Metoda pomiaru współczynnika odbicia akustycznego podwodnych materiałów akustycznych za pomocą hydrofonu jednowektorowego

Obiektywne jest badanie zmian kształtu i położenia geometrycznego zakresu ognisk akustycznych wklęsłego sferyczny przetwornik ultradźwiękowy, gdy natężenie dźwięku jest duże, a medium ma duże tłumienie. Z punktu widzenia akustyki fizycznej analizuje się wpływ nieliniowości i tłumienia mediów spowodowanego dużym natężeniem dźwięku na zakres ogniskowych dźwięku, a do numerycznych obliczeń symulacyjnych wykorzystuje się algorytm superpozycji liniowej całki. Zarówno analiza teoretyczna, jak i obliczenia numeryczne pokazują, że wraz ze wzrostem natężenia dźwięku i tłumieniem ośrodka geometryczne położenie akustycznej strefy ogniskowej przesuwa się o milimetr wzdłuż osi akustycznej w kierunku przetwornika; jednocześnie akustyczna strefa ogniskowa. Kształt stopniowo zmieniał się z symetrycznej długiej elipsoidy na krótką elipsoidę z „grubą głową i cienkim ogonem”.

 

Duże natężenie dźwięku i średnie tłumienie mają istotny wpływ na położenie i kształt obszaru ogniskowego dźwięku wklęsłego przetwornika sferycznego. Należy w pełni uwzględnić precyzyjne umiejscowienie i kontrolę dawki sprzętu HIFU, sformułowanie standardów kontroli, a nawet zastosowanie kliniczne.

 

mój kraj dokonał niezwykłego przełomu w rozwoju i zastosowaniu klinicznym skupionych ultradźwięków o wysokiej intensywności (sprzęt do skupionych ultradźwięków o dużej intensywności (HIFU)). Jednakże, aby naprawdę osiągnąć dokładne umiejscowienie i kontrolę dawki leczniczej na sprzęcie, tak aby leczenie kliniczne mogło osiągnąć idealny efekt skutecznego zabicia zmiany chorobowej bez uszkadzania otaczających ją prawidłowych tkanek, nadal istnieje wiele zagadnień teoretycznych i technicznych, które wymagają dogłębnego zbadania i rozwiązania. Krajowe i zagraniczne badania eksperymentalne dotyczące powstawania uszkodzeń HIFU w tkankach biologicznych wykazały, że wraz ze wzrostem natężenia dźwięku położenie strefy ogniskowej przesuwa się do przodu i stopniowo zmienia się z długiej elipsoidy na „kształt kijanki” lub „kształt stożka”. Choć w ostatnich latach w literaturze zagranicznej poczyniono pewne jakościowe wyjaśnienia powyższego zjawiska, rozwiązując numerycznie nieliniowe równanie propagacji fali akustycznej (równanie KZK), to jednak procedura obliczeniowa jest skomplikowana, a fizyczne zależności w procesie obliczeniowym niejasne. Z tego powodu w artykule za przykład przyjęto wklęsły przetwornik z ogniskowaniem sferycznym i omówiono problem badając wpływ tłumienia ośrodka oraz charakterystyki nieliniowej propagacji przy dużym natężeniu dźwięku na zakres ogniskowych dźwięku.

 

W naszej poprzedniej pracy, w oparciu o całkę dyfrakcyjną Kirchhoffa, wyprowadziliśmy wyrażenie ciśnienia akustycznego w dowolnym punkcie pola dźwiękowego o pojedynczej częstotliwości w warunkach liniowego pola dźwiękowego z wklęsłym sferycznym przetwornikiem ogniskującym z równomiernym promieniowaniem na powierzchni (zwanym także punktami Rayleigha).

 

Z analizy teorii akustyki nieliniowej wynika, że ​​gdy ciśnienie akustyczne fali sinusoidalnej o pojedynczej częstotliwości wypromieniowanej z powierzchni przetwornika do ośrodka jest wystarczająco duże, nazywa się to „falą o skończonej amplitudzie”, która rozchodzi się w ośrodku na pewną odległość (zwaną odległością nieciągłą). ), przebieg zostanie zniekształcony w falę piłokształtną, którą można również uznać za falę uderzeniową. Oprócz częstotliwości podstawowej pierwotnej emisji widmo częstotliwości tej fali obejmuje także szereg wyższych harmonicznych. Powstają stopniowo poprzez ciągłe pochłanianie energii z fali podstawowej podczas propagacji fal dźwiękowych, czyli harmonii tkankowej w medycynie ultradźwiękowej. Współczynnik amplitudy można wykorzystać do opisu propagacji harmonicznych wyższego rzędu z odległością propagacji i zależnością zmian energii podczas propagacji.

 

Fala piłokształtna tworzy odległość, jest więc wielkością bezwymiarową odzwierciedlającą odległość propagacji. Na tej podstawie obliczyliśmy krzywą współczynnika amplitudy fali podstawowej i pierwszych 3 harmonicznych. Kiedy fala dźwiękowa rozchodzi się w ośrodku, ciśnienie akustyczne maleje wykładniczo wraz z odległością, co można wyrazić w postaci. W przypadku ogólnych tkanek miękkich współczynnik tłumienia TM jest w przybliżeniu proporcjonalny do częstotliwości. Aby uprościć obliczenia, w tym artykule współczynnik tłumienia każdej składowej harmonicznej wyraża się w następujący sposób: gdzie α jest systemem tłumienia fali dźwiękowej o częstotliwości podstawowej w tkankach biologicznych na jednostkę odległości.

 

 

Należy uwzględnić pochłanianie i rozpraszanie dźwięku przez tkankę. Po uwzględnieniu powyższych dwóch czynników (nieliniowości i tłumienia) wyrażenie ciśnienia akustycznego w skupionym polu dźwiękowym można rozszerzyć do następującej postaci: jest liczbą falową każdej harmonicznej. Wzór ten nazywamy algorytmem superpozycji liniowej całki Rayleigha.

 

Wynik:

 

1 Wpływ tłumienia ośrodka na zakres ogniskowych dźwięku. Parametry jednostkowego wklęsłego przetwornika sferycznego zastosowanego w tej pracy to: promień krzywizny R = 15 cm, promień apertury a = 42 cm, częstotliwość robocza f = 1,7 MHz. Zakładając, że ośrodkiem jest tkanka miękka, jego współczynnik tłumienia α mieści się w przedziale 01-30 dB (cm·Mz). Prędkość dźwięku, gęstość i inne parametry ośrodka przyjmuje się zgodnie z odpowiednią literaturą. Aby zbadać współczynnik tłumienia jako pojedynczy czynnik wpływający, należy obliczyć i przeanalizować tylko jedną częstotliwość, mianowicie częstotliwość podstawową, pod kątem prawa zmian domeny skupienia dźwięku o różnych wartościach α. Z tego powodu we wzorze przeprowadzono szereg obliczeń numerycznych, przyjmując M=1. Wyniki pokazują, że wraz ze wzrostem tłumienia, czyli gdy α = 0,3, 13 i 23 dB (cm·Mhz), kształt obszaru ogniska akustycznego -6 dB stopniowo zmienia się z długiej elipsoidy na krótką elipsoidę oraz jej długą oś1 i krótką oś.

 

2. Są to odpowiednio 111, 104 i 92. Położenie strefy ogniskowej (położenie na osi akustycznej), dwie ostatnie znajdują się odpowiednio 30 mm i 65 mm przed pierwszą wzdłuż osi akustycznej przetwornika. Jednocześnie głowa strefy ogniskowej (koniec blisko przetwornika) jest bardziej „gruba” niż jej ogon (koniec oddalony od przetwornika).

 

2 Wpływ nieliniowości spowodowanej dużym natężeniem dźwięku na zakres skupienia dźwięku jest taki sam, ciśnienie akustyczne promieniowania powierzchniowego rozpatrywane jest jako pojedynczy czynnik, a jego wartości wynoszą odpowiednio 44, 73, 4 MPa i α = 3 dB gulaszu (cm·MHz). Biorąc pod uwagę, że tłumienie ośrodka szybko rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości harmonicznej, liczba harmonicznych nie musi być zbyt duża. Wyniki obliczeń pokazują, że: wraz ze wzrostem ciśnienia akustycznego promieniowania powierzchniowego zmienia się położenie i kształt strefy ogniskowej, inaczej niż przy zmianie współczynnika tłumienia. Jest tak duży, ale prawo jego zmian jest podobne. Oznacza to, że położenie dwóch ostatnich obszarów ogniskowych zostało przesunięte do przodu odpowiednio o 16 mm i 21 mm; stosunek długiej i krótkiej osi obszaru ogniskowego 6dB wynosi odpowiednio 119, 116 i 113, a głowa obszaru ogniskowego również ma tendencję do „grubienia”.

 

3 Łączny wpływ tłumienia i nieliniowości na zakres ogniskowych dźwięku.

Powyższe dwa współczynniki uwzględnia się jednocześnie we wzorze (3) do obliczeń. Rysunek 3(a) i rysunek 3(b) pokazują odpowiednio, że α=3dB gulasz (cm·MHz), P′ 0=44MPa i α=2,3dB gulasz (cm·MHz), P′0=44MPa

Uwzględniając jednocześnie efekty tłumienia i nieliniowe, wynikiem obliczeń na rysunku jest kontur linii izociśnienia akustycznego w strefie ogniskowej. W porównaniu z nimi położenie strefy ogniskowej przesunęło się do przodu o 8,4 mm, a stosunek głównych i mniejszych osi strefy ogniskowania zmienił się z 11,9 na 8,5. Pokazuje, że tendencja zmian strefy ogniskowej spowodowana współczynnikiem tłumienia i nieliniowością jest taka sama, więc ogólny efekt jest wzmocniony.

 

 

podsumowując

Z analizy teoretycznej i wyników obliczeń przedstawionych w niniejszej pracy wynika, że: duże natężenie dźwięku i średnie tłumienie mają istotny wpływ na kształt i położenie strefy ogniskowej dźwięku; im większy współczynnik tłumienia ośrodka, tym większe natężenie dźwięku (czyli większa nieliniowość) i skupienie dźwięku. Im bliżej przetwornika znajduje się pole; stosunek długiej i krótkiej osi pola ogniskowego również staje się mniejszy, to znaczy jego kształt stopniowo zmienia się z długiej elipsoidy na krótką elipsoidę, a głowa obszaru ogniskowania dźwięku staje się „gruba” niż ogon. Fenomen, kształt przypomina „marchewkę”. Powyższe wnioski stanowią podstawę do ilościowej analizy prawa zmian obszaru skupienia dźwięku w polu dźwiękowym HIFU i dalszych badań zależności pomiędzy obszarem skupienia dźwięku a obszarem uszkodzenia.

 

Metoda pomiaru dużej próbki współczynnika odbicia akustycznego podwodne materiały akustyczne z hydrofonem jednowektorowym

 

Aby zrealizować szerokopasmowy pomiar w polu swobodnym normalnego współczynnika odbicia akustycznego podwodnych materiałów akustycznych, jako podstawowe wyposażenie systemu pomiarowego zastosowano hydrofon jednowektorowy, w połączeniu z technologią impulsowej emisji akustycznej i technologią przetwarzania sygnału po filtrze odwrotnym, zaproponowano hydrofon jednowektorowy oparty na hydrofonie jednowektorowym. Szerokopasmowa metoda pomiaru w polu swobodnym normalnego współczynnika odbicia akustycznego podwodnego materiału akustycznego podwodnego materiału akustycznego, poprzez technologię elektronicznej rotacji hydrofonu wektorowego w celu uzyskania skutecznej separacji dźwięku bezpośredniego i dźwięku odbitego. Omówiono wpływ błędu układu pomiarowego oraz stosunku sygnału do szumu odbieranego sygnału na wynik pomiaru. Metoda ta ma pewne wymagania co do stosunku sygnału do szumu, jednak nie jest wrażliwa na błąd układu pomiarowego. Wyniki testów eksperymentalnych pokazują, że: W porównaniu z wynikami testów eksperymentalnych bez przetwarzania po filtracji odwrotnej, metoda opisana w artykule znacznie poprawia wydajność pomiaru, ale jest ograniczona zdolnością emisji niskich częstotliwości przetwornika nadawczego, wyniki eksperymentów przekraczają 2,5 kHz, a wartości teoretyczne są w dobrej zgodności.

 

Współczynnik odbicia akustycznego jest ważnym parametrem charakteryzującym właściwości akustyczne podwodnych materiałów akustycznych. Obecnie metody pomiaru współczynnika odbicia akustycznego podwodnych materiałów akustycznych można z grubsza podzielić na metodę laboratoryjnej lampy akustycznej z małą próbką i metodę pomiaru w polu swobodnym z dużą próbką. Pomiary w polu swobodnym dużych próbek zazwyczaj przeprowadza się w dużym basenie bezechowym. Dzięki ułożeniu na brzegu basenu materiałów wyciszających, które pochłaniają dźwięk odbity od brzegu basenu, sygnałem odbieranym przez hydrofon jest wyłącznie dźwięk bezpośredni i dźwięk odbity próbki. Jednakże, ze względu na ograniczenie dolnej granicy puli bezechowej, efekt wielodrożności niskich częstotliwości jest oczywisty; ponadto metoda pomiaru w polu swobodnym jest w większości zakłócana przez efekt dyfrakcji krawędziowej próbki, a zakłócenie to jest szczególnie poważne w paśmie niskich częstotliwości. Aby rozwiązać powyższe problemy, w pomiarach parametrów akustycznych podwodnych materiałów akustycznych szeroko stosuje się technologię badania dźwięku impulsowego. Jest to kluczowa technologia umożliwiająca przesyłanie pulsacyjnych sygnałów akustycznych o kontrolowanych kształtach fali i bez zniekształceń. Jednakże funkcja przenoszenia przetwornika nadawczego ogranicza technologię badania dźwięku impulsowego o niższej częstotliwości w ograniczonej przestrzeni pomiarowej. Z tego powodu zaproponowano różne metody kompensacji, takie jak szerokopasmowa metoda superpozycji impulsów zaproponowana przez Li Shui i in. Metoda ta wykorzystuje technologię filtrowania odwrotnego do wstępnego przetworzenia sygnału wzbudzenia przetwornika nadawczego w celu skompensowania funkcji transmisji przetwornika nadawczego, tak aby sygnał emitowany przez przetwornik nadawczy był idealnie ostrym impulsem, co skutecznie zmniejsza dolną częstotliwość graniczną pomiaru.

 

W odróżnieniu od powyższej metody, „technologia filtrowania post-odwrotnego” przetwarza sygnał po stronie odbiorczej hydrofonu w celu kompensacji odpowiedzi częstotliwościowej przetwornika nadawczego. W tubie akustycznej zastosowano „technologię filtra post-odwrotnego”, aby uzyskać szerokopasmowy pomiar współczynnika pochłaniania dźwięku podwodne materiały akustyczne . Metoda ta najpierw uzyskuje funkcję przenoszenia układu pomiarowego, następnie kompensuje sygnał obserwacyjny, a na koniec uzyskuje współczynnik odbicia akustycznego próbki, dzieląc widmo amplitudy skompensowanego sygnału obserwacyjnego przez widmo amplitudy sygnału odbicia standardowej próbki, a następnie oblicza współczynnik absorpcji dźwięku. W ostatnich latach do pomiaru parametrów akustycznych materiałów aeroakustycznych z sukcesem zastosowano czujniki wektorowe, takie jak metoda impedancji powierzchniowej i metoda natężenia dźwięku. Hydrofon wektorowy może odbierać informacje o polu dźwiękowym synchronicznie i w tym samym punkcie, co rozszerza przestrzeń przetwarzania po sygnale, a wspólne przetwarzanie sygnałów ciśnienia akustycznego i prędkości wibracji może tworzyć pewną kierunkowość przestrzenną, która może zakłócać dźwięk dyfrakcyjny krawędzi próbki. Do pewnego stopnia tłumienia nie jest konieczne stosowanie konwencjonalnego dużego układu odbiorczego ciśnienia akustycznego, co zmniejsza złożoność systemu pomiarowego. Jednocześnie główny maksymalny kierunek wyjściowy połączonego przetwarzania ciśnienia akustycznego i prędkości drgań hydrofonu wektorowego można skierować w ustalonym kierunku za pomocą technologii rotacji elektronicznej, co ułatwia skuteczne oddzielanie dźwięku bezpośredniego i dźwięku odbitego. Ponadto hydrofon wektorowy ma również zalety dobrej kierunkowości w zakresie niskich częstotliwości i odporności na szum izotropowy. Dlatego w porównaniu z tradycyjnym hydrofonem ciśnienia akustycznego zastosowanie hydrofonu wektorowego do badania współczynnika odbicia dźwięku od materiału ma pewne zalety. W artykule przedstawiono szerokopasmową metodę pomiaru współczynnika odbicia dźwięku normalnego podwodnych materiałów akustycznych na dużej próbce w polu swobodnym. Metoda ta wykorzystuje hydrofon jednowektorowy jako podstawowe wyposażenie układu pomiarowego, łączy technologię pulsacyjnej emisji akustycznej i technologię filtrowania po odwróceniu w celu tłumienia zniekształceń kształtu fali sygnału, eliminuje dźwięk dyfrakcji krawędzi próbki i dźwięk interferencji wielościeżkowej w dziedzinie czasu, a następnie przechodzi. Technologia elektronicznego rotacji hydrofonu wektorowego realizuje skuteczną separację dźwięku bezpośredniego i dźwięku odbitego, a na koniec normalny współczynnik odbicia dźwięku próbki uzyskuje się poprzez podzielenie tych dwóch.

 

1 Proces pomiarowy

W celu wyjaśnienia zasady pomiaru tą metodą, przy wyjaśnieniu procesu pomiaru, podano związane z tym wyprowadzenia wzorów oraz wyniki symulacji.

 

1.1 Identyfikacja funkcji przenoszenia i projektowanie filtra odwrotnego układu pomiarowego Przed badaniem próbki należy w pierwszej kolejności uzyskać funkcję przenoszenia układu pomiarowego. W odróżnieniu od tradycyjnego hydrofonu ciśnienia akustycznego, hydrofon wektorowy zawiera kanał ciśnienia akustycznego i kanał prędkości drgań, dlatego należy uzyskać funkcję przenoszenia każdego kanału pomiarowego hydrofonu wektorowego w tym samym czasie. Podczas pomiaru idealny sygnał impulsowy jest wypromieniowywany do ośrodka wodnego poprzez przetwornik nadawczy, następnie przesyłany kanałem hydroakustycznym do punktu odbiorczego, a na koniec odbierany przez hydrofon wektorowy i zbierany przez kolektor. W związku z tym system pomiarowy można podzielić na trzy części, a mianowicie system nadawania sygnału, podwodny kanał akustyczny i system odbioru sygnału. Biorąc za przykład kanał ciśnienia akustycznego, model odbieranego sygnału pokazano na rysunku 1.

Na rysunku 1 s(f) to widmo transmitowanego sygnału, T(f), Hp(f) i R(f) to funkcje przenoszenia odpowiednio systemu nadawczego, kanału hydroakustycznego ciśnienia akustycznego i systemu odbioru sygnału, N(f) to widmo szumu tła, Y(f) to widmo sygnału wyjściowego systemu pomiarowego. Technika filtrowania post-odwrotnego polega na zaprojektowaniu filtra odwrotnego kompensującego T(f) i R(f), gdy znana jest funkcja przenoszenia systemu pomiarowego. Jako przykład weźmy kanał ciśnienia akustycznego, aby zilustrować podstawową zasadę identyfikacji funkcji przenoszenia systemu pomiarowego. Metoda 1 Rozważ system nadawczy i system odbiorczy sygnału jako całość, czyli H(f) = T(f) + R(f). Sygnał wejściowy to x(t), sygnał wyjściowy systemu to y(t), szum tła to n(t), Y(f) = H(f) X(f) + N(f) (1) gdzie X(f), Y(f) i N(f) to odpowiednio transformata Fouriera sygnału wejściowego systemu x(t), sygnału wyjściowego systemu y(t) i szumu tła n(t). Po obliczeniach oszacowana wartość H(f) wynosi ^H(f) =Gxy(f)Gxx(f) (2) gdzie Gxy(f) to widmo mocy sygnału wejściowego i sygnału wyjściowego systemu, a Gxx(f) to widmo mocy własnej sygnału wejściowego systemu.

 

Oprócz wyżej wymienionych metod identyfikacji systemów pomiarowych, można również zastosować techniki identyfikacji sekwencji pseudolosowych. Metoda 2 Załóżmy, że sygnał wejściowy x(t) systemu pomiarowego jest sekwencją pseudolosową (sekwencja MLS), a sygnałem wyjściowym systemu jest y(t). Oczywiście y(t) = x(t) * h(t) (3) gdzie , * Oznacza splot, h(t) jest jednostkową funkcją odpowiedzi impulsowej układu. Oblicz funkcję korelacji pomiędzy sygnałem wejściowym i sygnałem wyjściowym systemu, rxy = ∫x(τ) y(τ-t) dτ = h(t) * rxx(t) (4) gdzie rxy jest korelacją krzyżową pomiędzy wejściem i wyjściem funkcji systemu, rxx jest funkcją autokorelacji sygnału wejściowego. Ponieważ sekwencja MLS ma lepszą charakterystykę autokorelacji, to znaczy rxx(n) = δ(n)-1L + 1 . gdzie L = 2m-1 to długość sekwencji, a m to rząd sekwencji pseudolosowej. Łatwo zauważyć, że oszacowana wartość funkcji odpowiedzi impulsowej jednostki systemowej ^h(t) wynosi ^h(t) ≈ rxy (6) Dalsza transformata Fouriera pozwala otrzymać oszacowaną wartość ^H(f) funkcji przenoszenia układu pomiarowego. Po otrzymaniu ^H (f) zaprojektuj filtr odwrotny H-1( f) w dziedzinie częstotliwości jako Hpost( f) =^H( f)| ^H(f) | 2 + q( 7) gdzie , Q jest liczbą normalną, zazwyczaj 1% maksymalnej wartości | ^H (f) | 2. Warunki symulacji 1 Przetwornik nadawczy i hydrofon umieszcza się w basenie bezechowym na równej głębokości, odległość między nimi wynosi 1 m, a transmitowany sygnał jest sekwencją MLS 16-rzędową. Do identyfikacji systemu stosuje się odpowiednio metodę 1 i metodę 2. Stosunki wynoszą 10, 20 i 30 dB. Oceń zalety i wady wyników identyfikacji funkcji przenoszenia obu metod przy różnych stosunkach sygnału do szumu. W symulacji symulowana jest jednostkowa funkcja odpowiedzi impulsowej systemu poprzez dodanie impulsów Gaussa o częstotliwościach środkowych 1, 2, 4 i 8 kHz.

 

Na rysunku 3 przedstawiono wyniki identyfikacji funkcji przenoszenia układu pomiarowego w powyższych warunkach. Z rysunku widać, że dwie metody identyfikacji systemu opisane w tym artykule mogą skutecznie uzyskać funkcję przenoszenia systemu pomiarowego. Jednakże metoda 1 ma pewne wymagania dotyczące stosunku sygnału do szumu. Gdy stosunek sygnału do szumu jest większy niż 30 dB, wynik identyfikacji jest dokładny. Wynik identyfikacji systemu metodą 2 jest lepszy niż metodą 1, a wysoce precyzyjne wyniki identyfikacji można nadal uzyskać pod warunkiem niskiego stosunku sygnału do szumu. Dzieje się tak, ponieważ szum tła ma niewielką korelację z sygnałem wzbudzenia źródła dźwięku, więc ta metoda ma pewną zdolność przeciwzakłóceniową. Poniżej dokonano analizy efektywności metody pomiarowej opisanej w artykule poprzez symulację i obliczenia numeryczne.

 

1.2 Przetwarzanie danych obserwacyjnych

1) Uzyskaj dane obserwacyjne. Schemat zasady pomiaru podwodny czujnik przetwornika akustycznego  pokazano na rysunku 4. Na rysunku ri to bezpośrednia droga dźwięku, odległość od hydrofonu wektorowego do próbki wynosi d, droga dźwięku odbitego wynosi ri + 2d, re = rs + rr to droga dźwięku ugiętego, rq to droga dźwięku odbitego na granicy basenu, pi to dźwięk bezpośredni, pr to dźwięk odbity, pe to dźwięk ugięty na krawędzi próbki, pq Jest to dźwięk interferencyjny wielokierunkowy.

 

Załóżmy, że widmo sygnału wzbudzenia przetwornika nadawczego wynosi s(f), a impedancja charakterystyczna ośrodka jest ignorowana. Bez utraty ogólności, wyrażenie w dziedzinie częstotliwości sygnału odbieranego przez dwuwymiarowy hydrofon wektorowy to 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) We wzorze Rs(f) to współczynnik odbicia akustycznego próbki, który zależy od częstotliwości fali dźwiękowej i kąta padania, D(f) to współczynnik dyfrakcji krawędzi próbki, Rq(f) to współczynnik odbicia od granicy basenu, τr, τe i τq to opóźnienia czasowe odpowiednio dźwięku odbitego, dźwięku dyfrakcyjnego na krawędzi próbki, dźwięku odbitego od granicy basenu i dźwięku bezpośredniego. θi, θr, θe i θq to odpowiednio dźwięk bezpośredni, dźwięk odbity, dźwięk dyfrakcyjny na krawędzi próbki i dźwięk odbity na granicy basenu. Kąt padania fali dźwiękowej, odpowiednio Hpt(f), Hvxt(f) i Hvxt(f) reprezentują funkcję przenoszenia każdego kanału pomiarowego systemu pomiarowego.

 

2) Kompensacja funkcji przenoszenia układu pomiarowego. Pomnóż zaprojektowany filtr odwrotny przez widmo częstotliwości odpowiednich danych z obserwacji kanału, aby otrzymać skompensowany sygnał. Widmo częstotliwości Ppost(f), Vxpost(f) i Vypost(f) to 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)

 

Warunek symulacji 2 Załóżmy, że głębokość basenu wynosi 10 m, przetwornik startowy, hydrofon wektorowy i głębokość wody h badanej próbki wynoszą 5 m. Odległość H od przetwornika nadawczego do próbki wynosi 15 m, odległość d od hydrofonu wektorowego do próbki wynosi 10 cm, sygnał nadawczy jest sygnałem akustycznym impulsowym Butterwortha, szerokość pasma sygnału wynosi 500-10 kHz, częstotliwość próbkowania fs = 131 072 Hz i stosunek sygnału do szumu 30 dB. Weźmy jako przykład kanał ciśnienia akustycznego, aby sprawdzić skuteczność kompensacji filtra po odwróceniu. W symulacji badaną próbką jest płyta aluminiowa o grubości 0,006 m i wymiarach geometrycznych 1 m×1 m. Współczynnik dyfrakcji krawędziowej próbki symuluje się za pomocą filtra dolnoprzepustowego.

Rysunek 5 przedstawia efekt kompensacji filtra post-odwrotnego kanału ciśnienia akustycznego. Z rysunku wynika, że ​​przebieg sygnału po kompensacji jest bardziej regularny i gładki, co skutecznie tłumi zniekształcenia sygnału spowodowane funkcją przenoszenia układu pomiarowego i pozwala wyeliminować zakłócenia takie jak dźwięk dyfrakcji krawędziowej.

 

3) Wyeliminuj dźwięki zakłócające. Oblicz opóźnienie czasowe dźwięku odbitego, dźwięku dyfrakcyjnego próbki i dźwięku odbicia granicy basenu zgodnie z parametrami rozmieszczenia systemu pomiarowego i wykonaj odwrotną transformatę Fouriera równania (9), aby otrzymać sygnał w dziedzinie czasu, następnie dodaj okno do przechwytywania sygnału użytecznego i wykonaj transformację liścia Fouriera, otrzymamy 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)] gdzie Pc(f), Vxc(f) i Vyc(f) oznaczają odpowiednio widmo sygnału każdego kanału. Oddziel dźwięk bezpośredni od dźwięku odbitego i uzyskaj współczynnik odbicia dźwięku próbki. Załóżmy, że azymut przewodni hydrofonu wektorowego wynosi ψ, a obliczona złożona prędkość cząstek Vc wynosi Vc( f) = Vxc( f) cos( ψ) + Vyc( f) sin( ψ) (11) Najpierw skieruj azymut prowadzący w stronę nadajnika Niech ψ = 0 i wykonaj (p + vc) 2 wspólne przetwarzanie, pomijając wspólny termin s( f) i uzyskaj wspólne przetwarzanie wyjście Ii jako Ii = [Pc( f) + Vc( f)] 2ψ = 0 = 4 (12) Skieruj ponownie azymut prowadzący na próbkę, czyli niech ψ = π i wykonaj łączne przetwarzanie (p + vc) 2, aby otrzymać łączny wynik przetwarzania Ir = [Pc( f) + Vc( f)] 2ψ = π = 4 ［R2s( f) e-2jωτr］

 

2 Analiza błędu pomiaru

Warunek symulacji 3 Parametry układu pomiarowego pozostają niezmienione, przesyłany sygnał jest pulsacyjnym sygnałem akustycznym Butterwortha, a szerokość pasma sygnału wynosi 500 ~ 10 kHz. Bez uwzględnienia efektu dyfrakcyjnego krawędzi próbki i wpływu dźwięku odbitego na granicy basenu, omówiony zostanie stosunek sygnału do szumu. Gdy wynosi 20, 30 i 40 dB, wynik pomiaru zmienia się wraz z częstotliwością. Pokazane są wyniki pomiarów i krzywe błędu względnego pomiaru przy różnych stosunkach sygnału do szumu. Z rysunku widać, że względny błąd pomiaru maleje wraz z oscylacją częstotliwości, a stosunek sygnału do szumu w dużym stopniu wpływa na pasmo niskich częstotliwości; dodatkowo, gdy stosunek sygnału do szumu wynosi 20 dB, tendencja zmian wyniku pomiaru jest taka sama jak wartość teoretyczna, ale wynik pomiaru jest obarczony większym błędem; niski Błąd pomiaru dużego pasma częstotliwości wynika z małego współczynnika odbicia akustycznego, a małe wahania mogą powodować duże błędy względne. W rzeczywistym teście, oprócz stosunku sygnału do szumu, na wyniki pomiaru wpływ będzie mieć także błąd umiejscowienia układu pomiarowego. Poniższa symulacja analizuje wpływ błędu umiejscowienia układu pomiarowego. Warunek symulacji 4 Parametry układu pomiarowego pozostają niezmienione, niezależnie od zakłóceń takich jak szum tła i dyfrakcja krawędzi próbki. Odległość H od źródła dźwięku do próbki wynosi odpowiednio 5, 10 i 15 m. Mówi się o tym, gdy odległość d od hydrofonu wektorowego do próbki wynosi 10. Wynik pomiaru przy % błędu. Wyniki pomiarów podano, gdy odległość H od przetwornika nadajnika do próbki jest różna, a odległość d od hydrofonu wektorowego do próbki obarczona jest błędem 10%. Z rysunku wynika, że ​​wynik pomiaru nie jest wrażliwy na błąd odległości hydrofonu wektorowego od próbki; H Wyniki pomiarów nie są jednocześnie prawie zbieżne. Można zauważyć, że w rzeczywistym teście wystarczy wybrać odpowiedni H w zależności od geometrycznej wielkości basenu pomiarowego. Warunek symulacji 5 Parametry systemu pomiarowego pozostają niezmienione, niezależnie od zakłóceń pochodzących od szumu tła i dyfrakcji krawędzi próbki. Odległość d od hydrofonu wektorowego do próbki wynosi odpowiednio 5, 10 i 15 cm, a odległość H od przetwornika nadawczego do próbki wynosi 15 m. Omówić wyniki pomiarów, gdy błąd odległości H od przetwornika nadawczego do próbki wynosi 1%. Wyniki pomiarów podano, gdy odległość d od hydrofonu wektorowego do próbki jest różna, a odległość H od przetwornika nadawczego do próbki obarczona jest błędem 1%. Z rysunku widać, że wynik pomiaru i wartość teoretyczna mają ten sam trend w zakresie częstotliwości, a im wyższa częstotliwość, tym wyższa częstotliwość. Wynik jest dokładniejszy, a ta metoda pomiaru nie jest wrażliwa na błąd odległości hydrofonu wektorowego od próbki.

3 Badania eksperymentalne i przetwarzanie danych

 

Schemat blokowy składu sprzętu systemu pomiarowego pokazano na rysunku 11. System składa się z części suchej i części mokrej. Suchy koniec składa się głównie z generatora sygnału arbitralnego, wzmacniacza mocy, obwodu kondycjonowania hydrofonu wektorowego i kolektora sygnału itp., które służą do generowania, transmisji i pozyskiwania sygnału. Część mokra składa się głównie z przetwornika nadawczego, dwuwymiarowego hydrofonu wektorowego o niskiej częstotliwości i próbki do pomiaru próbki. Część mokrą umieszcza się w basenie bezechowym o wymiarach geometrycznych 25 m×15 m×10 m, a ośrodek dźwiękowy znajduje się 5 m pod wodą. Basen jest wytłumiony z sześciu stron, a dolna granica pochłaniania dźwięku wynosi 2 kHz. Badaną próbką jest płyta aluminiowa o wymiarach geometrycznych 1m×1m×0,006m. Przetwornik nadajnika zawieszony jest na krawędzi pojazdu nad basenem, a odległość H od próbki wynosi 4,95 m. Próbkę mocuje się na urządzeniu podnosząco-obrotowym, a podczas pomiaru próbkę można obracać pod kątem i płynnie przesuwać w trzech wymiarach. Hydrofon wektorowy umieszcza się na przednim końcu próbki, a odległość d od powierzchni próbki wynosi 5,5 cm. Przetwornikiem nadawczym jest cylindryczne źródło dźwięku, a rysunek 12 przedstawia krzywą odpowiedzi na napięcie transmisyjne.

 

Z rys. 12 widać, że przetwornik nadawczy ma słabą zdolność promieniowania poniżej 2,5 kHz. Efektywne pasmo częstotliwości roboczej dwuwymiarowego hydrofonu wektorowego niskiej częstotliwości wynosi 1 ~ 12 kHz. Podczas rozmieszczania kanał wektora Vy wskazuje badaną próbkę, a Vx wskazuje ścianę basenu. Najpierw prześlij 16-rzędową sekwencję pseudolosową w celu identyfikacji i pomiaru.

 

Rysunek 12 Krzywa odpowiedzi napięcia nadawczego przetwornika nadawczego

 

Funkcja transferu systemu i projektowy filtr odwrotny. Rysunek 13 przedstawia wyniki identyfikacji funkcji przenoszenia systemu pomiarowego. Na rysunku hp(f), hvx(f) i hvy(f) to zmierzone wartości funkcji przenoszenia odpowiednio kanału ciśnienia akustycznego, kanału wektora Vx i kanału Vy systemu pomiarowego; hpinv(f), hvxinv(f) i hvyinv(f) są odpowiednio zaprojektowaną odwrotną funkcją przenoszenia filtra.

Z fig. 13 można zobaczyć, że wynik identyfikacji funkcji transferu kanału wektora Vx jest nieprawidłowy. Dzieje się tak dlatego, że w powyższej sytuacji rozmieszczenia „wgłębienie” kanału wektorowego hydrofonu Vx jest zwrócone w stronę źródła dźwięku, a sygnał odbierany przez ten kanał jest jedynie pulą. Ściana odbija sygnał akustyczny, przez co wynik identyfikacji systemu jest niedokładny. Zachowaj położenie przestrzenne i orientację przetwornika nadawczego oraz wektorowy przetwornik hydrofonowy bez zmian, odłóż próbkę i prześlij impulsowy sygnał akustyczny Butterwortha o szerokości pasma od 500 do 12,5 kHz. Rysunek 14 przedstawia oryginalne dane i zmodyfikowane przebiegi sygnału odbierane przez każdy kanał hydrofonu wektorowego. Z rysunku 14 widać, że przebieg sygnału w dziedzinie czasu po korekcji filtra odwrotnego staje się regularny, a energia jest bardziej skoncentrowana. Następnie oblicz opóźnienie dźwięku bezpośredniego i dźwięku dyfrakcyjnego odbitego od krawędzi próbki zgodnie z parametrami układu przestrzennego systemu pomiarowego, dodaj okna do przechwytywania przydatnych danych i oblicz normalny współczynnik odbicia dźwięku próbki, jak pokazano na rysunku 15.

Rysunek 15 przedstawia wyniki pomiarów przed i po kompensacji. Można zauważyć, że wynik pomiaru funkcji przenoszenia nieskompensowanego układu pomiarowego jest obarczony dużym błędem i jest prawie nieważny. Dokładność pomiaru jest znacznie poprawiona po obróbce filtra po odwróceniu. Gdy częstotliwość jest większa niż 2,5 kHz, błąd pomiaru po korekcji filtra poodwrotnego jest mały, a wynik pomiaru poniżej 2,5 kHz ma duży błąd. Powodem jest to, że zdolność transmisji niskich częstotliwości przez przetwornik nadawczy jest ograniczona, a składowe sygnału o niskiej częstotliwości są zanurzone w szumie tła, przez co wynik pomiaru jest słaby.

 

4 Wniosek

W artykule zaproponowano metodę pomiaru współczynnika odbicia normalnego od podwodnych materiałów akustycznych w oparciu o hydrofon jednowektorowy. Ta metoda będzie pulsacyjna. Połączenie technologii emisji impulsów, technologii przetwarzania sygnału wektorowego i technologii filtra po odwróceniu, poprzez technologię filtra po odwróceniu w celu odbioru hydrofonu wektorowego.

 

Dane są kompensowane, zniekształcenia sygnału spowodowane funkcją przenoszenia układu pomiarowego są tłumione, a dźwięk dyfrakcji krawędziowej i wielodrożność próbki są eliminowane w dziedzinie czasu. Zakłócenia sygnału poprawiają dokładność pomiaru. Zasada pomiaru jest wydedukowana teoretycznie, wpływ błędu układu pomiarowego jest badany poprzez obliczenia numeryczne i symulacje, a także przeprowadzane są badania eksperymentalne. Wyniki obliczeń numerycznych i symulacji pokazują, że opisana w artykule metoda pomiaru ma pewne wymagania dotyczące stosunku sygnału do szumu; Niedokładne i niewrażliwe wdrożenie systemu. Wyniki eksperymentów pokazują, że metoda opisana w tym artykule może skutecznie realizować pomiary na dużą skalę w polu swobodnym normalnego współczynnika odbicia dźwięku podwodnych materiałów akustycznych, ale ze względu na ograniczenie zdolności przetwornika nadawczego do promieniowania o niskiej częstotliwości, błąd pomiaru o niskiej częstotliwości jest stosunkowo duży.