Meetmethode voor de akoestische reflectiecoëfficiënt van akoestische materialen onder water met een enkele vectorhydrofoon

Het is bjectief om de veranderingen in de vorm en de geometrische positie van het akoestische brandpuntsbereik van de concaaf te bestuderen bolvormige ultrasone transducer wanneer de geluidsintensiteit hoog is en het medium een ​​grote demping heeft. Vanuit het perspectief van de fysieke akoestiek worden de effecten van niet-lineariteit en mediaverzwakking veroorzaakt door hoge geluidsintensiteit op het brandpuntsbereik geanalyseerd, en wordt het lineaire superpositie-algoritme van integraal gebruikt om numerieke simulatieberekeningen uit te voeren. Zowel theoretische analyse als numerieke berekening laten zien dat met de toename van de geluidsintensiteit en gemiddelde verzwakking de geometrische positie van de akoestische focuszone een millimeter-niveau vooruitgaat langs de akoestische as in de richting van de transducer; tegelijkertijd veranderde de vorm van de akoestische focuszone geleidelijk van een symmetrische lange ellipsoïde naar een korte ellipsoïde met een 'dikke kop en dunne staart'.

 

Hoge geluidsintensiteit en gemiddelde verzwakking hebben een belangrijke invloed op de positie en vorm van het geluidsbrandpuntsgebied van de concave bolvormige transducer. Er moet volledige aandacht worden besteed aan de precieze positionering en dosiscontrole van HIFU-apparatuur, de formulering van inspectienormen en zelfs de klinische toepassing.

 

mijn land heeft opmerkelijke doorbraken geboekt in de ontwikkeling en klinische toepassing van gefocusseerde echografie met hoge intensiteit (high-intensity gefocuste echografie (HIFU)-apparatuur). Om echter echt een nauwkeurige positionering en controle van de behandelingsdosis op de apparatuur te bereiken, zodat de klinische behandeling het ideale effect kan bereiken van het effectief doden van de laesie zonder de omliggende normale weefsels te beschadigen, zijn er nog veel theoretische en technische problemen die diepgaand moeten worden bestudeerd en opgelost. Binnenlandse en buitenlandse experimentele onderzoeken naar de vorming van schade aan HIFU in biologische weefsels hebben aangetoond dat met de toename van de geluidsintensiteit de positie van de focuszone naar voren beweegt en geleidelijk verandert van een lange ellipsoïde naar een 'kikkervisjevorm' of een 'kegelvorm'. Hoewel de buitenlandse literatuur de afgelopen jaren enkele kwalitatieve verklaringen heeft gegeven voor het bovengenoemde fenomeen door de niet-lineaire akoestische golfvoortplantingsvergelijking (KZK-vergelijking) numeriek op te lossen, is de berekeningsprocedure ingewikkeld en is de fysieke relatie in het berekeningsproces onduidelijk. Om deze reden neemt dit artikel de concave sferische focusseringstransducer als voorbeeld, en bespreekt het probleem door de invloed van de mediumverzwakking en de niet-lineaire voortplantingskarakteristieken onder hoge geluidsintensiteit op het brandpuntsbereik te bestuderen.

 

In ons eerdere werk, gebaseerd op de Kirchhoff-diffractie-integraal, hebben we de uitdrukking van de geluidsdruk op elk punt in het geluidsveld met één frequentie afgeleid onder de voorwaarde van een lineair geluidsveld met een concave sferische focusserende transducer met uniforme straling op het oppervlak (ook wel Rayleigh-punten genoemd).

 

Uit de analyse van de niet-lineaire akoestiektheorie blijkt dat wanneer de geluidsdruk van de sinusgolf met één frequentie die van het oppervlak van de transducer naar het medium wordt uitgestraald groot genoeg is, dit een 'eindige amplitudegolf' wordt genoemd, die zich over een bepaalde afstand voortplant in het medium (de discontinue afstand genoemd). ), zal de golfvorm worden vervormd tot een zaagtandgolf, die ook als schokgolf kan worden beschouwd. Naast de fundamentele frequentie van de oorspronkelijke emissie omvat het frequentiespectrum van deze golf ook een reeks hogere harmonischen. Ze worden geleidelijk gegenereerd door het continu absorberen van energie uit de fundamentele golf tijdens de voortplanting van geluidsgolven, dat wil zeggen de weefselharmonischen in de ultrasone geneeskunde. De amplitudecoëfficiënt kan worden gebruikt om de voortplanting van harmonischen van hoge orde met de voortplantingsafstand en de relatie van energieveranderingen tijdens voortplanting te beschrijven.

 

De zaagtandgolf vormt een afstand, dus het is een dimensieloze grootheid die de voortplantingsafstand weerspiegelt. Op basis hiervan hebben we de amplitudecoëfficiëntcurve van de fundamentele golf en de eerste 3 harmonischen berekend. Wanneer de geluidsgolf zich in het medium voortplant, neemt de geluidsdruk exponentieel af met de afstand, wat in een vorm kan worden uitgedrukt. Voor algemene zachte weefsels is de verzwakkingscoëfficiënt TM ruwweg evenredig met de frequentie. Om de berekening te vereenvoudigen, drukt dit artikel de verzwakkingscoëfficiënt van elke harmonische component uit, waarbij α het geluidsverzwakkingssysteem is van de fundamentele frequentie-geluidsgolf in biologische weefsels per afstandseenheid.

 

 

Het moet de geluidsabsorptie en verstrooiing van het weefsel omvatten. Na overweging van de bovengenoemde twee factoren (niet-lineariteit en verzwakking), kan de uitdrukking van de geluidsdruk in het gefocusseerde geluidsveld worden uitgebreid naar de volgende vorm: is het golfnummer van elke harmonische. Deze formule noemen we het lineaire superpositie-algoritme van de Rayleigh-integraal.

 

Resultaat:

 

1 De invloed van gemiddelde verzwakking op het brandpuntsbereik van geluid. De parameters van de concave sferische transducer die in dit artikel wordt gebruikt, zijn: kromtestraal R = 15 cm, openingsstraal a = 42 cm, werkfrequentie f = 1,7 MHz. Ervan uitgaande dat het medium algemeen zacht weefsel is, ligt de verzwakkingscoëfficiënt α in het bereik van 01-30 dB stoofpot (cm·Mz). De geluidssnelheid, dichtheid en andere parameters van het medium worden bepaald volgens de relevante literatuur. Om de verzwakkingscoëfficiënt als een enkele beïnvloedende factor te bestuderen, hoeft slechts één enkele frequentie, namelijk de fundamentele frequentie, berekend en geanalyseerd te worden voor de veranderingswet van het geluidsfocusdomein met verschillende α-waarden. Om deze reden werd in de formule een reeks numerieke berekeningen uitgevoerd door M=1 te nemen. De resultaten laten zien dat met de toename van de verzwakking, dat wil zeggen wanneer α = 0,3, 13 en 23 dB stoofpot (cm·Mhz), de vorm van het akoestische brandpuntsgebied van -6 dB geleidelijk verandert van een lange ellipsoïde naar een korte ellipsoïde, en zijn lange as1 en korte as .

 

2. Ze zijn respectievelijk 111, 104 en 92. De positie van de focuszone (positie op de akoestische as), de laatste twee liggen respectievelijk 30 mm en 65 mm voor op de eerste langs de akoestische as van de transducer. Tegelijkertijd is de kop van de focuszone (het uiteinde dichtbij de transducer) 'dikter' dan de staart (het uiteinde ver van de transducer).

 

2 Het effect van niet-lineariteit veroorzaakt door een hoge geluidsintensiteit op het focusbereik van het geluid is hetzelfde; de ​​geluidsdruk van de oppervlaktestraling wordt als één factor beschouwd en de waarden ervan zijn respectievelijk 44, 73, 4 MPa en α = 3dB stoofpot (cm·MHz). Gezien het feit dat de verzwakking van het medium snel toeneemt met de toename van de harmonische frequentie, hoeft het aantal harmonischen niet te groot te zijn. De berekeningsresultaten laten zien dat: naarmate de geluidsdruk aan het oppervlak toeneemt, de positie en vorm van de brandpuntszone veranderen, in tegenstelling tot wanneer de verzwakkingscoëfficiënt verandert. Het is zo groot, maar de veranderende wet is vergelijkbaar. Dat wil zeggen dat de posities van de laatste twee brandpuntsgebieden respectievelijk 16 mm en 21 mm naar voren worden verplaatst; de verhouding tussen de lange en korte as van het brandpuntsgebied van 6 dB is respectievelijk 119, 116 en 113, en de kop van het brandpuntsgebied heeft ook de neiging om 'dik' te worden.

 

3 Het gecombineerde effect van verzwakking en niet-lineariteit op het brandpuntsbereik van geluid.

De bovengenoemde twee factoren worden ter berekening gelijktijdig in formule (3) opgenomen. Figuur 3(a) en Figuur 3(b) laten respectievelijk zien dat α=3dB stoofpot (cm·MHz), P′ 0=44MPa en α=2,3dB stoofpot (cm·MHz), P′0=44MPa

Wanneer tegelijkertijd verzwakking en niet-lineaire effecten in aanmerking worden genomen, is de contour van de iso-geluidsdruklijn in de focuszone het berekeningsresultaat in de figuur. Vergeleken met de twee is de positie van de focuszone 8,4 mm naar voren verschoven en is de verhouding tussen de grote en secundaire assen van de focuszone veranderd van 11,9 naar 8,5. Het laat zien dat de veranderingstrend van de focuszone, veroorzaakt door de verzwakkingscoëfficiënt en niet-lineariteit, hetzelfde is, waardoor het algehele effect wordt versterkt.

 

 

tot slot

De theoretische analyse- en berekeningsresultaten in dit artikel laten zien dat: hoge geluidsintensiteit en gemiddelde verzwakking een belangrijke invloed hebben op de vorm en positie van de geluidsfocale zone; hoe groter de verzwakkingscoëfficiënt van het medium, hoe hoger de geluidsintensiteit (dat wil zeggen, hoe sterker de niet-lineariteit) en de geluidsfocus. Hoe dichter het veld bij de transducer is; de verhouding tussen de lange en korte assen van het brandpuntsveld wordt ook kleiner, dat wil zeggen dat de vorm geleidelijk verandert van een lange ellipsoïde naar een korte ellipsoïde, en de kop van het geluidsfocusgebied wordt 'dik' dan de staart. Fenomeen, de vorm neigt naar 'wortel'. De bovenstaande conclusies bieden een basis voor het kwantitatief analyseren van de veranderingswet van het geluidsfocusgebied van het HIFU-geluidsveld, en voor het verder bestuderen van de relatie tussen het geluidsfocusgebied en het schadegebied.

 

Meetmethode voor grote monsters van akoestische reflectiecoëfficiënt van akoestische onderwatermaterialen met enkele vectorhydrofoon

 

Om de breedbandmeting in het vrije veld van de normale akoestische reflectiecoëfficiënt van akoestische materialen onder water te realiseren, wordt een enkele vectorhydrofoon gebruikt als de kernuitrusting van het meetsysteem, gecombineerd met pulsakoestische emissietechnologie en post-inverse filtersignaalverwerkingstechnologie, wordt een enkele vectorhydrofoon op basis van een enkele vectorhydrofoon voorgesteld. De vrije veldbreedbandmeetmethode van de normale akoestische reflectiecoëfficiënt van het onderwaterakoestische materiaal van het onderwaterakoestische materiaal, via de vectorhydrofoon elektronische rotatietechnologie om de effectieve scheiding van het directe geluid en het gereflecteerde geluid te realiseren. De invloed van de meetsysteemfout en de signaal-ruisverhouding van het ontvangen signaal op het meetresultaat wordt besproken. Deze methode stelt bepaalde eisen aan de signaal-ruisverhouding, maar is niet gevoelig voor de meetsysteemfout. De experimentele testresultaten laten zien dat: Vergeleken met de experimentele testresultaten zonder post-inverse filterverwerking, de in het artikel beschreven methode de meetprestaties aanzienlijk verbetert, maar beperkt door het laagfrequente emissievermogen van de zendende transducer, de experimentele resultaten boven 2,5 kHz liggen en de theoretische waarden goed overeenkomen.

 

De akoestische reflectiecoëfficiënt is een belangrijke parameter die de akoestische prestaties van akoestische onderwatermaterialen karakteriseert. Momenteel kunnen de meetmethoden van de akoestische reflectiecoëfficiënt van akoestische materialen onder water grofweg worden verdeeld in de akoestische buismethode met kleine monsters in het laboratorium en de vrije veldmeetmethode met grote monsters. Metingen in het vrije veld van grote monsters worden over het algemeen uitgevoerd in een groot echovrij zwembad. Door geluiddempend materiaal op de rand van het zwembad te leggen om het gereflecteerde geluid van de zwembadgrens te absorberen, is het door de hydrofoon ontvangen signaal alleen het directe geluid en het gereflecteerde geluid van het monster. Vanwege de beperking van de ondergrens van de echovrije pool is het laagfrequente multipath-effect echter duidelijk; bovendien wordt de vrije-veldmeetmethode vooral verstoord door het randdiffractie-effect van het monster, en deze interferentie is bijzonder ernstig in de laagfrequente band. Om de bovenstaande problemen op te lossen, wordt impulsgeluidtesttechnologie veel gebruikt bij het meten van akoestische parameters van akoestische onderwatermaterialen. Het is de belangrijkste technologie om gepulseerde akoestische signalen met regelbare golfvormen en zonder vervorming te verzenden. De overdrachtsfunctie van de zendtransducer beperkt echter de lagere frequentie van de impulsgeluidtesttechnologie in een beperkte meetruimte. Om deze reden is een verscheidenheid aan compensatiemethoden voorgesteld, zoals de breedbandpulssuperpositiemethode voorgesteld door Li Shui et al. Deze methode maakt gebruik van inverse filtertechnologie om het excitatiesignaal van de zendende transducer voor te verwerken om de transmissiefunctie van de zendende transducer te compenseren, zodat het door de zendende transducer uitgestraalde signaal een ideale scherpe puls is, die de ondergrensfrequentie van de meting effectief vermindert.

 

Anders dan de bovenstaande methode verwerkt de 'post-inverse filtertechnologie' het signaal aan de ontvangende kant van de hydrofoon om het doel van het compenseren van de frequentierespons van de zendende transducer te bereiken. De 'post-inverse filtertechnologie' wordt in de akoestische buis toegepast om breedbandmetingen van de geluidsabsorptiecoëfficiënt van onderwater akoestische materialen . Deze methode verkrijgt eerst de overdrachtsfunctie van het meetsysteem, compenseert vervolgens het observatiesignaal en verkrijgt ten slotte de akoestische reflectiecoëfficiënt van het monster door het gecompenseerde amplitudespectrum van het observatiesignaal te delen met het standaard amplitudespectrum van het reflectiesignaal van het monster, en berekent verder de absorptie Geluidscoëfficiënt. De afgelopen jaren zijn vectorsensoren met succes toegepast bij het meten van akoestische parameters van aero-akoestische materialen, zoals de oppervlakte-impedantiemethode en de geluidsintensiteitsmethode. De vectorhydrofoon kan de geluidsveldinformatie synchroon en op hetzelfde punt oppikken, waardoor de post-signaalverwerkingsruimte wordt vergroot, en de gezamenlijke verwerking van geluidsdruk- en trillingssnelheidssignalen kan een bepaalde ruimtelijke gerichtheid vormen, die kan interfereren met het diffractiegeluid van de monsterrand. Tot een bepaalde mate van onderdrukking is het niet nodig om een ​​conventionele grote geluidsdrukontvangstarray te gebruiken, wat de complexiteit van het meetsysteem vermindert. Tegelijkertijd kan de maximale uitvoerrichting van de gecombineerde verwerking van geluidsdruk en trillingssnelheid van de vectorhydrofoon in een vooraf bepaalde richting worden gericht via elektronische rotatietechnologie, wat het effectieve afpellen van direct geluid en gereflecteerd geluid vergemakkelijkt. Bovendien heeft de vectorhydrofoon ook de voordelen van een goede laagfrequente directiviteit en weerstand tegen isotrope ruis. Daarom heeft het gebruik van een vectorhydrofoon om de geluidsreflectiecoëfficiënt van een materiaal te testen, vergeleken met de traditionele geluidsdrukhydrofoon, bepaalde voordelen. Dit artikel presenteert een breedbandmeetmethode voor de normale akoestische reflectiecoëfficiënt van akoestische materialen onder water met een groot vrij veldmonster. Deze methode maakt gebruik van een enkele vectorhydrofoon als kernuitrusting van het meetsysteem, combineert gepulseerde akoestische emissietechnologie en post-inverse filtertechnologie om signaalgolfvormvervorming te onderdrukken, elimineert monsterranddiffractiegeluid en meerpadsinterferentiegeluid in het tijdsdomein, en passeert vervolgens. De elektronische rotatietechnologie van de vectorhydrofoon realiseert de effectieve scheiding van het directe geluid en het gereflecteerde geluid, en uiteindelijk wordt de normale geluidsreflectiecoëfficiënt van het monster verkregen door de twee te delen.

 

1 Meetproces

Om het meetprincipe van deze methode uit te leggen en tegelijkertijd het meetproces uit te leggen, worden de bijbehorende formule-afleiding en simulatieresultaten gegeven.

 

1.1 De overdrachtsfunctie-identificatie en het inverse filterontwerp van het meetsysteem Voordat het monster wordt getest, moet eerst de overdrachtsfunctie van het meetsysteem worden verkregen. Anders dan de traditionele geluidsdrukhydrofoon, bevat de vectorhydrofoon een geluidsdrukkanaal en een trillingssnelheidskanaal, dus de overdrachtsfunctie van elk meetkanaal van de vectorhydrofoon moet tegelijkertijd worden verkregen. Tijdens de meting wordt het ideale pulssignaal via de zendtransducer in het watermedium uitgestraald en vervolgens via het hydro-akoestische kanaal naar het ontvangstpunt verzonden en uiteindelijk ontvangen door de vectorhydrofoon en verzameld door de collector. Daarom kan het meetsysteem in drie delen worden verdeeld, namelijk het signaalzendsysteem, het akoestische onderwaterkanaal en het signaalontvangstsysteem. Als we het geluidsdrukkanaal als voorbeeld nemen, wordt het ontvangen signaalmodel weergegeven in Figuur 1.

In figuur 1 is s(f) het uitgezonden signaalspectrum, T(f), Hp(f) en R(f) zijn de overdrachtsfuncties van respectievelijk het zendsysteem, het geluidsdrukhydro-akoestische kanaal en het signaalontvangstsysteem, en N(f) is het achtergrondruisspectrum, Y(f) is het uitgangssignaalspectrum van het meetsysteem. De post-inverse filtertechniek is bedoeld om een ​​invers filter te ontwerpen om T(f) en R(f) te compenseren wanneer de overdrachtsfunctie van het meetsysteem bekend is. Neem het geluidsdrukkanaal als voorbeeld om het basisprincipe van de overdrachtsfunctie-identificatie van het meetsysteem te illustreren. Methode 1 Beschouw het signaalzendsysteem en het signaalontvangstsysteem als geheel, dat wil zeggen H(f) = T(f) + R(f). Het ingangssignaal is x(t), het systeemuitgangssignaal is y(t), de achtergrondruis is n(t), Y(f) = H(f) X(f) + N(f) (1) waarbij X(f), Y(f) en N(f) respectievelijk de Fourier-transformatie zijn van het systeemingangssignaal x(t), het systeemuitgangssignaal y(t) en de achtergrondruis n(t). Na berekening is de geschatte waarde van H(f) ^H(f) =Gxy(f)Gxx(f) (2) waarbij Gxy(f) het kruisvermogensspectrum is van het ingangssignaal en het uitgangssignaal van het systeem, en Gxx(f) het eigenvermogensspectrum is van het ingangssignaal van het systeem.

 

Naast de bovengenoemde methoden voor identificatie van meetsystemen kunnen ook pseudo-willekeurige sequentie-identificatietechnieken worden gebruikt. Methode 2 Stel dat het ingangssignaal x(t) van het meetsysteem een ​​pseudo-willekeurige reeks is (MLS-reeks), en het uitgangssignaal van het systeem y(t). Het is duidelijk dat y(t) = x(t) * h(t) (3) waarbij * Convolutie betekent, h(t) de eenheidsimpulsresponsfunctie van het systeem is. Bereken de correlatiefunctie tussen het ingangssignaal en het uitgangssignaal van het systeem, rxy = ∫x(τ) y(τ-t) dτ = h(t) * rxx(t) (4) waarbij rxy de kruiscorrelatie is tussen de ingang en uitgang van de systeemfunctie, rxx de autocorrelatiefunctie van het ingangssignaal is. Omdat de MLS-reeks betere autocorrelatiekenmerken heeft, dat wil zeggen rxx(n) = δ(n)-1L + 1 . waarbij L = 2m-1 de lengte van de reeks is, en m de volgorde van de pseudo-willekeurige reeks is. Het is gemakkelijk in te zien dat de geschatte waarde van de impulsresponsfunctie ^h(t) van de systeemeenheid ^h(t) ≈ rxy is (6) Verdere Fourier-transformatie kan de geschatte waarde ^H(f) van de systeemoverdrachtsfunctie van het meetsysteem verkrijgen. Nadat u ^H (f) hebt verkregen, ontwerpt u het inverse filter H-1(f) in het frequentiedomein als Hpost(f) =^H( f)| ^H(f) | 2 + q( 7) waarbij Q een normaal getal is, doorgaans 1% van de maximale waarde van | ^ H (f) | 2. Simulatieconditie 1 De zendtransducer en de hydrofoon worden op gelijke diepte in een echovrij zwembad geplaatst, de afstand tussen de twee is 1 m, en het verzonden signaal is een MLS-reeks van 16 ordes. Om het systeem te identificeren worden respectievelijk methode 1 en methode 2 gebruikt. De verhoudingen zijn 10, 20 en 30 dB. Beoordeel de voor- en nadelen van de identificatieresultaten van de overdrachtsfunctie van de twee methoden bij verschillende signaal-ruisverhoudingen. In de simulatie wordt de eenheidsimpulsresponsfunctie van het systeem gesimuleerd door Gaussiaanse pulsen toe te voegen met middenfrequenties van 1, 2, 4 en 8 kHz.

 

Figuur 3 toont de identificatieresultaten van de overdrachtsfunctie van het meetsysteem onder de bovengenoemde omstandigheden. Uit de figuur blijkt dat de twee systeemidentificatiemethoden die in dit artikel worden beschreven, effectief de overdrachtsfunctie van het meetsysteem kunnen verkrijgen. Methode 1 stelt echter bepaalde eisen aan de signaal-ruisverhouding. Wanneer de signaal-ruisverhouding groter is dan 30 dB, is het identificatieresultaat nauwkeurig. Het systeemidentificatieresultaat van methode 2 is beter dan dat van methode 1, en zeer nauwkeurige identificatieresultaten kunnen nog steeds worden verkregen onder de voorwaarde van een lage signaal-ruisverhouding. Dit komt omdat het achtergrondgeluid een kleine correlatie heeft met het excitatiesignaal van de geluidsbron, waardoor deze methode een zeker anti-ruisvermogen heeft. Hieronder volgt een analyse van de effectiviteit van de in dit artikel beschreven meetmethode door middel van simulatie en numerieke berekeningen.

 

1.2 Observatiegegevensverwerking

1) Verkrijg observatiegegevens. Het diagram van het meetprincipe onderwater akoestische transducersensor  wordt getoond in figuur 4. In de figuur is ri het directe geluidspad en de afstand van de vectorhydrofoon tot het monster is d, het gereflecteerde geluidspad is ri + 2d, re = rs + rr is het afgebogen geluidspad, rq is het gereflecteerde geluidspad aan de grens van het zwembad, pi is het directe geluid, pr is het gereflecteerde geluid, pe is het afgebogen geluid aan de rand van het monster, pq Het is een interferentiegeluid in meerdere richtingen.

 

Stel dat het excitatiesignaalspectrum van de zendende transducer s(f) is, en dat de karakteristieke impedantie van het medium wordt genegeerd. Zonder verlies van algemeenheid is de frequentiedomeinexpressie van het signaal ontvangen door de tweedimensionale vectorhydrofoon 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) In de formule is Rs(f) de akoestische reflectiecoëfficiënt van het monster, die afhangt van de geluidsgolffrequentie en de invalshoek, D(f) is de randdiffractiecoëfficiënt van het monster, Rq(f) is de reflectiecoëfficiënt van de zwembadgrens, τr, τe en τq zijn respectievelijk de tijdsvertragingen van gereflecteerd geluid, monsterranddiffractiegeluid, en zwembadgrensreflectiegeluid en direct geluid. θi, θr, θe en θq zijn respectievelijk direct geluid, gereflecteerd geluid, monsterranddiffractiegeluid en zwembadgrensreflectiegeluid. De invalshoek van de geluidsgolf, Hpt(f), Hvxt(f) en Hvxt(f), vertegenwoordigt respectievelijk de overdrachtsfunctie van elk meetkanaal van het meetsysteem.

 

2) De compensatie van de overdrachtsfunctie van het meetsysteem. Vermenigvuldig het ontworpen inverse filter met het frequentiespectrum van de overeenkomstige kanaalobservatiegegevens om het gecompenseerde signaal te verkrijgen. Het frequentiespectrum Ppost(f), Vxpost(f) en Vypost(f) zijn 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)

 

Simulatievoorwaarde 2 Stel dat de diepte van het zwembad 10 m is, de lanceertransducer, de vectorhydrofoon en de waterdiepte h van het te testen monster 5 m zijn. De afstand H van de zendende transducer tot het monster is 15 m, de afstand d van de vectorhydrofoon tot het monster is 10 cm, het zendsignaal is een Butterworth-pulsakoestisch signaal, de signaalbandbreedte is 500-10 kHz en de bemonsteringsfrequentie fs = 131.072 Hz en een signaal-ruisverhouding van 30 dB. Neem het geluidsdrukkanaal als voorbeeld om de effectiviteit van de post-inverse filtercompensatie te verifiëren. In de simulatie is het te testen monster een aluminiumplaat met een dikte van 0,006 m en een geometrische afmeting van 1 m×1 m. De randdiffractiecoëfficiënt van het monster wordt gesimuleerd met een laagdoorlaatfilter.

Figuur 5 toont het compensatie-effect van het post-inverse filter van het geluidsdrukkanaal. De figuur laat zien dat de signaalgolfvorm na compensatie regelmatiger en vloeiender is, waardoor de signaalvervorming die wordt veroorzaakt door de overdrachtsfunctie van het meetsysteem effectief wordt onderdrukt en interferentie zoals randdiffractiegeluid wordt geëlimineerd.

 

3) Elimineer interferentiegeluiden. Bereken de tijdsvertraging van gereflecteerd geluid, bemonster diffractiegeluid en poolgrensreflectiegeluid volgens de implementatieparameters van het meetsysteem, en voer inverse Fourier-transformatie van vergelijking (9) uit om het tijddomeinsignaal te verkrijgen, voeg vervolgens een venster toe om het nuttige signaal te onderscheppen en voer Fourier Leaf-transformatie uit, we krijgen 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)] waarbij Pc(f), Vxc(f) en Vyc(f) respectievelijk het signaalspectrum van elk kanaal zijn. Scheid het directe geluid en het gereflecteerde geluid en verkrijg de geluidsreflectiecoëfficiënt van het monster. Stel dat de leidende azimut van de vectorhydrofoon ψ is, en de berekende samengestelde deeltjessnelheid Vc is Vc( f) = Vxc( f) cos( ψ) + Vyc( f) sin( ψ) (11) Richt eerst de leidende azimut naar de zender Let ψ = 0, en voer (p + vc) 2 gezamenlijke verwerking uit, waarbij de algemene term s(f) wordt weggelaten, en verkrijg de gezamenlijke verwerkingsuitvoer Ii als Ii = [Pc( f) + Vc( f)] 2ψ = 0 = 4 (12) Richt de leidende azimut opnieuw op het monster, dat wil zeggen, laat ψ = π, en voer de gezamenlijke verwerking van (p + vc) 2 uit om de gezamenlijke verwerkingsoutput te verkrijgen Ir = [Pc( f) + Vc( f)] 2ψ = π = 4 [R2s( f) e－2jωτr］

 

2 Analyse van meetfouten

Simulatieconditie 3 De parameters van het meetsysteem blijven ongewijzigd, het verzonden signaal is een gepulseerd akoestisch signaal van Butterworth en de signaalbandbreedte is 500 ~ 10 kHz. Zonder rekening te houden met het diffractie-effect van de monsterrand en de invloed van het reflectiegeluid aan de poolgrens, wordt de signaal-ruisverhouding besproken. Bij 20, 30 en 40 dB verandert het meetresultaat met de frequentie. De meetresultaten en meetrelatieve foutcurven onder verschillende signaal-ruisverhoudingen worden getoond. Uit de figuur blijkt dat de relatieve meetfout afneemt met de frequentie-oscillatie, en dat de lage frequentieband sterk wordt beïnvloed door de signaal-ruisverhouding; bovendien, wanneer de signaal-ruisverhouding 20 dB is, is de veranderingstrend van het meetresultaat hetzelfde als de theoretische waarde, maar heeft het meetresultaat een grotere fout; laag De meetfout in de grote frequentieband wordt veroorzaakt doordat de akoestische reflectiecoëfficiënt klein is en kleine fluctuaties grote relatieve fouten kunnen veroorzaken. In de daadwerkelijke test zal, naast de signaal-ruisverhouding, ook de plaatsingsfout van het meetsysteem invloed hebben op de meetresultaten. De volgende simulatie analyseert de impact van de plaatsingsfout van het meetsysteem. Simulatieconditie 4 De parameters van het meetsysteem blijven ongewijzigd, ongeacht interferentie zoals achtergrondruis en diffractie van de monsterrand. De afstand H van de geluidsbron tot het monster is respectievelijk 5, 10 en 15 m. Er wordt besproken wanneer de afstand d van de vectorhydrofoon tot het monster 10 bedraagt. Het meetresultaat bij een foutpercentage van %. De meetresultaten worden gegeven wanneer de afstand H van de zendertransducer tot het monster verschillend is, en de afstand d van de vectorhydrofoon tot het monster een fout van 10% heeft. De figuur laat zien dat het meetresultaat niet gevoelig is voor de fout van de afstand tussen de vectorhydrofoon en het monster; H De meetresultaten vallen niet bijna gelijktijdig samen. Het is duidelijk dat het bij de daadwerkelijke test alleen nodig is om de juiste H te selecteren op basis van de geometrische grootte van de meetpool. Simulatieconditie 5 De parameters van het meetsysteem blijven ongewijzigd, ongeacht interferentie door achtergrondruis en diffractie van de monsterrand. De afstand d van de vectorhydrofoon tot het monster is respectievelijk 5, 10 en 15 cm, en de afstand H van de zendende transducer tot het monster is 15 m. Bespreek de meetresultaten als er een fout van 1% is in de afstand H van de zendertransducer tot het monster. De meetresultaten worden gegeven wanneer de afstand d van de vectorhydrofoon tot het monster verschillend is, en de afstand H van de zendende transducer tot het monster een fout van 1% heeft. Uit de figuur blijkt dat het meetresultaat en de theoretische waarde dezelfde trend met betrekking tot de frequentie hebben, en hoe hoger de frequentie, hoe hoger de frequentie. Het resultaat is nauwkeuriger en deze meetmethode is niet gevoelig voor de fout in de afstand tussen de vectorhydrofoon en het monster.

3 Experimenteel onderzoek en dataverwerking

 

Het blokschema van de hardwaresamenstelling van het meetsysteem wordt weergegeven in figuur 11. Het systeem bestaat uit een droog uiteinde en een nat uiteinde. Het droge uiteinde bestaat hoofdzakelijk uit een willekeurige signaalgenerator, een eindversterker, een vectorhydrofoonconditioneringscircuit en een signaalcollector, enz., die worden gebruikt voor het genereren, verzenden en verwerven van signalen. Het natte uiteinde bestaat hoofdzakelijk uit een zendtransducer, een laagfrequente tweedimensionale vectorhydrofoon en een monster om het monster te meten. Het natte uiteinde wordt in een echovrij zwembad geplaatst met een geometrische afmeting van 25 mx 15 mx 10 m, en het geluidscentrum bevindt zich 5 m onder water. Het zwembad is aan zes zijden gedempt en de ondergrens voor geluidsabsorptie is 2 kHz. Het te testen monster is een aluminiumplaat met een geometrische afmeting van 1m×1m×0,006 m. De zendertransducer is opgehangen aan de rand van het voertuig boven het zwembad en de afstand H tot het monster is 4,95 m. Het monster wordt op het hef- en roterende apparaat bevestigd en het monster kan tijdens de meting onder een hoek worden gedraaid en soepel in drie dimensies worden verplaatst. De vectorhydrofoon wordt aan de voorkant van het monster geplaatst en de afstand d vanaf het oppervlak van het monster is 5,5 cm. De zendtransducer is een cilindrische geluidsbron en figuur 12 toont de transmissiespanningsresponscurve.

 

Uit figuur 12 blijkt dat de zendtransducer een slecht stralingsvermogen heeft beneden 2,5 kHz. De effectieve werkfrequentieband van de laagfrequente tweedimensionale vectorhydrofoon is 1 ~ 12 kHz. Tijdens de inzet wijst het vector Vy-kanaal naar het te testen monster, en Vx wijst naar de wand van het zwembad. Verzend eerst de 16-orde pseudo-willekeurige reeks om te identificeren en te meten.

 

Figuur 12 Zendspanningsresponscurve van de zendende transducer

 

Systeemoverdrachtsfunctie en ontwerp-inverse filter. Figuur 13 toont de identificatieresultaten van de overdrachtsfunctie van het meetsysteem. In de figuur zijn hp(f), hvx(f) en hvy(f) de gemeten waarden van de overdrachtsfunctie van respectievelijk het geluidsdrukkanaal, het vector Vx-kanaal en het Vy-kanaal van het meetsysteem; hpinv(f), hvxinv(f) en hvyinv(f) zijn respectievelijk de ontworpen inverse filteroverdrachtsfunctie.

Uit Figuur 13 blijkt dat het identificatieresultaat van de vector Vx-kanaaloverdrachtsfunctie ongeldig is. Dit komt omdat in de bovenstaande implementatiesituatie de 'put' van het vectorhydrofoon Vx-kanaal naar de geluidsbron is gericht, en het signaal dat door dit kanaal wordt ontvangen alleen de pool is. De muur reflecteert het akoestische signaal, waardoor het systeemidentificatieresultaat onnauwkeurig is. Houd de ruimtelijke positie en oriëntatie van de zendende transducer en de vectorhydrofoontransducer ongewijzigd, leg het monster neer en verzend het gepulseerde akoestische signaal van Butterworth met een bandbreedte van 500 tot 12,5 kHz. Figuur 14 toont de originele gegevens en gewijzigde signaalgolfvormen ontvangen door elk kanaal van de vectorhydrofoon. Uit figuur 14 blijkt dat de tijddomeingolfvorm van het signaal na de inverse filtercorrectie regelmatig wordt en de energie meer geconcentreerd is. Bereken vervolgens de tijdsvertraging van het directe geluid en het gereflecteerde geluidsdiffractiegeluid vanaf de rand van het monster volgens de ruimtelijke lay-outparameters van het meetsysteem, en voeg vensters toe om de nuttige gegevens te onderscheppen, en bereken de normale geluidsreflectiecoëfficiënt van het monster zoals weergegeven in Figuur 15.

Figuur 15 toont de meetresultaten voor en na compensatie. Het is duidelijk dat het meetresultaat van de overdrachtsfunctie van het niet-gecompenseerde meetsysteem een ​​grote fout bevat en vrijwel ongeldig is. De meetnauwkeurigheid is aanzienlijk verbeterd na de post-inverse filterverwerking. Wanneer de frequentie groter is dan 2,5 kHz, is de meetfout na de post-inverse filtercorrectie klein en heeft het meetresultaat onder 2,5 kHz een grote fout. De reden is dat het laagfrequente transmissievermogen van de zendende transducer beperkt is en dat de laagfrequente componenten van het signaal worden ondergedompeld in de achtergrondruis, waardoor het meetresultaat slecht is.

 

4 Conclusie

Dit artikel stelt een methode voor voor het meten van de normale akoestische reflectiecoëfficiënt van akoestische materialen onder water, gebaseerd op een enkele vectorhydrofoon. Deze methode zal pulseren. De combinatie van impulsemissietechnologie, vectorsignaalverwerkingstechnologie en post-inverse filtertechnologie, via de post-inverse filtertechnologie om de vectorhydrofoon te ontvangen.

 

Gegevens worden gecompenseerd, de signaalvervorming veroorzaakt door de overdrachtsfunctie van het meetsysteem wordt onderdrukt en het randdiffractiegeluid en multipath van het monster worden geëlimineerd in het tijdsdomein. Signaalinterferentie verbetert de meetnauwkeurigheid. Het meetprincipe wordt theoretisch afgeleid, de invloed van meetsysteemfouten wordt bestudeerd door middel van numerieke berekeningen en simulatie, en er wordt experimenteel onderzoek uitgevoerd. Uit de numerieke reken- en simulatieresultaten blijkt dat de in dit artikel beschreven meetmethode bepaalde eisen stelt aan de signaal-ruisverhouding; Onnauwkeurige en ongevoelige systeemimplementatie. De experimentele resultaten laten zien dat de in dit artikel beschreven methode effectief de grootschalige meting in het vrije veld van de normale akoestische reflectiecoëfficiënt van akoestische onderwatermaterialen kan realiseren, maar vanwege de beperking van het laagfrequente stralingsvermogen van de zendende transducer, de laagfrequente meetfout is relatief groot.