Metoda de măsurare a coeficientului de reflexie acustică a materialelor acustice subacvatice cu hidrofon cu un singur vector

Este obiectiv să studiem modificările formei și poziției geometrice ale intervalului focal acustic al concavului. traductor ultrasonic sferic atunci când intensitatea sunetului este mare și mediul are o atenuare mare. Din perspectiva acusticii fizice, sunt analizate efectele neliniarității și atenuării mediilor cauzate de intensitatea ridicată a sunetului asupra domeniului focal al sunetului, iar algoritmul de suprapunere liniară a integralei este utilizat pentru a efectua calcule de simulare numerică. Atât analiza teoretică, cât și calculul numeric arată că odată cu creșterea intensității sunetului și a atenuării medii, poziția geometrică a zonei focale acustice are un avans milimetric de-a lungul axei acustice în direcția traductorului; în același timp, zona focală acustică Forma s-a schimbat treptat de la un elipsoid lung simetric la un elipsoid scurt cu „cap gras și coadă subțire”.

 

Intensitatea ridicată a sunetului și atenuarea medie au o influență importantă asupra poziției și formei regiunii focale a sunetului a traductorului sferic concav. Ar trebui să se acorde o atenție completă poziționării precise și controlului dozei echipamentului HIFU, formulării standardelor de inspecție și chiar aplicării clinice.

 

țara mea a făcut progrese remarcabile în dezvoltarea și aplicarea clinică a ultrasunetelor focalizate de înaltă intensitate (echipamente cu ultrasunete focalizate de mare intensitate (HIFU)). Cu toate acestea, pentru a obține cu adevărat o poziționare precisă și un control al dozei de tratament pe echipament, astfel încât tratamentul clinic să poată obține efectul ideal de ucidere eficientă a leziunii fără a deteriora țesuturile normale din jur, există încă multe probleme teoretice și tehnice care trebuie studiate și rezolvate în profunzime. Studiile experimentale interne și străine privind formarea deteriorării HIFU în țesuturile biologice au arătat că odată cu creșterea intensității sunetului, poziția zonei focale se deplasează înainte și se schimbă treptat de la un elipsoid lung la o „forma de mormoloc” sau o „forma de con”. Deși în ultimii ani, literatura străină a dat câteva explicații calitative pentru fenomenul de mai sus prin rezolvarea numerică a ecuației de propagare a undelor acustice neliniare (ecuația KZK), dar procedura de calcul este complicată și relația fizică în procesul de calcul este neclară. Din acest motiv, această lucrare ia ca exemplu traductorul de focalizare sferică concav și discută problema prin studierea influenței atenuării medii și a caracteristicilor de propagare neliniară la intensitate ridicată a sunetului asupra domeniului focal al sunetului.

 

În lucrarea noastră anterioară, bazată pe integrala de difracție Kirchhoff, am derivat expresia presiunii sonore în orice punct al câmpului sonor cu o singură frecvență în condiția unui câmp sonor liniar cu un traductor de focalizare sferic concav cu radiație uniformă pe suprafață (numit și pentru punctele Rayleigh).

 

Din analiza teoriei acusticii neliniare, atunci când presiunea sonoră a undei sinusoidale cu o singură frecvență radiată de la suprafața traductorului în mediu este suficient de mare, se numește „undă de amplitudine finită” care se propagă pe o anumită distanță în mediu (numită distanță discontinuă). ), forma de undă va fi distorsionată într-o undă din dinte de ferăstrău, care poate fi privită și ca o undă de șoc. Pe lângă frecvența fundamentală a emisiei originale, spectrul de frecvență al acestei unde include și o serie de armonici superioare. Ele sunt generate treptat prin absorbția continuă a energiei din unda fundamentală în timpul propagării undelor sonore, adică a armonicilor tisulare în medicina cu ultrasunete. Coeficientul de amplitudine poate fi utilizat pentru a descrie propagarea armonicilor de ordin înalt cu distanța de propagare și relația dintre schimbările de energie în timpul propagării.

 

Unda dinți de ferăstrău formează o distanță, deci este o mărime adimensională care reflectă distanța de propagare. Pe baza acesteia, am calculat curba coeficientului de amplitudine a undei fundamentale și a primelor 3 armonice. Când unda sonoră se propagă în mediu, presiunea sonoră scade exponențial odată cu distanța, care poate fi exprimată într-o formă. Pentru țesuturile moi generale, coeficientul de atenuare TM este aproximativ proporțional cu frecvența. Pentru a simplifica calculul, acest articol exprimă coeficientul de atenuare al fiecărei componente armonice ca unde α este sistemul de atenuare a sunetului undei sonore de frecvență fundamentală în țesuturile biologice pe unitate de distanță.

 

 

Ar trebui să includă absorbția sunetului și împrăștierea țesutului. După luarea în considerare a celor doi factori de mai sus (neliniaritate și atenuare), expresia presiunii sonore în câmpul sonor focalizat poate fi extinsă la următoarea formă: este numărul de undă al fiecărei armonice. Această formulă este ceea ce numim algoritmul de suprapunere liniară al integralei Rayleigh.

 

Rezultat:

 

1 Influența atenuării medii asupra domeniului focal al sunetului. Parametrii unității traductorului sferic concav utilizat în această lucrare sunt: ​​raza de curbură R = 15 cm, raza deschiderii a = 42 cm, frecvența de lucru f = 1,7 MHz. Presupunând că mediul este țesut moale general, coeficientul său de atenuare α este în intervalul 01-30dB tocană (cm·Mz). Viteza sunetului, densitatea și alți parametri ai mediului sunt luați conform literaturii relevante. Pentru a studia coeficientul de atenuare ca un singur factor de influență, doar o singură frecvență, și anume frecvența fundamentală, trebuie calculată și analizată pentru legea de schimbare a domeniului focalizării sunetului cu diferite valori α. Din acest motiv, în formula , au fost efectuate o serie de calcule numerice luând M=1. Rezultatele arată că odată cu creșterea atenuării, adică atunci când α = 0,3, 13 și 23dB tocană (cm·Mhz), forma regiunii focale acustice de -6dB se schimbă treptat de la un elipsoid lung la un elipsoid scurt, iar axa lungă1 și axa scurtă a acestuia.

 

2. Sunt 111, 104 și, respectiv, 92. Poziția zonei focale (poziția pe axa acustică), ultimele două sunt, respectiv, cu 30 mm și respectiv 65 mm înaintea primei de-a lungul axei acustice a traductorului. În același timp, capul zonei focale (capătul aproape de traductor) este mai 'gras' decât coada sa (capătul departe de traductor).

 

2 Efectul neliniarității cauzat de intensitatea ridicată a sunetului asupra intervalului de focalizare a sunetului este același, presiunea sonoră a radiației de suprafață este considerată ca un singur factor, iar valorile sale sunt, respectiv, 44, 73, 4 MPa și α = 3dB tocană (cm·MHz). Având în vedere că atenuarea mediului crește rapid odată cu creșterea frecvenței armonice, numărul de armonici nu trebuie să fie prea mare. Rezultatele calculului arată că: pe măsură ce presiunea sonoră a radiației de suprafață crește, poziția și forma zonei focale se schimbă, spre deosebire de când se modifică coeficientul de atenuare. Este atât de mare, dar legea sa schimbătoare este similară. Adică, pozițiile ultimelor două zone focale sunt deplasate înainte cu 16 mm și, respectiv, 21 mm; raportul dintre axa lungă și scurtă a zonei focale de 6 dB este de 119, 116 și, respectiv, 113, iar capul zonei focale are, de asemenea, tendința de a deveni „gras”.

 

3 Efectul combinat al atenuării și al neliniarității asupra intervalului focal al sunetului.

Cei doi factori de mai sus sunt încorporați simultan în formula (3) pentru calcul. Figura 3(a) și respectiv Figura 3(b) arată că α=3dB tocană (cm·MHz), P′ 0=44MPa și α=2,3dB tocană (cm·MHz), P′0=44MPa

Când se iau în considerare efectele de atenuare și neliniare în același timp, conturul liniei de presiune izo-sunete în zona focală este rezultatul calculului din figură. În comparație cu cele două, poziția zonei focale s-a deplasat înainte cu 8,4 mm, iar raportul dintre axele majore și minore ale zonei focale s-a schimbat de la 11,9 la 8,5. Arată că tendința de schimbare a zonei focale cauzată de coeficientul de atenuare și neliniaritate este aceeași, astfel încât efectul general este întărit.

 

 

în concluzie

Rezultatele analizei teoretice și calculelor din această lucrare arată că: intensitatea ridicată a sunetului și atenuarea medie au o influență importantă asupra formei și poziției zonei focale a sunetului; cu cât este mai mare coeficientul de atenuare al mediului, cu atât este mai mare intensitatea sunetului (adică neliniaritatea este mai puternică) și focalizarea sunetului Cu cât câmpul este mai aproape de traductor; raportul dintre axele lungi și scurte ale câmpului focal devine, de asemenea, mai mic, adică forma sa se schimbă treptat de la un elipsoid lung la un elipsoid scurt, iar capul zonei de focalizare a sunetului devine „gras” decât coada. Fenomen, forma tinde să fie „morcov”. Concluziile de mai sus oferă o bază pentru analiza cantitativă a legii schimbării zonei de focalizare a sunetului a câmpului sonor HIFU și studiază în continuare relația dintre zona de focalizare a sunetului și zona de deteriorare.

 

Metoda de măsurare a probelor mari a coeficientului de reflexie acustică de materiale acustice subacvatice cu hidrofon mono vector

 

Pentru a realiza măsurarea în bandă largă în câmp liber a coeficientului de reflexie acustică normală a materialelor acustice subacvatice, un singur hidrofon vector este utilizat ca echipament de bază al sistemului de măsurare, combinat cu tehnologia de emisie acustică a impulsurilor și tehnologia de procesare a semnalului de filtru post-invers, este propus un hidrofon cu un singur vector bazat pe hidrofon cu un singur vector. Metoda de măsurare în bandă largă în câmp liber a coeficientului de reflexie acustică normală a materialului acustic subacvatic al materialului acustic subacvatic, prin tehnologia de rotație electronică a hidrofonului vectorial pentru a realiza separarea efectivă a sunetului direct și a sunetului reflectat. Se discută influența erorii sistemului de măsurare și a raportului semnal-zgomot al semnalului primit asupra rezultatului măsurării. Această metodă are anumite cerințe pentru raportul semnal-zgomot, dar nu este sensibilă la eroarea sistemului de măsurare. Rezultatele testelor experimentale arată că: În comparație cu rezultatele testelor experimentale fără procesare de filtrare post-inversă, metoda descrisă în articol îmbunătățește semnificativ performanța de măsurare, dar limitată de capacitatea de emisie de joasă frecvență a traductorului de transmisie, rezultatele experimentale sunt peste 2,5 kHz și valorile teoretice sunt în acord bun.

 

Coeficientul de reflexie acustică este un parametru important care caracterizează performanța acustică a materialelor acustice subacvatice. În prezent, metodele de măsurare a coeficientului de reflexie acustică a materialelor acustice subacvatice pot fi împărțite aproximativ în metoda tubului acustic de laborator cu mostre mici și metoda de măsurare a câmpului liber eșantion mare. Măsurarea câmpului liber de probe mari se efectuează în general într-un bazin mare anecoic. Prin așezarea materialelor de tăcere pe marginea piscinei pentru a absorbi sunetul reflectat de limita piscinei, semnalul primit de hidrofon este doar sunetul direct și sunetul reflectat al probei. Cu toate acestea, din cauza limitării limitei inferioare a bazinului anechoic, efectul multipath de joasă frecvență este evident; în plus, metoda de măsurare în câmp liber este în mare parte interferată de efectul de difracție de margine al probei, iar această interferență este deosebit de gravă în banda de frecvență joasă. Pentru a rezolva problemele de mai sus, tehnologia de testare a sunetului de impuls este utilizată pe scară largă în măsurarea parametrilor acustici ai materialelor acustice subacvatice. Este tehnologia sa cheie pentru a transmite semnale acustice pulsate cu forme de undă controlabile și fără distorsiuni. Cu toate acestea, funcția de transfer a traductorului de transmisie limitează frecvența mai mică a tehnologiei de testare a sunetului de impuls în spațiul limitat de măsurare. Din acest motiv, au fost propuse o varietate de metode de compensare, cum ar fi metoda de suprapunere a impulsurilor în bandă largă propusă de Li Shui et al. Această metodă utilizează tehnologia de filtrare inversă pentru a preprocesa semnalul de excitație al traductorului de transmisie pentru a compensa funcția de transmisie a traductorului de transmisie, astfel încât semnalul radiat de traductorul de transmisie să fie un impuls ascuțit ideal, care reduce efectiv frecvența limită inferioară a măsurării.

 

Spre deosebire de metoda de mai sus, „tehnologia de filtrare post-inversă” procesează semnalul la capătul de recepție al hidrofonului pentru a atinge scopul de a compensa răspunsul în frecvență al traductorului de transmisie. „Tehnologia de filtru post-invers” este adoptată în tubul acustic pentru a obține măsurarea în bandă largă a coeficientului de absorbție a sunetului. materiale acustice subacvatice . Această metodă obține mai întâi funcția de transfer a sistemului de măsurare, apoi compensează semnalul de observație și, în final, obține coeficientul de reflexie acustică al probei prin împărțirea spectrului de amplitudine a semnalului de observare compensat cu spectrul de amplitudine a semnalului de reflexie al eșantionului standard și calculează în continuare coeficientul de absorbție a sunetului. În ultimii ani, senzorii vectoriali au fost aplicați cu succes la măsurarea parametrilor acustici ai materialelor aeroacustice, cum ar fi metoda impedanței de suprafață și metoda intensității sunetului. Hidrofonul vectorial poate prelua informațiile câmpului sonor sincron și în același punct, ceea ce extinde spațiul de procesare post-semnal, iar procesarea în comun a semnalelor de presiune a sunetului și viteza de vibrație poate forma o anumită directivitate spațială, care poate interfera cu sunetul de difracție al marginii probei. Până la un anumit grad de suprimare, nu este necesară utilizarea unei matrice convenționale mari de recepție a presiunii sonore, ceea ce reduce complexitatea sistemului de măsurare. În același timp, direcția maximă principală de ieșire a prelucrării combinate a presiunii sonore și a vitezei de vibrație a hidrofonului vectorial poate fi direcționată într-o direcție predeterminată prin tehnologia de rotație electronică, care facilitează decojirea eficientă a sunetului direct și a sunetului reflectat. În plus, hidrofonul vectorial are, de asemenea, avantajele unei bune direcții de joasă frecvență și rezistență la zgomotul izotrop. Prin urmare, în comparație cu hidrofonul tradițional de presiune acustică, utilizarea unui hidrofon vectorial pentru a testa coeficientul de reflexie a sunetului al unui material are anumite avantaje. Această lucrare prezintă o metodă de măsurare în bandă largă pentru coeficientul normal de reflexie acustică a materialelor acustice subacvatice cu o probă mare în câmp liber. Această metodă utilizează un singur hidrofon vectorial ca echipament de bază al sistemului de măsurare, combină tehnologia de emisie acustică pulsată și tehnologia de filtrare post-inversă pentru a suprima distorsiunea formei de undă a semnalului, elimină sunetul de difracție a marginii eșantionului și sunetul de interferență cu mai multe căi în domeniul temporal și apoi trece. obţinut prin împărţirea celor două.

 

1 Proces de măsurare

Pentru a explica principiul de măsurare al acestei metode, în timp ce se explică procesul de măsurare, sunt date rezultatele aferente derivării formulei și simulării.

 

1.1 Identificarea funcției de transfer și designul filtrului invers al sistemului de măsurare Înainte de testarea probei, trebuie obținută mai întâi funcția de transfer a sistemului de măsurare. Spre deosebire de hidrofonul tradițional de presiune acustică, hidrofonul vectorial include un canal de presiune a sunetului și un canal de viteză a vibrației, astfel încât funcția de transfer a fiecărui canal de măsurare al hidrofonului vectorial trebuie să fie obținută în același timp. În timpul măsurării, semnalul de impuls ideal este radiat în mediul de apă prin traductorul de transmisie, apoi transmis către punctul de recepție prin canalul hidroacustic și, în final, recepționat de hidrofonul vector și colectat de colector. Prin urmare, sistemul de măsurare poate fi împărțit în trei părți, și anume sistemul de transmitere a semnalului, canalul acustic subacvatic și sistemul de recepție a semnalului. Luând ca exemplu canalul de presiune sonoră, modelul semnalului recepționat este prezentat în Figura 1.

În figura 1, s(f) este spectrul semnalului transmis, T(f), Hp(f) și R(f) sunt funcțiile de transfer ale sistemului de transmisie, canalul hidroacustic de presiune acustică și respectiv sistemul de recepție a semnalului, iar N(f) este spectrul de zgomot de fond, Y(f) este spectrul semnalului de ieșire al sistemului de măsurare. Tehnica de filtrare post-inversă este de a proiecta un filtru invers pentru a compensa T(f) și R(f) atunci când funcția de transfer a sistemului de măsurare este cunoscută. Luați canalul de presiune sonoră ca exemplu pentru a ilustra principiul de bază al identificării funcției de transfer a sistemului de măsurare. Metoda 1 Luați în considerare sistemul de transmitere a semnalului și sistemul de recepție a semnalului ca întreg, adică H(f) = T(f) + R(f). Semnalul de intrare este x(t), semnalul de ieșire al sistemului este y(t), zgomotul de fond este n(t), Y(f) = H(f) X(f) + N(f) (1) unde, X(f), Y(f) și N(f) sunt transformata Fourier a semnalului de intrare al sistemului x(t), semnalul de ieșire al sistemului y(t) și respectiv zgomotul de fond n(t). După calcul, valoarea estimată a lui H(f) este ^H(f) =Gxy(f)Gxx(f) (2) unde Gxy(f) este spectrul de putere încrucișată al semnalului de intrare și al semnalului de ieșire al sistemului, iar Gxx(f) este spectrul de putere proprie al semnalului de intrare al sistemului.

 

Pe lângă metodele de identificare a sistemului de măsurare menționate mai sus, pot fi utilizate și tehnici de identificare a secvenței pseudoaleatoare. Metoda 2 Să presupunem că semnalul de intrare x(t) al sistemului de măsurare este o secvență pseudo-aleatoare (secvență MLS), iar semnalul de ieșire al sistemului este y(t). Evident, y(t) = x(t) * h(t) (3) unde , * înseamnă convoluția, h(t) este funcția de răspuns la impuls unitar a sistemului. Calculați funcția de corelație dintre semnalul de intrare și semnalul de ieșire al sistemului, rxy = ∫x(τ) y(τ-t) dτ = h(t) * rxx(t) (4) unde rxy este corelația încrucișată între intrarea și ieșirea funcției sistemului, rxx este funcția de autocorelare a semnalului de intrare. Deoarece secvența MLS are caracteristici de autocorelare mai bune, adică rxx(n) = δ(n)-1L + 1 . unde L = 2m-1 este lungimea secvenței și m este ordinea secvenței pseudoaleatoare. Este ușor de observat că valoarea estimată a funcției de răspuns la impuls al unității de sistem ^h(t) este ^h(t) ≈ rxy (6) O transformată Fourier suplimentară poate obține valoarea estimată ^H(f) a funcției de transfer de sistem a sistemului de măsurare. După obținerea ^H (f), proiectați filtrul invers H-1(f) în domeniul frecvenței ca Hpost(f) =^H(f)| ^H(f) | 2 + q( 7) unde , Q este un număr normal, în general 1% din valoarea maximă a | ^H (f) | 2. Condiția de simulare 1 Traductorul de transmisie și hidrofonul sunt plasate într-un bazin anechoic la adâncime egală, distanța dintre cele două este de 1 m, iar semnalul transmis este o secvență MLS de 16 ordine. Metoda 1 și, respectiv, metoda 2 sunt utilizate pentru a identifica sistemul. Rapoartele sunt 10, 20 și 30 dB. Evaluați avantajele și dezavantajele rezultatelor identificării funcției de transfer ale celor două metode la raporturi semnal-zgomot diferite. În simulare, funcția de răspuns la impuls unitar a sistemului este simulată prin adăugarea de impulsuri gaussiene cu frecvențe centrale de 1, 2, 4 și 8 kHz.

 

Figura 3 prezintă rezultatele identificării funcției de transfer a sistemului de măsurare în condițiile de mai sus. Din figură se poate observa că cele două metode de identificare a sistemului descrise în acest articol pot obține în mod eficient funcția de transfer a sistemului de măsurare. Cu toate acestea, metoda 1 are anumite cerințe privind raportul semnal-zgomot. Când raportul semnal-zgomot este mai mare de 30 dB, rezultatul identificării este precis. Rezultatul identificării sistemului al metodei 2 este mai bun decât cel al metodei 1, iar rezultate de identificare de înaltă precizie pot fi încă obținute în condițiile unui raport semnal-zgomot scăzut. Acest lucru se datorează faptului că zgomotul de fond are o corelație mică cu semnalul de excitație al sursei de sunet, astfel încât această metodă are o anumită capacitate anti-zgomot. Mai jos este o analiză a eficacității metodei de măsurare descrisă în acest articol prin simulare și calcul numeric.

 

1.2 Prelucrarea datelor de observare

1) Obțineți date de observație. Diagrama de principiu de măsurare a senzor transductor acustic subacvatic  este prezentată în Figura 4. În figură, ri este calea directă a sunetului, iar distanța de la hidrofonul vectorial la probă este d, calea sunetului reflectat este ri + 2d, re = rs + rr este calea sunetului difractat, rq este calea sunetului reflectat la limita piscinei, pi este sunetul direct, pr este sunetul reflectat al eșantionului, p este sunetul reflectat a, p este sunetul reflectat a, p este sunetul reflectat la eșantion. sunet de interferență cu mai multe căi.

 

Să presupunem că spectrul semnalului de excitație al traductorului de transmisie este s(f), iar impedanța caracteristică a mediului este ignorată. Fără pierderea generalității, expresia domeniului de frecvență a semnalului primit de hidrofonul vectorial bidimensional este P(f) = s(f) · 1 + Rs(f) e－jωτr+ D(f) e－jωτe + Rq(f) e－jωτq Hpt(f)Vx(f) = Rs(f(f) f) · cos(s(f)(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－ Dω(rsi) e－(f) e－jωτesin(θe) + Rq(f) e－jωτqsin(θq) Hvyt(f)(8) În formulă, Rs(f) este coeficientul de reflexie acustică al probei, care depinde de frecvența undei sonore și de unghiul de incident, D(f) este coeficientul de difracție a marginii eșantionului, coeficientul de reflecție a marginii eșantionului, coeficientul de reflexie Rq, τ τe și τq sunt întârzierile de timp ale sunetului reflectat, sunetului de difracție a marginii eșantionului și, respectiv, sunetul de reflexie la granița pool-ului și, respectiv, sunetul direct. θi, θr, θe și θq sunt sunet direct, sunet reflectat, sunet de difracție a marginii eșantionului și sunet de reflexie la granița pool-ului, respectiv Unghiul incident al undei sonore, Hpt(f), Hvxt(f) și respectiv Hvxt(f) reprezintă funcția de transfer a fiecărui canal de măsurare al sistemului de măsurare.

 

2) Compensarea funcției de transfer a sistemului de măsurare. Înmulțiți filtrul invers proiectat cu spectrul de frecvență al datelor de observare a canalului corespunzătoare pentru a obține semnalul compensat. ≈ s( f) · cos( θi) + Rs( f) e－jωτrcos( θr )+ D( f) e－jωτecos( θe) + Rq( f) e－jωτqcos( θq) Vypost( f ) ≈ s(f)) · sin +( s(f)) e－jωτrsin( θr )+ D( f) e－jωτesin( θe) + Rq( f) e－jωτqsin( θq)

 

Condiția de simulare 2 Să presupunem că adâncimea bazinului este de 10 m, traductorul de lansare, hidrofonul vector și adâncimea apei h a probei de testat sunt de 5 m. Distanța H de la traductorul de transmisie la probă este de 15 m, distanța d de la hidrofonul vector la probă este de 10 cm, semnalul de transmisie este un semnal acustic de impuls Butterworth, lățimea de bandă a semnalului este de 500-10 kHz și frecvența de eșantionare fs = 131 072 Hz și un raport semnal-zgomot de 330 dB. Luați canalul de presiune sonoră ca exemplu pentru a verifica eficacitatea compensării filtrului post-invers. În simulare, proba de testat este o placă de aluminiu cu o grosime de 0,006 m și o dimensiune geometrică de 1 m×1 m. Coeficientul de difracție de margine al probei este simulat cu un filtru trece-jos.

Figura 5 prezintă efectul de compensare al filtrului post-invers al canalului de presiune sonoră. Figura arată că forma de undă a semnalului după compensare este mai regulată și mai netedă, ceea ce suprimă efectiv distorsiunea semnalului cauzată de funcția de transfer a sistemului de măsurare și ajută la eliminarea interferențelor, cum ar fi sunetul de difracție de margine.

 

3) Eliminați sunetele de interferență. Calculați întârzierea sunetului reflectat, eșantionarea sunetului de difracție și a sunetului de reflexie la granița pool-ului în conformitate cu parametrii de implementare a sistemului de măsurare și efectuați transformarea Fourier inversă a ecuației (9) pentru a obține semnalul din domeniul timpului, apoi adăugați o fereastră pentru a intercepta semnalul util și efectuați transformarea Fourier Leaf, obținem Pc(f) = s(f)ω) [1 + R]

Vx c( f) = s( f) [cos(θi) + Rs(f) e－jωτrcos(θr)]

Vy c(f) = s(f) [sin(θi) + Rs(f) e－jωτrsin(θr)] unde Pc(f), Vxc(f) și Vyc(f) sunt, respectiv, spectrul de semnal al fiecărui canal. Separați sunetul direct și sunetul reflectat și obțineți coeficientul de reflexie a sunetului al probei. Să presupunem că azimutul de ghidare al hidrofonului vectorial este ψ, iar viteza particulelor compuse calculată Vc este Vc( f) = Vxc( f) cos( ψ) + Vyc( f) sin( ψ) (11) În primul rând, îndreptați azimutul de ghidare către transmițător Fie ψ = 0 și efectuați (p + vc) procesarea comună și fc) ieșirea procesării comune Ii ca Ii = [Pc(f) + Vc(f)] 2ψ = 0 = 4 (12) Îndreptați din nou azimutul de ghidare către eșantion, adică fie ψ = π, și efectuați prelucrarea comună a lui (p + vc) 2 pentru a obține rezultatul procesării comune Ir = [Pc(f)] + Vc(f =（ （ ϻ2 = ［2) f) e－2jωτr］

 

2 Analiza erorilor de măsurare

Condiția de simulare 3 Parametrii sistemului de măsurare rămân neschimbați, semnalul transmis este un semnal acustic pulsat Butterworth, iar lățimea de bandă a semnalului este de 500 ~ 10 kHz. Fără a lua în considerare efectul de difracție al marginii eșantionului și influența sunetului de reflexie la limita piscinei, se discută raportul semnal-zgomot. Când este de 20, 30 și 40 dB, rezultatul măsurării se modifică cu frecvența. Sunt prezentate rezultatele măsurătorii și curbele de eroare relativă a măsurării în diferite rapoarte semnal-zgomot. Se poate observa din figură că eroarea relativă de măsurare se atenuează odată cu oscilația frecvenței, iar banda de frecvență joasă este foarte afectată de raportul semnal-zgomot; în plus, când raportul semnal-zgomot este de 20 dB, tendința de modificare a rezultatului măsurării este aceeași cu valoarea teoretică, dar rezultatul măsurării are o eroare mai mare; scăzut Eroarea de măsurare a benzii de frecvență mare se datorează faptului că coeficientul de reflexie acustică este mic, iar fluctuațiile mici pot cauza erori relative mari. În testul propriu-zis, pe lângă raportul semnal-zgomot, eroarea de plasare a sistemului de măsurare va avea, de asemenea, un impact asupra rezultatelor măsurătorii. Următoarea simulare analizează impactul erorii de plasare a sistemului de măsurare. Condiția de simulare 4 Parametrii sistemului de măsurare rămân neschimbați, indiferent de interferențe, cum ar fi zgomotul de fond și difracția marginii eșantionului. Distanța H de la sursa de sunet la probă este de 5, 10 și, respectiv, 15 m. Se discută atunci când distanța d de la hidrofonul vector la probă este de 10 Rezultatul măsurării la % eroare. Rezultatele măsurătorii sunt date atunci când distanța H de la traductorul transmițător la probă este diferită, iar distanța d de la hidrofonul vector la probă are o eroare de 10%. Figura arată că rezultatul măsurării nu este sensibil la eroarea distanței dintre hidrofonul vector și probă; H Rezultatele măsurătorilor nu sunt aproape coincidente în același timp. Se poate observa că în testul propriu-zis este necesar doar selectarea H adecvată în funcție de dimensiunea geometrică a bazinului de măsurare. Condiția de simulare 5 Parametrii sistemului de măsurare rămân neschimbați, indiferent de interferența de la zgomotul de fond și difracția marginii probei. Distanța d de la hidrofonul vector la probă este de 5, 10 și, respectiv, 15 cm, iar distanța H de la traductorul de transmisie la probă este de 15 m, discutați rezultatele măsurării atunci când există o eroare de 1% în distanța H de la traductorul transmițător la probă. Rezultatele măsurătorii sunt date atunci când distanța d de la hidrofonul vector la probă este diferită, iar distanța H de la traductorul de transmisie la probă are o eroare de 1%. Din figură se poate observa că rezultatul măsurării și valoarea teoretică au aceeași tendință cu frecvența, iar cu cât frecvența este mai mare, cu atât frecvența este mai mare. Rezultatul este mai precis, iar această metodă de măsurare nu este sensibilă la eroarea distanței dintre hidrofonul vectorial și probă.

3 Cercetare experimentală și prelucrare a datelor

 

Schema bloc al compoziției hardware a sistemului de măsurare este prezentată în Figura 11. Sistemul constă dintr-un capăt uscat și un capăt umed. Capătul uscat este compus în principal din generator de semnal arbitrar, amplificator de putere, circuit de condiționare a hidrofonului vectorial și colector de semnal etc., care sunt utilizate pentru generarea, transmiterea și achiziția semnalului. Capătul umed este compus în principal dintr-un traductor de transmisie, un hidrofon vectorial bidimensional de joasă frecvență și o probă pentru măsurarea probei. Capătul umed este plasat într-un bazin anechoic cu dimensiunea geometrică de 25 m×15 m×10 m, iar centrul de sunet este situat la 5 m sub apă. Piscina este înfundată pe șase laturi, iar limita inferioară a absorbției sunetului este de 2 kHz. Proba de testat este o placă de aluminiu cu dimensiunea geometrică de 1m×1m×0,006 m. Traductorul transmițător este suspendat pe marginea vehiculului deasupra piscinei, iar distanța H de la probă este de 4,95 m. Proba este fixată pe dispozitivul de ridicare și rotație, iar proba poate fi rotită la un unghi în timpul măsurării și deplasată fără probleme în trei dimensiuni. Hidrofonul vector este plasat la capătul frontal al probei, iar distanța d de la suprafața probei este de 5,5 cm. Traductorul de transmisie este o sursă de sunet cilindrică, iar Figura 12 prezintă curba de răspuns la tensiunea de transmisie.

 

Se poate observa din Fig. 12 că traductorul de transmisie are o capacitate slabă de radiație sub 2,5 kHz. Banda efectivă de frecvență de lucru a hidrofonului vectorial bidimensional de joasă frecvență este de 1 ~ 12 kHz. În timpul desfășurării, canalul vector Vy indică spre proba de testat, iar Vx către peretele bazinului. Mai întâi transmiteți secvența pseudo-aleatorie de 16 ordine pentru a identifica și măsura.

 

Figura 12 Curba de răspuns la tensiunea de transmisie a traductorului de transmisie

 

Funcția de transfer al sistemului și designul filtrului invers. Figura 13 prezintă rezultatele identificării funcției de transfer ale sistemului de măsurare. În figură, hp(f), hvx(f) și hvy(f) sunt valorile măsurate ale funcției de transfer a canalului de presiune acustică, canalul vector Vx și respectiv canalul Vy al sistemului de măsurare; hpinv(f), hvxinv(f) și hvyinv(f) sunt funcția de transfer invers al filtrului proiectată.

Se poate observa din Figura 13 că rezultatul identificării funcției de transfer al canalului Vx vector este invalid. Acest lucru se datorează faptului că, în situația de desfășurare de mai sus, „gropa” canalului Vx al hidrofonului vectorial se află în fața sursei de sunet, iar semnalul primit de acest canal este doar pool-ul. Peretele reflectă semnalul acustic, astfel încât rezultatul identificării sistemului este inexact. Păstrați poziția și orientarea spațială a traductorului de transmisie și a traductor hidrofon vectorial neschimbat, puneți proba și transmiteți semnalul acustic pulsat Butterworth cu o lățime de bandă de 500 până la 12,5 kHz. Figura 14 prezintă datele originale și formele de undă ale semnalului modificate primite de fiecare canal al hidrofonului vectorial. Se poate observa din Figura 14 că forma de undă în domeniul timpului a semnalului după corecția filtrului invers devine regulată și energia este mai concentrată. Apoi calculați întârzierea de timp a sunetului direct și a sunetului de difracție a sunetului reflectat de la marginea eșantionului în funcție de parametrii de dispunere spațială ai sistemului de măsurare și adăugați ferestre pentru a intercepta datele utile și calculați coeficientul normal de reflexie a sunetului al eșantionului, așa cum se arată în Figura 15.

Figura 15 prezintă rezultatele măsurătorilor înainte și după compensare. Se poate observa că rezultatul măsurării funcției de transfer a sistemului de măsurare necompensat are o eroare mare și este aproape invalid. Precizia măsurării este mult îmbunătățită după procesarea filtrului post-invers. Când frecvența este mai mare de 2,5 kHz, eroarea de măsurare după corectarea filtrului post-invers este mică, iar rezultatul măsurării sub 2,5 kHz are o eroare mare. Motivul este că capacitatea de transmisie de joasă frecvență a traductorului de transmisie este limitată, iar componentele de joasă frecvență ale semnalului sunt scufundate în zgomotul de fond, astfel încât rezultatul măsurării este slab.

 

4 Concluzie

Această lucrare propune o metodă de măsurare a coeficientului de reflexie acustică normală a materialelor acustice subacvatice pe baza unui singur hidrofon vector. Această metodă va pulsa. Combinația dintre tehnologia de emisie de impuls, tehnologia de procesare a semnalului vectorial și tehnologia de filtru post-invers, prin tehnologia de filtru post-invers pentru a primi hidrofonul vectorial.

 

Datele sunt compensate, distorsiunea semnalului cauzată de funcția de transfer a sistemului de măsurare este suprimată, iar sunetul de difracție de margine și calea multiplă a probei sunt eliminate în domeniul timpului. Interferența semnalului îmbunătățește acuratețea măsurării. Principiul de măsurare este dedus teoretic, influența erorii sistemului de măsurare este studiată prin calcul numeric și simulare și se efectuează cercetări experimentale. Rezultatele calculului numeric și simulării arată că metoda de măsurare descrisă în acest articol are anumite cerințe pentru raportul semnal-zgomot; Implementare inexactă și insensibilă a sistemului. Rezultatele experimentale arată că metoda descrisă în această lucrare poate realiza în mod eficient măsurarea la scară largă în câmp liber a coeficientului normal de reflexie acustică a materialelor acustice subacvatice, dar datorită limitării capacității de radiație de joasă frecvență a traductorului de transmisie, eroarea de măsurare a frecvenței joase este relativ mare.