pantulan, bunyi pembelauan tepi sampel, dan bunyi pantulan sempadan kolam dan bunyi langsung, masing-masing. θi, θr, θe dan θq ialah bunyi langsung, bunyi pantulan, bunyi pembelauan tepi sampel dan bunyi pantulan sempadan kolam, masing-masing Sudut tuju gelombang bunyi, Hpt(f), Hvxt(f) dan Hvxt(f) masing-masing mewakili fungsi pemindahan setiap saluran pengukuran sistem pengukuran.

 

2) Pampasan fungsi pemindahan sistem pengukuran. Darabkan penapis songsang yang direka bentuk dengan spektrum frekuensi data cerapan saluran yang sepadan untuk mendapatkan isyarat pampasan. Spektrum frekuensi Ppost(f), Vxpost(f) dan Vypost(f) ialah Ppost(f) ≈ s(f) ·1 + Rs(f) e－jωτr+ D(f) e－jωτe(f) e－jωτe(f) e－jωτe f) ≈ s( f) · cos( θi) + Rs( f) e－jωτrcos( θr )+ D( f) e－jωτecos( θe) + Rq( f) e－jωτqcos( θq) Vypost( f ) ≈ (s) Vypost( f ) ≈ (s) e－jωτrsin( θr )+ D( f) e－jωτesin( θe) + Rq( f) e－jωτqsin( θq)

 

Keadaan simulasi 2 Katakan kedalaman kolam ialah 10 m, transduser pelancar, hidrofon vektor dan kedalaman air h sampel yang akan diuji ialah 5 m. Jarak H dari transduser pemancar ke sampel ialah 15 m, jarak d dari hidrofon vektor ke sampel ialah 10 cm, isyarat pemancar ialah isyarat akustik nadi Butterworth, lebar jalur isyarat ialah 500-10 kHz, dan frekuensi pensampelan fs = 131 072 Hz dan nisbah isyarat kepada dB 300. Ambil saluran tekanan bunyi sebagai contoh untuk mengesahkan keberkesanan pampasan penapis selepas songsang. Dalam simulasi, sampel yang akan diuji ialah plat aluminium dengan ketebalan 0.006 m dan saiz geometri 1 m×1 m. Pekali difraksi tepi sampel disimulasikan dengan penapis laluan rendah.

Rajah 5 menunjukkan kesan pampasan penapis pasca songsang saluran tekanan bunyi. Angka tersebut menunjukkan bahawa bentuk gelombang isyarat selepas pampasan adalah lebih teratur dan lancar, yang berkesan menekan herotan isyarat yang disebabkan oleh fungsi pemindahan sistem pengukuran dan membantu menghapuskan gangguan seperti bunyi pembelauan tepi.

 

3) Hilangkan bunyi gangguan. Kira kelewatan masa bunyi pantulan, bunyi pembelauan sampel, dan bunyi pantulan sempadan kolam mengikut parameter penggunaan sistem pengukuran, dan lakukan transformasi Fourier songsang bagi persamaan (9) untuk mendapatkan isyarat domain masa, kemudian tambah tetingkap untuk memintas isyarat berguna, dan lakukan transformasi Fourier Leaf, kita dapat Pc(f) = s(f) [1 + Rs](f) ωτr(f) [1 + Rs]

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 ialah spektrum isyarat bagi setiap saluran. Pisahkan bunyi langsung dan bunyi pantulan, dan dapatkan pekali pantulan bunyi sampel. Katakan azimut penuntun hidrofon vektor ialah ψ, dan halaju zarah komposit yang dikira Vc ialah Vc( f) = Vxc( f) cos( ψ) + Vyc( f) sin( ψ) (11) Mula-mula, halakan azimut penuntun kepada pemancar Biarkan ψ = 0, dan laksanakan (p + vc) mendapatkan (p + vc) mendapatkan (p + vc) mendapatkan sebutan sepunya. keluaran pemprosesan bersama Ii sebagai Ii = [Pc(f) + Vc(f)] 2ψ = 0 = 4 (12) Halakan azimut penuntun kepada sampel sekali lagi, iaitu, biarkan ψ = π, dan lakukan pemprosesan bersama (p + vc) 2 untuk mendapatkan keluaran pemprosesan bersama Ir = [Pc( f) + 2c = 2 ]( ψ = π ) f) e－2jωτr］

 

2 Analisis ralat pengukuran

Keadaan simulasi 3 Parameter sistem pengukuran kekal tidak berubah, isyarat yang dihantar ialah isyarat akustik berdenyut Butterworth, dan lebar jalur isyarat ialah 500 ~ 10 kHz. Tanpa mengambil kira kesan pembelauan tepi sampel dan pengaruh bunyi pantulan di sempadan kolam, nisbah isyarat kepada hingar dibincangkan. Apabila 20, 30 dan 40 dB, hasil pengukuran berubah mengikut kekerapan. Keputusan pengukuran dan keluk ralat relatif pengukuran di bawah nisbah isyarat-ke-bunyi yang berbeza ditunjukkan. Ia boleh dilihat daripada rajah bahawa ralat relatif pengukuran melemahkan dengan ayunan frekuensi, dan jalur frekuensi rendah sangat dipengaruhi oleh nisbah isyarat kepada hingar; di samping itu, apabila nisbah isyarat-ke-bunyi ialah 20 dB, arah aliran perubahan hasil pengukuran adalah sama dengan nilai teori, tetapi hasil pengukuran mempunyai ralat yang lebih besar; rendah Ralat pengukuran jalur frekuensi yang besar adalah kerana pekali pantulan akustik adalah kecil, dan turun naik yang kecil boleh menyebabkan ralat relatif yang besar. Dalam ujian sebenar, sebagai tambahan kepada nisbah isyarat kepada hingar, ralat peletakan sistem pengukuran juga akan memberi kesan kepada hasil pengukuran. Simulasi berikut menganalisis kesan ralat penempatan sistem pengukuran. Keadaan simulasi 4 Parameter sistem pengukuran kekal tidak berubah, tanpa mengira gangguan seperti bunyi latar belakang dan pembelauan tepi sampel. Jarak H dari sumber bunyi ke sampel ialah 5, 10, dan 15 m, masing-masing. Ia dibincangkan apabila jarak d dari hidrofon vektor ke sampel ialah 10 Hasil pengukuran pada% ralat. Keputusan pengukuran diberikan apabila jarak H dari transduser pemancar ke sampel adalah berbeza, dan jarak d dari hidrofon vektor ke sampel mempunyai ralat 10%. Rajah menunjukkan bahawa hasil pengukuran tidak sensitif kepada ralat jarak antara hidrofon vektor dan sampel; H Keputusan pengukuran tidak hampir bertepatan pada masa yang sama. Dapat dilihat bahawa dalam ujian sebenar, hanya perlu memilih H yang sesuai mengikut saiz geometri kolam pengukur. Keadaan simulasi 5 Parameter sistem pengukuran kekal tidak berubah, tanpa mengira gangguan daripada bunyi latar belakang dan pembelauan tepi sampel. Jarak d dari hidrofon vektor ke sampel ialah 5, 10, dan 15 cm, masing-masing, dan jarak H dari transduser pemancar ke sampel ialah 15 m, bincangkan keputusan pengukuran apabila terdapat ralat 1% dalam jarak H dari transduser pemancar ke sampel. Keputusan pengukuran diberikan apabila jarak d dari hidrofon vektor ke sampel adalah berbeza, dan jarak H dari transduser pemancar ke sampel mempunyai ralat 1%. Daripada rajah tersebut, dapat dilihat bahawa hasil pengukuran dan nilai teori mempunyai trend yang sama dengan frekuensi, dan semakin tinggi frekuensi, semakin tinggi frekuensinya. Hasilnya adalah lebih tepat, dan kaedah pengukuran ini tidak sensitif kepada ralat jarak antara hidrofon vektor dan sampel.

3 Penyelidikan eksperimen dan pemprosesan data

 

Gambarajah blok komposisi perkakasan sistem pengukuran ditunjukkan dalam Rajah 11. Sistem ini terdiri daripada hujung kering dan hujung basah. Hujung kering terutamanya terdiri daripada penjana isyarat sewenang-wenangnya, penguat kuasa, litar penyaman hidrofon vektor dan pengumpul isyarat, dan lain-lain, yang digunakan untuk penjanaan isyarat, penghantaran dan pemerolehan. Hujung basah terutamanya terdiri daripada transduser pemancar, hidrofon vektor dua dimensi frekuensi rendah dan sampel untuk mengukur sampel. Hujung basah diletakkan di dalam kolam anechoic dengan saiz geometri 25 m × 15 m × 10 m, dan pusat bunyi terletak 5 m di bawah air. Kolam diredam pada enam sisi, dan had bawah penyerapan bunyi ialah 2 kHz. Sampel yang akan diuji ialah plat aluminium dengan saiz geometri 1m×1m×0.006 m. Transduser pemancar digantung di pinggir kenderaan di atas kolam, dan jarak H dari sampel ialah 4.95 m. Sampel dipasang pada peranti mengangkat dan berputar, dan sampel boleh diputar pada sudut semasa pengukuran dan bergerak dengan lancar dalam tiga dimensi. Hidrofon vektor diletakkan di hujung hadapan sampel, dan jarak d dari permukaan sampel ialah 5.5 cm. Transduser pemancar ialah sumber bunyi silinder, dan Rajah 12 menunjukkan keluk tindak balas voltan penghantarannya.

 

Ia boleh dilihat daripada Rajah 12 bahawa transduser pemancar mempunyai keupayaan sinaran yang lemah di bawah 2.5 kHz. Jalur frekuensi kerja berkesan hidrofon vektor dua dimensi frekuensi rendah ialah 1 ~ 12 kHz. Semasa penggunaan, saluran vektor Vy menghala ke sampel yang akan diuji, dan Vx menghala ke dinding kolam. Mula-mula hantar urutan pseudo-rawak 16 pesanan untuk mengenal pasti dan mengukur.

 

Rajah 12 Memancarkan lengkung tindak balas voltan transduser pemancar

 

Fungsi pemindahan sistem, dan reka bentuk penapis songsang. Rajah 13 menunjukkan hasil pengenalpastian fungsi pemindahan sistem pengukuran. Dalam rajah, hp(f), hvx(f) dan hvy(f) ialah nilai terukur bagi fungsi pemindahan saluran tekanan bunyi, saluran vektor Vx dan saluran Vy bagi sistem pengukuran masing-masing; hpinv(f), hvxinv(f) dan hvyinv(f) masing-masing ialah fungsi pemindahan penapis songsang.

Ia dapat dilihat daripada Rajah 13 bahawa hasil pengenalan fungsi pemindahan saluran vektor Vx adalah tidak sah. Ini kerana dalam situasi penggunaan di atas, 'pit' saluran vektor hidrofon Vx menghadap sumber bunyi, dan isyarat yang diterima oleh saluran ini hanyalah kolam. Dinding memantulkan isyarat akustik, jadi keputusan pengenalan sistem tidak tepat. Kekalkan kedudukan spatial dan orientasi transduser pemancar dan transduser hidrofon vektor tidak berubah, letakkan sampel, dan hantarkan isyarat akustik berdenyut Butterworth dengan lebar jalur 500 hingga 12.5 kHz. Rajah 14 menunjukkan data asal dan bentuk gelombang isyarat diubah suai yang diterima oleh setiap saluran hidrofon vektor. Ia boleh dilihat daripada Rajah 14 bahawa bentuk gelombang domain masa isyarat selepas pembetulan penapis songsang menjadi teratur dan tenaga lebih pekat. Kemudian hitung kelewatan masa bunyi langsung dan bunyi difraksi bunyi yang dipantulkan dari tepi sampel mengikut parameter susun atur spatial sistem pengukuran, dan tambah tingkap untuk memintas data berguna, dan hitung pekali pantulan bunyi biasa bagi sampel seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 15.

Rajah 15 menunjukkan keputusan pengukuran sebelum dan selepas pampasan. Dapat dilihat bahawa hasil pengukuran fungsi pemindahan sistem ukuran tidak berkompensasi mempunyai ralat yang besar dan hampir tidak sah. Ketepatan pengukuran bertambah baik selepas pemprosesan penapis selepas songsang. Apabila frekuensi lebih besar daripada 2.5kHz, ralat pengukuran selepas pembetulan penapis pasca songsang adalah kecil, dan hasil pengukuran di bawah 2.5kHz mempunyai ralat yang besar. Sebabnya ialah keupayaan penghantaran frekuensi rendah transduser pemancar adalah terhad, dan komponen isyarat frekuensi rendah tenggelam dalam bunyi latar belakang, jadi hasil pengukuran adalah lemah.

 

4 Kesimpulan

Kertas kerja ini mencadangkan kaedah untuk mengukur pekali pantulan akustik biasa bagi bahan akustik bawah air berdasarkan hidrofon vektor tunggal. Kaedah ini akan berdenyut. Gabungan teknologi pelepasan impuls, teknologi pemprosesan isyarat vektor dan teknologi penapis pasca songsang, melalui teknologi penapis pasca songsang untuk menerima hidrofon vektor.

 

Data diberi pampasan, herotan isyarat yang disebabkan oleh fungsi pemindahan sistem pengukuran ditindas, dan bunyi pembelauan tepi dan berbilang laluan sampel dihapuskan dalam domain masa. Gangguan isyarat meningkatkan ketepatan pengukuran. Prinsip pengukuran disimpulkan secara teori, pengaruh ralat sistem pengukuran dikaji melalui pengiraan berangka dan simulasi, dan kajian eksperimen dijalankan. Hasil pengiraan berangka dan simulasi menunjukkan bahawa kaedah pengukuran yang diterangkan dalam artikel ini mempunyai keperluan tertentu untuk nisbah isyarat kepada hingar; Penggunaan sistem yang tidak tepat dan tidak sensitif. Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa kaedah yang diterangkan dalam kertas ini dapat merealisasikan pengukuran skala besar medan bebas secara berkesan bagi pekali pantulan akustik biasa bahan akustik bawah air, tetapi disebabkan oleh had keupayaan sinaran frekuensi rendah transduser pemancar, ralat pengukuran frekuensi rendah adalah agak besar.