Метод вимірювання коефіцієнта акустичного відбиття підводних акустичних матеріалів з одновекторним гідрофоном

Об’єктивним є дослідження зміни форми та геометричного положення акустичного фокусного діапазону увігнутої сферичний ультразвуковий перетворювач, коли інтенсивність звуку висока, а середовище має велике загасання. З точки зору фізичної акустики проаналізовано вплив нелінійності та ослаблення середовища, спричинених високою інтенсивністю звуку, на фокусний діапазон звуку, а алгоритм лінійної суперпозиції інтеграла використовується для виконання розрахунків чисельного моделювання. Як теоретичний аналіз, так і чисельний розрахунок показують, що зі збільшенням інтенсивності звуку та середнього затухання геометричне положення акустичної фокальної зони має просування на міліметровому рівні вздовж акустичної осі в напрямку перетворювача; при цьому форма акустичної фокальної зони поступово змінювалася від симетричного довгого еліпсоїда до короткого еліпсоїда з «товстою головою і тонким хвостом».

 

Висока інтенсивність звуку та середнє затухання мають важливий вплив на положення та форму звукової фокусної області увігнутого сферичного перетворювача. Слід приділяти повну увагу точному позиціонуванню та контролю дози обладнання HIFU, формулюванню стандартів перевірки та навіть клінічному застосуванню.

 

моя країна зробила значний прорив у розробці та клінічному застосуванні високоінтенсивного сфокусованого ультразвуку (обладнання для сфокусованого ультразвуку високої інтенсивності (HIFU)). Однак, щоб справді досягти точного позиціонування та контролю дози лікування на обладнанні, щоб клінічне лікування могло досягти ідеального ефекту ефективного знищення ураження без пошкодження навколишніх нормальних тканин, все ще є багато теоретичних і технічних проблем, які необхідно вивчити та поглиблено вирішити. Вітчизняні та зарубіжні експериментальні дослідження формування пошкоджень HIFU в біологічних тканинах показали, що зі збільшенням інтенсивності звуку положення фокальної зони просувається вперед і поступово змінюється від довгого еліпсоїда до «форми пуголовка» або «форми конуса». Хоча в останні роки в іноземній літературі було зроблено деякі якісні пояснення вищезазначеного явища шляхом чисельного розв’язання нелінійного рівняння поширення акустичної хвилі (рівняння КЗК), але процедура розрахунку є складною, а фізичний зв’язок у процесі розрахунку незрозумілим. З цієї причини в цій статті в якості прикладу береться увігнутий сферичний фокусуючий перетворювач і обговорюється проблема шляхом вивчення впливу ослаблення середовища та характеристик нелінійного розповсюдження за високої інтенсивності звуку на діапазон фокусування звуку.

 

У нашій попередній роботі на основі дифракційного інтеграла Кірхгофа ми отримали вираз звукового тиску в будь-якій точці одночастотного звукового поля за умови лінійного звукового поля з увігнутим сферичним фокусуючим перетворювачем з рівномірним випромінюванням на поверхні (також називається точками Релея).

 

З аналізу теорії нелінійної акустики, коли звуковий тиск одночастотної синусоїди, що випромінюється від поверхні перетворювача в середовище, є достатньо великим, це називається 'хвилею кінцевої амплітуди', яка поширюється на певну відстань у середовищі (так звану розривну відстань). ), форма сигналу буде спотворена в пилкоподібну хвилю, яку також можна розглядати як ударну хвилю. На додаток до основної частоти вихідного випромінювання частотний спектр цієї хвилі також включає серію вищих гармонік. Вони поступово генеруються шляхом постійного поглинання енергії основної хвилі під час поширення звукових хвиль, тобто тканинних гармонік в ультразвуковій медицині. Коефіцієнт амплітуди можна використовувати для опису поширення гармонік високого порядку з відстанню поширення та взаємозв’язком змін енергії під час поширення.

 

Пилоподібна хвиля утворює відстань, тому є безрозмірною величиною, що відображає відстань поширення. На основі цього ми розрахували криву амплітудного коефіцієнта основної хвилі та перших 3 гармонік. Коли звукова хвиля поширюється в середовищі, звуковий тиск експоненціально спадає з відстанню, що можна виразити у формі. Для загальних м’яких тканин коефіцієнт ослаблення TM приблизно пропорційний частоті. Щоб спростити обчислення, у цій статті коефіцієнт ослаблення кожної гармонічної складової виражається у вигляді, де α — система ослаблення звуку основної частоти звукової хвилі в біологічних тканинах на одиницю відстані.

 

 

Він повинен включати звукопоглинання і розсіювання тканини. Після врахування двох вищезазначених факторів (нелінійність і затухання) звуковий тиск у сфокусованому звуковому полі можна розширити до такої форми: це хвильове число кожної гармоніки. Цю формулу ми називаємо алгоритмом лінійної суперпозиції інтеграла Релея.

 

Результат:

 

1 Вплив середнього затухання на фокусну відстань звуку. Параметри одиничного увігнутого сферичного перетворювача, що використовується в цій роботі, такі: радіус кривизни R = 15 см, радіус апертури a = 42 см, робоча частота f = 1,7 МГц. Припускаючи, що середовищем є звичайна м’яка тканина, його коефіцієнт ослаблення α знаходиться в діапазоні 01-30 дБ stew (см·Мз). Швидкість звуку, щільність та інші параметри середовища приймаються згідно з відповідною літературою. Щоб досліджувати коефіцієнт затухання як єдиний впливовий фактор, потрібно розрахувати та проаналізувати лише одну частоту, а саме основну частоту, для зміни закону області фокусування звуку з різними значеннями α. З цієї причини у формулі було проведено ряд чисельних розрахунків, прийнявши M=1. Результати показують, що зі збільшенням затухання, тобто коли α = 0,3, 13 і 23 дБ stew (см·МГц), форма акустичної фокальної області -6 дБ поступово змінюється з довгого еліпсоїда на короткий еліпсоїд, а його довга вісь1 і коротка вісь .

 

2. Їх 111, 104 і 92 відповідно. Положення фокальної зони (положення на акустичній осі), дві останні відповідно на 30 мм і 65 мм попереду першої вздовж акустичної осі перетворювача. При цьому головка фокальної зони (кінець, близький до датчика) більш «жирний», ніж її хвіст (кінець, віддалений від перетворювача).

 

2 Вплив нелінійності, спричиненої високою інтенсивністю звуку, на діапазон фокусування звуку є однаковим, звуковий тиск поверхневого випромінювання розглядається як єдиний фактор, і його значення становлять відповідно 44, 73, 4 МПа та α = 3dB stew (см·МГц). Враховуючи, що загасання середовища швидко зростає зі збільшенням частоти гармонік, кількість гармонік не повинна бути надто великою. Результати розрахунків показують, що зі збільшенням звукового тиску поверхневого випромінювання положення та форма фокальної зони змінюються на відміну від зміни коефіцієнта ослаблення. Він такий великий, але закон його зміни подібний. Тобто положення двох останніх фокальних областей зміщено вперед на 16 мм і 21 мм відповідно; співвідношення довгої та короткої осі фокусної зони 6 дБ становить 119, 116 і 113 відповідно, головна частина фокусної зони також має тенденцію ставати «жирною».

 

3 Комбінований вплив ослаблення та нелінійності на фокусний діапазон звуку.

У формулу (3) для розрахунку одночасно включені два вищезазначені фактори. На рисунку 3(a) та малюнку 3(b) відповідно показано, що α=3dB stew (см·МГц), P′ 0=44MPa та α=2,3dB stew (см·MHz), P′0=44MPa

При одночасному розгляді затухання та нелінійних ефектів результатом розрахунку на малюнку є контур лінії ізозвукового тиску у фокальній зоні. Порівняно з двома, положення фокальної зони змістилося вперед на 8,4 мм, а співвідношення великої та малої осей фокальної зони змінилося з 11,9 до 8,5. Це показує, що тенденція зміни фокусної зони, спричинена коефіцієнтом ослаблення та нелінійністю, однакова, тому загальний ефект посилюється.

 

 

на закінчення

Результати теоретичного аналізу та розрахунків у цій статті показують, що: висока інтенсивність звуку та середнє затухання мають важливий вплив на форму та положення звукової фокусної зони; чим більший коефіцієнт ослаблення середовища, тим вища інтенсивність звуку (тобто тим сильніша нелінійність), а фокус звуку Чим ближче поле до перетворювача; співвідношення довгої і короткої осей фокального поля також стає меншим, тобто його форма поступово змінюється від довгого еліпсоїда до короткого еліпсоїда, а головка зони фокусування звуку стає «жирнішою» ніж хвіст. Феномен, форма тяжіє до 'моркви'. Наведені вище висновки створюють основу для кількісного аналізу закону зміни зони фокусування звуку звукового поля HIFU та подальшого вивчення зв’язку між зоною фокусування звуку та зоною пошкодження.

 

Метод вимірювання коефіцієнта акустичного відбиття великої вибірки підводні акустичні матеріали з одним векторним гідрофоном

 

Щоб реалізувати широкосмугове вимірювання у вільному полі нормального коефіцієнта акустичного відбиття підводних акустичних матеріалів, одновекторний гідрофон використовується як базове обладнання вимірювальної системи в поєднанні з технологією імпульсної акустичної емісії та технологією обробки сигналу після інверсного фільтра, пропонується одновекторний гідрофон на основі одновекторного гідрофону. Широкосмуговий метод вільного поля вимірювання нормального коефіцієнта акустичного відбиття підводного акустичного матеріалу підводного акустичного матеріалу за допомогою технології електронного обертання векторного гідрофону для реалізації ефективного розділення прямого звуку та відбитого звуку. Обговорено вплив похибки вимірювальної системи та відношення сигнал/шум прийнятого сигналу на результат вимірювання. Цей метод має певні вимоги до відношення сигнал/шум, але він не чутливий до похибки вимірювальної системи. Результати експериментальних випробувань показують, що: Порівняно з результатами експериментальних випробувань без обробки після інверсної фільтрації, метод, описаний у статті, значно покращує ефективність вимірювання, але обмежений можливостями низькочастотного випромінювання передавального перетворювача, експериментальні результати вище 2,5 кГц, а теоретичні значення добре збігаються.

 

Коефіцієнт акустичного відбиття є важливим параметром, що характеризує акустичні характеристики підводних акустичних матеріалів. В даний час методи вимірювання коефіцієнта акустичного відбиття підводних акустичних матеріалів можна приблизно розділити на метод лабораторної акустичної трубки з малими зразками та метод вимірювання у вільному полі великого зразка. Вимірювання великого зразка у вільному полі, як правило, виконується у великій безеховій басейні. Укладаючи глушильні матеріали на межі басейну для поглинання відбитого звуку від кордону басейну, сигнал, отриманий гідрофоном, є лише прямим звуком і відбитим звуком зразка. Однак через обмеження нижньої межі безехового басейну ефект низькочастотного багатопроменевого поширення очевидний; крім того, методу вимірювання у вільному полі здебільшого заважає ефект крайової дифракції зразка, і ця перешкода особливо серйозна в діапазоні низьких частот. Для вирішення зазначених вище проблем технологія імпульсного звукового тестування широко використовується при вимірюванні акустичних параметрів підводних акустичних матеріалів. Це його ключова технологія для передачі імпульсних акустичних сигналів із контрольованою формою хвилі та без спотворень. Однак функція передачі передаючого перетворювача обмежує нижчу частоту технології імпульсного звукового тестування в обмеженому просторі вимірювання. З цієї причини було запропоновано різноманітні методи компенсації, такі як метод суперпозиції широкосмугового імпульсу, запропонований Li Shui та ін. У цьому методі використовується технологія зворотної фільтрації для попередньої обробки сигналу збудження передавального перетворювача, щоб компенсувати функцію передачі передавального перетворювача, так що сигнал, випромінюваний передавальним перетворювачем, є ідеальним різким імпульсом, що ефективно знижує нижню межу частоти вимірювання.

 

На відміну від наведеного вище методу, 'технологія постінверсної фільтрації' обробляє сигнал на приймальному кінці гідрофона для досягнення мети компенсації частотної характеристики передавального перетворювача. «Технологія постінверсного фільтра» використовується в акустичній трубці для досягнення широкосмугового вимірювання коефіцієнта звукопоглинання підводно-акустичні матеріали . Цей метод спочатку отримує функцію передачі вимірювальної системи, потім компенсує сигнал спостереження і, нарешті, отримує коефіцієнт акустичного відбиття зразка шляхом ділення спектра амплітуди компенсованого сигналу спостереження на спектр амплітуди сигналу відбиття стандартного зразка, а потім обчислює коефіцієнт поглинання звуку. В останні роки векторні датчики були успішно застосовані для вимірювання акустичних параметрів аероакустичних матеріалів, таких як метод поверхневого опору та метод інтенсивності звуку. Векторний гідрофон може отримувати інформацію про звукове поле синхронно та в тій самій точці, що розширює простір обробки після сигналу, а спільна обробка сигналів звукового тиску та швидкості вібрації може сформувати певну просторову спрямованість, яка може перешкоджати звуку дифракції краю зразка. До певного ступеня придушення немає необхідності використовувати звичайну велику решітку для прийому звукового тиску, що зменшує складність вимірювальної системи. У той же час основний вихідний максимальний напрямок комбінованої обробки звукового тиску та швидкості вібрації векторного гідрофону може бути спрямований у заздалегідь визначеному напрямку за допомогою електронної технології обертання, що сприяє ефективному відлущенню прямого звуку та відбитого звуку. Крім того, векторний гідрофон також має такі переваги, як хороша низькочастотна спрямованість і стійкість до ізотропного шуму. Таким чином, порівняно з традиційним гідрофоном звукового тиску, використання векторного гідрофона для перевірки коефіцієнта відбиття звуку від матеріалу має певні переваги. У цій статті представлено широкосмуговий метод вимірювання нормального коефіцієнта акустичного відбиття підводних акустичних матеріалів із великою вибіркою вільного поля. Цей метод використовує єдиний векторний гідрофон як основне обладнання вимірювальної системи, поєднує технологію імпульсної акустичної емісії та технологію постінверсної фільтрації для придушення спотворення форми сигналу, усуває звук дифракції краю зразка та багатопроменевий інтерференційний звук у часовій області, а потім пропускає. Технологія електронного обертання векторного гідрофону реалізує ефективне розділення прямого звуку та відбитого звуку та, нарешті, нормальний коефіцієнт відбиття звуку. зразка отримують шляхом ділення двох.

 

1 Процес вимірювання

Щоб пояснити принцип вимірювання цього методу, пояснюючи процес вимірювання, наведено пов’язану формулу та результати моделювання.

 

1.1 Ідентифікація функції передачі та дизайн зворотного фільтра вимірювальної системи Перед тестуванням зразка спочатку слід отримати передатну функцію вимірювальної системи. На відміну від традиційного гідрофону звукового тиску, векторний гідрофон містить канал звукового тиску та канал швидкості вібрації, тому передаточну функцію кожного вимірювального каналу векторного гідрофону потрібно отримати одночасно. Під час вимірювання ідеальний імпульсний сигнал випромінюється у водне середовище через передавальний перетворювач, потім передається в точку прийому через гідроакустичний канал і, нарешті, приймається векторним гідрофоном і збирається колектором. Таким чином, систему вимірювання можна розділити на три частини, а саме систему передачі сигналу, підводний акустичний канал і систему прийому сигналу. На прикладі каналу звукового тиску модель отриманого сигналу показана на малюнку 1.

На малюнку 1 s(f) – спектр переданого сигналу, T(f), Hp(f) і R(f) – функції передачі системи передачі, гідроакустичного каналу звукового тиску та системи прийому сигналу відповідно, N(f) – спектр фонового шуму, Y(f) – спектр вихідного сигналу вимірювальної системи. Техніка постінверсної фільтрації полягає в розробці інверсного фільтра для компенсації T(f) і R(f), коли відома передатна функція вимірювальної системи. Візьмемо канал звукового тиску як приклад, щоб проілюструвати основний принцип ідентифікації передатної функції вимірювальної системи. Спосіб 1 Розглянемо систему передачі сигналу та систему прийому сигналу в цілому, тобто H(f) = T(f) + R(f). Вхідний сигнал – x(t), вихідний сигнал системи – y(t), фоновий шум – n(t), Y(f) = H(f) X(f) + N(f) (1) де X(f), Y(f) і N(f) – перетворення Фур’є вхідного сигналу системи x(t), вихідного сигналу системи y(t) і фонового шуму n(t), відповідно. Після розрахунку оцінене значення H(f) дорівнює ^H(f) =Gxy(f)Gxx(f) (2) де Gxy(f) – перехресний спектр потужності вхідного сигналу та вихідного сигналу системи, а Gxx(f) – спектр власної потужності вхідного сигналу системи.

 

На додаток до вищезазначених методів ідентифікації вимірювальної системи також можна використовувати методи ідентифікації псевдовипадкової послідовності. Спосіб 2. Припустимо, що вхідний сигнал x(t) вимірювальної системи є псевдовипадковою послідовністю (послідовністю MLS), а вихідним сигналом системи є y(t). Очевидно, y(t) = x(t) * h(t) (3) де , * означає згортку, h(t) є одиничною функцією імпульсної характеристики системи. Обчисліть кореляційну функцію між вхідним сигналом і вихідним сигналом системи, rxy = ∫x(τ) y(τ-t) dτ = h(t) * rxx(t) (4) де rxy — взаємна кореляція між входом і виходом функції системи, rxx — функція автокореляції вхідного сигналу. Оскільки послідовність MLS має кращі характеристики автокореляції, тобто rxx(n) = δ(n)-1L + 1 . де L = 2m-1 — довжина послідовності, а m — порядок псевдовипадкової послідовності. Легко побачити, що оцінене значення функції імпульсної характеристики системного блоку ^h(t) є ^h(t) ≈ rxy (6) Подальше перетворення Фур’є може отримати оцінене значення ^H(f) передавальної функції системи вимірювальної системи. Після отримання ^H (f) спроектуйте інверсний фільтр H-1( f) у частотній області як Hpost( f) =^H( f)| ^H( f) | 2 + q( 7) де , Q є нормальним числом, зазвичай 1% від максимального значення | ^H (f) | 2. Умова моделювання 1 Передавальний перетворювач і гідрофон розміщені в безеховому басейні на однаковій глибині, відстань між ними становить 1 м, а переданий сигнал є послідовністю MLS 16-го порядку. Метод 1 і метод 2 використовуються для ідентифікації системи відповідно. Коефіцієнти 10, 20 і 30 дБ. Оцініть плюси та мінуси результатів ідентифікації передатної функції двох методів при різних співвідношеннях сигнал/шум. Під час моделювання функція одиничної імпульсної характеристики системи моделюється додаванням гаусових імпульсів із центральними частотами 1, 2, 4 та 8 кГц.

 

На рис. 3 наведено результати ідентифікації передатної функції вимірювальної системи за наведених вище умов. З малюнка видно, що два методи ідентифікації системи, описані в цій статті, можуть ефективно отримати передатну функцію вимірювальної системи. Однак метод 1 має певні вимоги до співвідношення сигнал/шум. Коли відношення сигнал/шум перевищує 30 дБ, результат ідентифікації є точним. Результат ідентифікації системи за методом 2 кращий, ніж за методом 1, і високоточні результати ідентифікації можна отримати за умови низького співвідношення сигнал/шум. Це пояснюється тим, що фоновий шум має невелику кореляцію з сигналом збудження джерела звуку, тому цей метод має певну протишумну здатність. Нижче наведено аналіз ефективності методу вимірювання, описаного в цій статті, шляхом моделювання та чисельних розрахунків.

 

1.2 Обробка даних спостережень

1) Отримати дані спостереження. Діаграма принципу вимірювання датчик підводного акустичного перетворювача  показана на малюнку 4. На малюнку ri – прямий звуковий шлях, а відстань від векторного гідрофону до зразка – d, відбитий звуковий шлях – ri + 2d, re = rs + rr – дифрагований звуковий шлях, rq – відбитий звуковий шлях на межі басейну, pi – прямий звук, pr – відбитий звук, pe – дифрагований звук на краю зразка, pq Це a звук багатосторонніх перешкод.

 

Припустимо, що спектр сигналу збудження передавального перетворювача дорівнює s(f), а характеристичний опір середовища ігнорується. Без втрати загальності, вираз частотної області сигналу, отриманого двовимірним векторним гідрофоном, 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) У формулі Rs(f) — коефіцієнт акустичного відбиття зразка, який залежить від частоти звукової хвилі та кута падіння, D(f) — коефіцієнт дифракції краю зразка, Rq(f) — відбиття межі басейну коефіцієнт, τr, τe та τq – це часові затримки відбитого звуку, дифракційного звуку на краю зразка та звуку відбиття на межі басейну та прямого звуку відповідно. θi, θr, θe та θq – прямий звук, відбитий звук, дифракційний звук на краю зразка та звук відбиття на межі басейну, відповідно. Кут падіння звукової хвилі, Hpt(f), Hvxt(f) та Hvxt(f) відповідно представляють передаточну функцію кожного вимірювального каналу вимірювальної системи.

 

2) Компенсація передавальної функції системи вимірювання. Помножте розроблений інверсний фільтр на частотний спектр відповідних даних спостереження каналу, щоб отримати компенсований сигнал. Частотний спектр Ppost(f), Vxpost(f) і Vypost(f) є 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)

 

Умова моделювання 2. Припустимо, що глибина басейну становить 10 м, пусковий перетворювач, векторний гідрофон і глибина води h зразка, що перевіряється, становлять 5 м. Відстань H від передавального перетворювача до зразка становить 15 м, відстань d від векторного гідрофону до зразка становить 10 см, сигнал передачі є імпульсним акустичним сигналом Баттерворта, смуга пропускання сигналу 500-10 кГц, частота дискретизації fs = 131 072 Гц і відношення сигнал/шум 30 дБ. Візьмемо канал звукового тиску як приклад, щоб перевірити ефективність компенсації постінверсного фільтра. При моделюванні зразок для випробувань являє собою алюмінієву пластину товщиною 0,006 м і геометричним розміром 1 м × 1 м. Крайовий коефіцієнт дифракції зразка моделюється за допомогою фільтра низьких частот.

На малюнку 5 показано ефект компенсації постінверсного фільтра каналу звукового тиску. На малюнку показано, що форма хвилі сигналу після компенсації більш регулярна та плавна, що ефективно пригнічує спотворення сигналу, спричинені функцією передачі вимірювальної системи, і допомагає усунути такі перешкоди, як дифракційний звук на краю.

 

3) Усунення звуків перешкод. Обчисліть часову затримку відбитого звуку, звуку дифракції зразка та звуку відбиття меж басейну відповідно до параметрів розгортання вимірювальної системи та виконайте зворотне перетворення Фур’є рівняння (9), щоб отримати сигнал у часовій області, потім додайте вікно для перехоплення корисного сигналу та виконайте перетворення листа Фур’є, ми отримаємо 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)], де Pc(f), Vxc(f) і Vyc(f) відповідно спектр сигналу кожного каналу. Розділіть прямий звук і відбитий звук і отримайте коефіцієнт відбиття звуку зразка. Припустимо, напрямний азимут векторного гідрофону дорівнює ψ, а розрахована загальна швидкість частинок Vc дорівнює Vc( f) = Vxc( f) cos( ψ) + Vyc( f) sin( ψ) (11) Спочатку наведіть напрямний азимут на передавач. Нехай ψ = 0, і виконайте (p + vc) 2 спільну обробку, пропускаючи загальний член s( f), і отримати результат спільної обробки Ii як Ii = [Pc( f) + Vc( f)] 2ψ = 0 = 4 (12) Знову наведіть напрямний азимут на зразок, тобто нехай ψ = π, і виконайте спільну обробку (p + vc) 2, щоб отримати результат спільної обробки Ir = [Pc( f) + Vc( f)] 2ψ = π = 4 ［R2s( f) e－2jωτr］

 

2 Аналіз похибок вимірювання

Умова моделювання 3 Параметри вимірювальної системи залишаються незмінними, переданий сигнал є імпульсним акустичним сигналом Баттерворта, а смуга пропускання сигналу становить 500 ~ 10 кГц. Без урахування дифракційного ефекту краю зразка та впливу відбитого звуку на межі басейну обговорюється співвідношення сигнал/шум. Коли він становить 20, 30 і 40 дБ, результат вимірювання змінюється з частотою. Показано результати вимірювання та криві відносної похибки вимірювання при різних співвідношеннях сигнал/шум. З малюнка видно, що відносна похибка вимірювання зменшується разом із коливанням частоти, а на смугу низьких частот сильно впливає відношення сигнал/шум; крім того, коли відношення сигнал/шум становить 20 дБ, тенденція зміни результату вимірювання така ж, як і теоретичне значення, але результат вимірювання має більшу похибку; низька Велика похибка вимірювання смуги частот пояснюється малим коефіцієнтом акустичного відбиття, а невеликі коливання можуть спричинити великі відносні похибки. У фактичному тесті, окрім відношення сигнал/шум, на результати вимірювань також впливатиме похибка розміщення вимірювальної системи. Наступне моделювання аналізує вплив помилки розміщення вимірювальної системи. Умова моделювання 4 Параметри вимірювальної системи залишаються незмінними, незалежно від перешкод, таких як фоновий шум і дифракція краю зразка. Відстань Н від джерела звуку до зразка становить відповідно 5, 10 і 15 м. Це обговорюється, коли відстань d від векторного гідрофону до зразка становить 10. Результат вимірювання при % похибки. Результати вимірювання наводяться, коли відстань H від перетворювача передавача до зразка різна, а відстань d від векторного гідрофону до зразка має похибку 10%. На малюнку видно, що результат вимірювання не чутливий до похибки відстані між векторним гідрофоном і зразком; H Результати вимірювань майже не збігаються одночасно. Можна побачити, що в фактичному тесті необхідно лише вибрати відповідний Н відповідно до геометричного розміру вимірювального басейну. Умова моделювання 5. Параметри вимірювальної системи залишаються незмінними, незалежно від перешкод від фонового шуму та дифракції краю зразка. Відстань d від векторного гідрофону до зразка становить 5, 10 і 15 см відповідно, а відстань H від передаючого перетворювача до зразка становить 15 м, обговоріть результати вимірювань, коли існує 1% похибка відстані H від перетворювача передавача до зразка. Результати вимірювання наводяться, коли відстань d від векторного гідрофону до зразка різна, а відстань H від передавального перетворювача до зразка має похибку 1%. З малюнка видно, що результат вимірювання та теоретичне значення мають однаковий тренд із частотою, і чим вища частота, тим вища частота. Результат більш точний, і цей метод вимірювання не чутливий до похибки відстані між векторним гідрофоном і зразком.

3 Експериментальні дослідження та обробка даних

 

Блок-схема апаратного забезпечення вимірювальної системи показана на малюнку 11. Система складається з сухого та мокрого кінця. Сухий кінець в основному складається з генератора довільного сигналу, підсилювача потужності, схеми кондиціювання векторного гідрофону та колектора сигналу тощо, які використовуються для генерації, передачі та отримання сигналу. Мокра частина в основному складається з передаючого перетворювача, низькочастотного двовимірного векторного гідрофону та зразка для вимірювання зразка. Вологий кінець поміщається в безеховий басейн з геометричним розміром 25 м × 15 м × 10 м, а центр звуку розташований на глибині 5 м під водою. Басейн глушиться з шести сторін, а нижня межа звукопоглинання становить 2 кГц. Випробуваний зразок — алюмінієва пластина геометричним розміром 1м×1м×0,006м. Перетворювач передавача підвішений на краю автомобіля над басейном, а відстань Н від зразка становить 4,95 м. Зразок закріплюється на підйомно-обертальному пристрої, і зразок можна повертати під кутом під час вимірювання та плавно переміщувати у трьох вимірах. Векторний гідрофон розміщений на передньому кінці зразка, а відстань d від поверхні зразка становить 5,5 см. Передаваний перетворювач є циліндричним джерелом звуку, і на малюнку 12 показано його характеристику напруги передачі.

 

З рис. 12 видно, що передавальний перетворювач має погану здатність до випромінювання нижче 2,5 кГц. Ефективна робоча смуга частот низькочастотного двовимірного векторного гідрофону становить 1 ~ 12 кГц. Під час розгортання векторний канал Vy вказує на зразок для тестування, а Vx вказує на стінку пулу. Спочатку передайте 16-порядкову псевдовипадкову послідовність для ідентифікації та вимірювання.

 

Малюнок 12 Крива відгуку напруги передачі передавального перетворювача

 

Функція передачі системи та дизайн зворотного фільтра. На рисунку 13 показано результати ідентифікації передатної функції вимірювальної системи. На малюнку hp(f), hvx(f) і hvy(f) є виміряними значеннями передатної функції каналу звукового тиску, векторного каналу Vx і каналу Vy вимірювальної системи відповідно; hpinv(f), hvxinv(f) і hvyinv(f) є розробленою зворотною передаточною функцією фільтра відповідно.

На малюнку 13 видно, що результат ідентифікації функції передачі вектора Vx каналу недійсний. Це пояснюється тим, що в наведеній вище ситуації розгортання 'яма' каналу Vx векторного гідрофона звернена до джерела звуку, а сигнал, отриманий цим каналом, є лише пулом. Стіна відбиває звуковий сигнал, тому результат ідентифікації системи є неточним. Зберігайте просторове положення та орієнтацію передавального перетворювача та векторний гідрофонний перетворювач без змін, відкладіть вибірку та передайте імпульсний акустичний сигнал Баттерворта із смугою пропускання від 500 до 12,5 кГц. На малюнку 14 показані вихідні дані та модифіковані форми сигналу, отримані кожним каналом векторного гідрофону. На малюнку 14 видно, що форма сигналу в часовій області після корекції зворотного фільтра стає регулярною, а енергія більш концентрованою. Потім обчисліть часову затримку прямого звуку та звуку дифракції відбитого звуку від краю зразка відповідно до параметрів просторового розміщення вимірювальної системи, додайте вікна для перехоплення корисних даних і обчисліть нормальний коефіцієнт відбиття звуку зразка, як показано на малюнку 15.

На рисунку 15 показані результати вимірювань до і після компенсації. Видно, що результат вимірювання передатної функції нескомпенсованої вимірювальної системи має велику похибку і є майже недійсним. Точність вимірювання значно покращується після обробки після інверсного фільтра. Коли частота перевищує 2,5 кГц, похибка вимірювання після інверсної корекції фільтра мала, а результат вимірювання нижче 2,5 кГц має велику похибку. Причина полягає в тому, що здатність передавального перетворювача на низьких частотах обмежена, а низькочастотні компоненти сигналу занурені у фоновий шум, тому результат вимірювання поганий.

 

4 Висновок

У цій статті пропонується метод вимірювання нормального коефіцієнта акустичного відбиття підводних акустичних матеріалів на основі одного векторного гідрофону. Цей метод буде імпульсним. Поєднання технології імпульсного випромінювання, технології векторної обробки сигналу та технології постінверсного фільтра через технологію постінверсного фільтра для отримання векторного гідрофону.

 

Дані компенсуються, спотворення сигналу, спричинене функцією передачі вимірювальної системи, пригнічується, а краєвий дифракційний звук і багатопроменевість зразка усуваються в часовій області. Перешкоди сигналу покращують точність вимірювання. Принцип вимірювання виведено теоретично, вплив похибки вимірювальної системи досліджено шляхом чисельного розрахунку та моделювання, а також проведено експериментальні дослідження. Чисельні розрахунки та результати моделювання показують, що метод вимірювання, описаний у цій статті, має певні вимоги до співвідношення сигнал/шум; Неточне та нечутливе розгортання системи. Експериментальні результати показують, що метод, описаний у цій статті, може ефективно реалізувати широкомасштабне вимірювання у вільному полі нормального коефіцієнта акустичного відбиття підводних акустичних матеріалів, але через обмеження здатності передавального перетворювача до низькочастотного випромінювання похибка вимірювання низької частоти є відносно великою.