Método de medição de coeficiente de reflexão acústica de materiais acústicos subaquáticos com hidrofone de vetor único

É bpondo estudar as mudanças na forma e posição geométrica da faixa focal acústica do côncavotransdutor ultra-sônico esféricoQuando a intensidade do som é alta e o meio tem uma grande atenuação. A partir da perspectiva da acústica física, os efeitos da não-linearidade e a atenuação da mídia causados ​​pela alta intensidade sonora na faixa focal sonora são analisadas, e o algoritmo de superposição linear de integral é usado para realizar cálculos de simulação numérica. Tanto a análise teórica quanto o cálculo numérico mostram que, com o aumento da intensidade sonora e da atenuação média, a posição geométrica da zona focal acústica tem um avanço de nível de milímetro ao longo do eixo acústico na direção do transdutor; Ao mesmo tempo, a zona focal acústica a forma mudou gradualmente a partir de um elipsoid longo simétrico para um elipsóide curto com uma cabeça de gordura e cauda fina \".

Alta intensidade de som e atenuação média têm uma influência importante na posição e forma da região focal sonora do transdutor esférico côncavo. Consideração total deve ser dada ao posicionamento preciso e controle de dose de equipamentos HIFU, a formulação de padrões de inspeção e até mesmo a aplicação clínica.

Meu país fez notáveis ​​avanços no desenvolvimento e aplicação clínica de ultra-som focado de alta intensidade (equipamentos de ultra-som focados em alta intensidade (HIFU). No entanto, para realmente alcançar o controle de dose de posicionamento e tratamento precisos no equipamento, para que o tratamento clínico possa alcançar o efeito ideal de matar efetivamente a lesão sem danificar os tecidos normais envolventes, ainda há muitas questões teóricas e técnicas que precisam ser estudadas e resolvido em profundidade. Estudos experimentais domésticos e estrangeiros sobre a formação de danos causados ​​pelo HIFU em tecidos biológicos mostraram que, com o aumento da intensidade sólida, a posição da zona focal avança e, gradualmente, altera de um longo elipsoid para uma forma de \"forma \" ou um \"formato de cone\". Embora nos últimos anos, a literatura estrangeira fez algumas explicações qualitativas para o fenômeno acima, resolvendo numericamente a equação de propagação acústica não-linear (equação KZK), mas o procedimento de cálculo é complicado e a relação física no processo de cálculo não é clara. Por esta razão, este artigo leva o transdutor de focagem esférico côncavo como exemplo, e discute o problema estudando a influência da atenuação média e as características de propagação não linear sob alta intensidade sonora na faixa focal sonora.

Em nosso trabalho anterior, com base na integral de difração de Kirchhoff, derivamos a expressão da pressão sonora em qualquer ponto no campo de som de frequência única sob a condição de um campo de som linear com um transdutor de foco esferénico côncavo com radiação uniforme no superfície (também pediu pontos de rayleigh).

A partir da análise da teoria acústica não linear, quando a pressão sólida da onda senoidal de frequência única irradiada da superfície do transdutor para o meio é grande o suficiente, é chamado de \"onda de amplitude finita \", que propaga uma certa distância no meio (chamado a distância descontínua). ), a forma de onda será distorcida em uma onda Sawtooth, que também pode ser considerada uma onda de choque. Além da frequência fundamental da emissão original, o espectro de frequência dessa onda também inclui uma série de harmônicos mais altos. Eles são gradualmente gerados por energia continuamente absorvendo a onda fundamental durante a propagação de ondas sonoras, isto é, os harmônicos teciduais em medicina ultra-som. O coeficiente de amplitude pode ser usado para descrever a propagação de harmônicos de alta ordem com a distância de propagação e a relação de mudanças de energia durante a propagação.

A onda Sawtooth forma uma distância, por isso é uma quantidade infinita refletindo a distância de propagação. Com base nisso, calculamos a curva do coeficiente de amplitude da onda fundamental e os 3 primeiros harmônicos. Quando a onda sonora se propaga no meio, a pressão sonora decai exponencialmente com a distância, que pode ser expressa em um formulário. Para tecidos suaves em geral, o coeficiente de atenuação é aproximadamente proporcional à frequência. A fim de simplificar o cálculo, este artigo expressa o coeficiente de atenuação de cada componente harmônico como onde α é o sistema de atenuação de som da onda de som de freqüência fundamental em tecidos biológicos por distância.

Deve incluir a absorção sonora e dispersão do tecido. Depois de considerar os dois fatores acima (não linearidade e atenuação), a expressão da pressão sonora no campo de som focado pode ser estendida para o seguinte formulário: é o número de onda de cada harmônico. Esta fórmula é o que chamamos de algoritmo de superposição linear de Rayleigh Integral.

Resultado:

1 A influência da atenuação média na faixa focal sonora. Os parâmetros do transdutor esférico côncavo utilizado neste artigo são: raio de curvatura R = 15 cm, raio de abertura A = 42 cm, freqüência de trabalho F = 1,7 MHz. Assumindo que o meio é tecido mole geral, o seu coeficiente de atenuação α está na faixa de ensopado de 01-30dB (cm · mz). A velocidade do som, a densidade e outros parâmetros do meio são tomadas de acordo com a literatura relevante. A fim de estudar o coeficiente de atenuação como um único fator de influência, apenas uma única frequência, nomeadamente a frequência fundamental, precisa ser calculada e analisada para a lei de mudança do domínio de foco sólido com diferentes valores α. Por esta razão, na fórmula, uma série de cálculos numéricos foi realizada tomando m = 1. Os resultados mostram que, com o aumento da atenuação, ou seja, quando α = 0,3, 13 e 23db guisado (cm · MHz), a forma da região focal acústica -6DB gradualmente muda de um longo elipsoídeo para um elipsoid curto e longo eixo curto1 e curto.

2. Eles são 111, 104 e 92, respectivamente. A posição da zona focal (posição no eixo acústico), os dois últimos são, respectivamente, 30 mm e 65mm à frente do primeiro ao longo do eixo acústico do transdutor. Ao mesmo tempo, a cabeça da zona focal (o fim próximo do transdutor) é mais \"gordo\" do que a cauda (o fim longe do transdutor).

2 O efeito da não linearidade causada pela alta intensidade sonora na faixa de foco sólido é a mesma, a pressão sonora de radiação superficial é considerada como um único fator, e seus valores são respectivamente 44, 73, 4 MPa, Andα = 3DB Stew ( cm · MHz). Considerando que a atenuação do meio aumenta rapidamente com o aumento da frequência harmônica, o número de harmônicos não precisa ser demais. Os resultados do cálculo mostram que: como a pressão sonora de radiação superficial aumenta, a posição e a forma da mudança da zona focal ao contrário de quando o coeficiente de atenuação muda é tão grande, mas sua lei muda é semelhante. Isto é, as posições das duas últimas áreas focais são movidas por 16 mm e 21mm, respectivamente; A proporção do eixo longo e curto da área focal 6dB é de 119, 116 e 113, respectivamente, e a cabeça da área focal também tem uma tendência a se tornar \"gordura \".

3 O efeito combinado da atenuação e não-linearidade na faixa focal sonora.

Os dois fatores acima são simultaneamente incorporados em fórmula (3) para cálculo. A Figura 3 (a) e a Figura 3 (B) mostram respectivamente que α = 3DB guisado (cm · MHz), p '0 = 44mpa e α = 2.3db guisado (cm · MHz), p'0 = 44mpa

Ao considerar a atenuação e os efeitos não lineares ao mesmo tempo, o contorno da linha de pressão ISO-Sound na zona focal é o resultado do cálculo na figura. Em comparação com os dois, a posição da zona focal avançou por 8,4 mm, e a proporção dos eixos principais e menores da zona focal mudou de 11,9 para 8,5. Isso mostra que a tendência de mudança da zona focal causada pelo coeficiente de atenuação e não linearidade é a mesma, para que o efeito geral seja fortalecido.

para concluir

A análise teórica e o cálculo resulta neste artigo mostram que: alta intensidade sonora e atenuação média têm uma influência importante na forma e posição da zona focal sonora; Quanto maior o coeficiente de atenuação do meio, maior a intensidade sólida (isto é, mais forte a não-linearidade), e o som foco mais perto do campo é para o transdutor; A proporção dos eixos longos e curtos do campo focal também se torna menor, isto é, sua forma gradualmente muda de um longo elipsoídeo para um elipsoid curto, e a cabeça da área de foco sólido torna-se \"gordo\" do que a cauda. Fenômeno, a forma tende a ser \"cenoura \". As conclusões acima fornecem uma base para analisar quantitativamente a lei de mudança da área de foco sólido do campo de som HIFU, e estudar mais a relação entre a área de foco sólido e a área de dano.

Método de medição de amostra grande de coeficiente de reflexão acústica deMateriais acústicos subaquáticoscom hidrofone de vetor único

A fim de realizar a medição de banda larga de campo livre do coeficiente de reflexão acústica normal de materiais acústicos subaquáticos, um hidrofone de vetor único é usado como o equipamento principal do sistema de medição, combinado com tecnologia de emissão acústica de pulso e tecnologia de processamento de sinal de filtro pós-inversa , um hidrofone de vetor único baseado em hidrofone de vetor único é proposto. O método de medição de banda larga de campo livre do coeficiente de reflexão acústica normal do material acústico subaquático do material acústico subaquático, através da tecnologia de rotação eletrônica de hidrofone de vetor para realizar a separação efetiva do som direto e o som refletido. A influência do erro do sistema de medição e da relação sinal-ruído do sinal recebido no resultado da medição é discutida. Este método tem certos requisitos para a relação sinal-ruído, mas não é sensível ao erro do sistema de medição. Os resultados do teste experimental mostram que: comparado com os resultados experimentais de teste sem processamento de filtragem pós-inversa, o método descrito no artigo melhora significativamente o desempenho de medição, mas limitado pela capacidade de emissão de baixa frequência do transdutor de transmissão, os resultados experimentais são Acima de 2,5 kHz e os valores teóricos estão em boa concordância.

O coeficiente de reflexão acústica é um parâmetro importante que caracteriza o desempenho acústico de materiais acústicos subaquáticos. Atualmente, os métodos de medição do coeficiente de reflexão acústica de materiais acústicos subaquáticos podem ser divididos aproximadamente no método de tubo acústico de laboratório de amostras e no grande método de medição de campo livre de amostras. A grande amostra de medição de campo livre é geralmente realizada em uma grande piscina anecóica. Ao estabelecer materiais de silenciamento sobre o limite do pool para absorver o som refletido da fronteira da piscina, o sinal recebido pelo hidrofone é apenas o som direto e o som refletido da amostra. No entanto, devido à limitação do limite inferior do pool anecóico, o efeito multipath de baixa frequência é óbvio; Além disso, o método de medição de campo livre é principalmente interferido pelo efeito de difração de borda da amostra, e essa interferência é particularmente grave na faixa de baixa frequência. Para resolver os problemas acima, a tecnologia de teste de som de impulso é amplamente utilizada na medição de parâmetros acústicos de materiais acústicos subaquáticos. É sua chave tecnologia transmitir sinais acústicos pulsados ​​com formas de onda controláveis ​​e sem distorção. No entanto, a função de transferência do transdutor de transmissão limita a menor frequência de tecnologia de teste de som de impulso em espaço de medição limitado. Por esta razão, vários métodos de compensação foram propostos, como o método de superposição de pulso de banda larga proposto por Li Shui et al. Este método usa tecnologia de filtragem inversa para pré-processar o sinal de excitação do transdutor de transmissão para compensar a função de transmissão do transdutor de transmissão, de modo que o sinal irradiado pelo transdutor de transmissão seja um pulso afiado ideal, que efetivamente reduz a frequência de limite inferior da medição. .

Diferente do método acima, a tecnologia de filtragem \"pós-inversa \" processa o sinal na extremidade receptora do hidrofone para atingir a finalidade de compensar a resposta de frequência do transdutor de transmissão. A \"Tecnologia de filtro pós-inversa \" é adotada no tubo acústico para obter a medição de banda larga do coeficiente de absorção sonora deMateriais acústicos subaquáticos. Este método obtém a função de transferência do sistema de medição e, em seguida, compensa o sinal de observação e, finalmente, obtém o coeficiente de reflexão acústica da amostra, dividindo o espectro de amplitude de sinal de observação compensado com o espectro de amplitude de sinal de reflexão de amostra padrão, e mais calcula a absorção Coeficiente de som. Nos últimos anos, os sensores vetoriais foram aplicados com sucesso à medição de parâmetros acústicos de materiais aeroacústicos, como método de impedância de superfície e método de intensidade de som. O hidrofone de vetor pode pegar as informações de campo de som síncronamente e no mesmo ponto, que expande o espaço de processamento pós-sinal, e o processamento conjunto de sinais de pressão sonora e velocidade de vibração pode formar uma determinada diretividade espacial, que pode interferir com a difração som da borda da amostra. A um certo grau de supressão, é desnecessário usar uma disposição de som grande convencional que recebe array, que reduz a complexidade do sistema de medição. Ao mesmo tempo, a principal direção máxima máxima do processamento combinado da pressão sonora e a velocidade de vibração do hidrofone de vetor pode ser direcionada a uma direção predeterminada através da tecnologia de rotação eletrônica, o que facilita a peeling efetiva de som direto e som refletido. Além disso, o hidrofone de vetor também tem as vantagens da boa diretividade de baixa frequência e resistência ao ruído isotrópico. Portanto, comparado com a tradicional hidrofone de pressão sonora, usando um hidrofone de vetor para testar o coeficiente de reflexão de som de um material tem certas vantagens. Este artigo apresenta um método de medição de banda larga para o coeficiente de reflexão acústica normal de materiais acústicos subaquáticos com uma grande amostra de campo livre. Este método usa um hidrofone de vetor único como o equipamento principal do sistema de medição, combina tecnologia de emissão acústica pulsada e tecnologia de filtragem pós-inversa para suprimir a distorção de forma de onda de sinal, elimina o som de difração de borda de amostra e som de interferência multi-caminho no domínio do tempo, e Em seguida, passa a tecnologia de rotação eletrônica do vector hidrofone percebe a separação efetiva do som direto e o som refletido, e finalmente o coeficiente de reflexão sólida normal da amostra é obtido dividindo os dois.

1 processo de medição

Para explicar o princípio da medição desse método, explicando o processo de medição, os resultados de derivação de fórmula e simulação relacionados são fornecidos.

1.1 A identificação da função de transferência e design de filtro inverso do sistema de medição antes de testar a amostra, a função de transferência do sistema de medição deve ser obtida primeiro. Diferente da hidrofone de pressão sonora tradicional, o hidrofone de vetor inclui um canal de pressão sonora e um canal de velocidade de vibração, portanto, a função de transferência de cada canal de medição do hidrofone de vetor precisa ser obtida ao mesmo tempo. Durante a medição, o sinal de pulso ideal é irradiado no meio de água através do transdutor de transmissão e, em seguida, transmitido ao ponto de recepção através do canal hidroacústico, e finalmente recebido pelo hidrofone de vetor e coletado pelo coletor. Portanto, o sistema de medição pode ser dividido em três partes, nomeadamente o sistema de transmissão de sinal, o canal acústico subaquático e o sistema de recebimento de sinal. Tirando o canal de pressão sonora como exemplo, o modelo de sinal recebido é mostrado na Figura 1.

Na Figura 1, S (f) é o espectro de sinal transmitido, T (f), HP (F) e R (F) são as funções de transferência do sistema de transmissão, canal hidroacústico de pressão sonora e sistema de recepção de sinal, respectivamente, e (f) O espectro de ruído de fundo, Y (f) é o espectro do sinal de saída do sistema de medição. A técnica de filtragem pós-inversa é projetar um filtro inverso para compensar T (f) e R (f) quando a função de transferência do sistema de medição é conhecida. Faça o canal de pressão sonora como exemplo para ilustrar o princípio básico da identificação da função de transferência do sistema de medição. Método 1 Considere o sistema de transmissão de sinal e o sistema de recebimento de sinal como um todo, isto é, h (f) = t (f) + r (f). O sinal de entrada é X (t), o sinal de saída do sistema é y (t), o ruído de fundo é n (t), y (f) = h (f) x (f) (f) (1) onde , X (f), y (f) e n (f) são a transformação de Fourier do sinal de entrada do sistema x (t), o sinal de saída do sistema y (t) e o ruído de fundo n (t), respectivamente. Após o cálculo, o valor estimado de H (f) é ^ h (f) = GXY (F) GXX (F) (2) onde GXY (F) é o espectro de energia cruzada do sinal de entrada e sinal de saída do sistema e gxx (f) é o espectro de auto-energia do sinal de entrada do sistema.

Além dos métodos de identificação do sistema de medição acima mencionado, as técnicas de identificação de seqüência pseudo-aleatória também podem ser usadas. Método 2 Suponha que o sinal de entrada X (T) do sistema de medição seja uma sequência pseudo-aleatória (sequência MLS) e o sinal de saída do sistema é Y (T). Obviamente, y (t) = x (t) * h (t) (3) onde, * significa convolução, h (t) é a função de resposta da unidade de impulso do sistema. Calcule a função de correlação entre o sinal de entrada e o sinal de saída do sistema, RXY = ∫X (τ) y (τ-t) dτ = h (t) * rxx (t) (4) onde RXY é a correlação cruzada Entre a entrada e saída da função do sistema, o RXX é a função de autocorrelação do sinal de entrada. Como a seqüência MLS tem melhores características de autocorrelação, isto é, RXX (n) = Δ (n) -1l + 1. Onde l = 2m-1 é o comprimento da sequência, e m é a ordem da sequência pseudo-aleatória. É fácil ver que o valor estimado da função de resposta do impulso da unidade do sistema ^ h (t) é ^ h (t) ≈ RXY (6) A transformação de Fourier pode obter o valor estimado ^ h (f) da função de transferência do sistema do sistema de medição. Depois de obter ^ h (F), desenho o filtro inverso H-1 (F) no domínio de frequência como HPOST (f) = ^ h (f) | ^ H (f) | 2 + Q (7) Onde, Q é um número normal, geralmente 1% do valor máximo de | ^ H (f) | 2. Condição de simulação 1 O transdutor de transmissão e o hidrofone são colocados em um pool anecóico a uma profundidade igual, a distância entre os dois é de 1 m, e o sinal transmitido é uma sequência MLS de 16 pedidos. O método 1 e o método 2 são usados ​​para identificar o sistema, respectivamente. As proporções são 10, 20 e 30 dB. Avalie os prós e contras dos resultados de identificação de função de transferência dos dois métodos em diferentes índices sinal-ruídos. Na simulação, a função de resposta da unidade de impulso do sistema é simulada adicionando pulsos gaussianos com frequências centrais de 1, 2, 4 e 8 kHz.

A Figura 3 mostra os resultados de identificação da função de transferência do sistema de medição sob as condições acima. Pode ser visto a partir do valor que os dois métodos de identificação do sistema descritos neste artigo podem efetivamente obter a função de transferência do sistema de medição. No entanto, o método 1 tem certos requisitos na relação sinal-ruído. Quando a relação sinal-ruído é maior que 30 dB, o resultado de identificação é preciso. O resultado da identificação do sistema do método 2 é melhor que o do método 1, e os resultados de identificação de alta precisão ainda podem ser obtidos sob a condição de baixa a relação sinal-ruído. Isso ocorre porque o ruído de fundo tem uma pequena correlação com o sinal de excitação da fonte de som, então esse método tem uma certa habilidade anti-ruído. A seguir, uma análise da eficácia do método de medição descrito neste artigo através de simulação e cálculo numérico.

1.2 Processamento de dados de observação

1) Obter dados de observação. O diagrama de princípio de medição desensor de transdutor acústico subaquático é mostrado na figura 4. Na figura, o RI é o caminho de som direto, e a distância do hidrofone de vetor para a amostra é D, o caminho de som refletido é RI + 2D, RR = RS + O caminho de som difratado, RQ é o caminho de som refletido na fronteira da piscina, PI é o som direto, PR é o som refletido, PE é o som difracted na borda da amostra, PQ é um som de interferência multi-way.

Suponha que o espectro do sinal de excitação do transdutor de transmissão seja S (f), e a impedância característica do meio é ignorada. Sem perda de generalidade, a expressão de domínio de freqüência do sinal recebido pelo hidrofone vetor bidimensional é p (f) = s (f) · 1 + RS (f) E-JΩτr + D (F) E-Jωτe + RQ (F) 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) · pecado (θi) + rs (f) e-jωτrsin (θR) + d (f) e-jωτesin (θE) + rq (f ) e-jωτqsin (θq) hvyt (f) (8) na fórmula, RS (f) é o coeficiente de reflexão acústica da amostra que depende da freqüência de onda sonora e ângulo de incidente, D (F) é o coeficiente de difracção de borda de amostra, RQ (F) é o coeficiente de reflexão de fronteiras da piscina, τr, τe e τq são os atrasos de tempo de som refletido, som de difração de borda de amostra e som de reflexão de fronteira de bilhar e som direto, respectivamente. θi, θR, θR e θq são som direto, som refletido, som de difracção de borda de amostra e som de reflexão de fronteira de borda, respectivamente o ângulo de incidente da onda sonora, HPT (F), HVXT (F), representativamente Função de transferência de cada canal de medição do sistema de medição.

2) A compensação da função de transferência do sistema de medição. Multiplique o filtro inverso projetado com o espectro de freqüência dos dados de observação do canal correspondente para obter o sinal compensado. O espectro de frequência PPOST (F), VXpost (F) e VyPost (F) são PPOST (F) · 1 + RS (F) E-JΩτr + D (F) E-Jωτe + RQ (F) E-JΩτq Vpost (F) ≈ S (F) · COS (θi) + RS (F) E-JωτRCOS (θR) + D (f) e-jωτecos (θE) + rq (f) e-jωτqcos (θq) vypost (f) ≈ s (f) · pecado (θi) + rs (f) e-jωτrsin (θR) + d (f) E-Jωτesin (θE) + RQ (F) E-JΩτqsin (θq)

Condição de simulação 2 Suponha que a profundidade da piscina seja de 10 m, o transdutor de lançamento, o hidrofone de vetor e a profundidade da água H da amostra a ser testada são 5 m. A distância H do transdutor de transmissão para a amostra é de 15 m, a distância D do vetor de hidrofone para a amostra é de 10 cm, o sinal de transmissão é um sinal acústico de pulso de butterworth, a largura de banda de sinal é de 500-10 kHz, e a amostragem Frequência FS = 131 072 Hz e uma relação sinal-ruído de 30 dB. Faça o canal de pressão sonora como exemplo para verificar a eficácia da compensação do filtro pós-inversa. Na simulação, a amostra a ser testada é uma placa de alumínio com uma espessura de 0,006 m e um tamanho geométrico de 1 m × 1 m. O coeficiente de difração de borda da amostra é simulado com um filtro de baixa passagem.

A Figura 5 mostra o efeito de compensação do filtro pós-inverso do canal de pressão sonora. A figura mostra que a forma de onda de sinal após a compensação é mais regular e suave, que efetivamente suprime a distorção do sinal causada pela função de transferência do sistema de medição e ajuda a eliminar a interferência, como som de difracção de borda.

3) Eliminar sons de interferência. Calcule o atraso de tempo de som refletido, som de difracção de amostra e som de reflexão de fronteira do pool de acordo com os parâmetros de implantação do sistema de medição e execute a transformação inversa de Fourier da equação (9) para obter o sinal de domínio de tempo, então adicione uma janela para interceptar o Sinal, e execute a transformação de folha de Fourier, obtemos 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)] onde o PC (f), o VXC (F) e o VYC (F) são respectivamente o espectro de sinal de cada canal. Separe o som direto e o som refletido e obtenha o coeficiente de reflexão do som da amostra. Suponha que o azimute orientador do vetor Hydrophone seja ψ, e a Velocidade de Partícula Composta Calculada VC é VC (F) = VXC (F) COS (ψ) + VYC (F) (ψ) (11) Primeiro, aponte o azimute orientador para o Transmissor Deixe ψ = 0 e execute (P + vc) 2 processamento de articulação, omitindo o termo comum S (F) e obtenha a saída de processamento de junta II como II = [PC) + VC (F)] 2ψ = 0 = 4 (12) Aponte o azimute orientador para a amostra novamente, ou seja, deixe ψ = π e executar o processamento conjunto de (P + VC) 2 para obter a saída de processamento de articulação IR = [PC (F) + VC (F) + VC (F) f)] 2ψ = π = 4 [R2S (F) E-2Jωτr]

2 Análise de erro de medição

Condição de simulação 3 Os parâmetros do sistema de medição permanecem inalterados, o sinal transmitido é um sinal acústico pulsado butterworth, e a largura de banda de sinal é de 500 ~ 10 kHz. Sem considerar o efeito de difração da borda da amostra e a influência do som da reflexão no limite da piscina, a relação sinal-ruído é discutida. Quando é 20, 30 e 40 dB, o resultado da medição muda com frequência. Os resultados de mensuração e as curvas relativas de erro de medição sob diferentes razões de sinal para ruído são mostradas. Pode ser visto a partir do valor que o erro relativo de medição atenua com a oscilação de frequência e a faixa de baixa frequência é grandemente afetada pela relação sinal-ruído; Além disso, quando a relação sinal-ruído é de 20 dB, a tendência de alteração do resultado da medição é a mesma que o valor teórico, mas o resultado da medição tem um erro maior; Baixo O erro de medição de banda de grande frequência é porque o coeficiente de reflexão acústica é pequeno e pequenas flutuações podem causar grandes erros relativos. No teste real, além da relação sinal-ruído, o erro de colocação do sistema de medição também terá um impacto nos resultados da medição. A seguinte simulação analisa o impacto do erro de colocação do sistema de medição. Condição de simulação 4 Os parâmetros do sistema de medição permanecem inalterados, independentemente da interferência, como o ruído de fundo e a difração da borda da amostra. A distância h da fonte de som para a amostra é de 5, 10 e 15 m, respectivamente. É discutido quando a distância d do hidrofone de vetor para a amostra é 10 o resultado da medição em% de erro. Os resultados de medição são dados quando a distância H do transdutor do transmissor para a amostra é diferente, e a distância D do hidrofone de vetor para a amostra tem um erro de 10%. A figura mostra que o resultado da medição não é sensível ao erro da distância entre o hidrofone de vetor e a amostra; H Os resultados da medição não são quase coincidentes ao mesmo tempo. Pode ser visto que no teste real, é necessário apenas selecionar o H apropriado de acordo com o tamanho geométrico do pool de medição. Condição de simulação 5 Os parâmetros do sistema de medição permanecem inalterados, independentemente da interferência do ruído de fundo e da difração da borda da amostra. A distância D do vetor de hidrofone para a amostra é de 5, 10 e 15 cm, respectivamente, e a distância h do transdutor de transmissão para a amostra é de 15 m, discuta os resultados da medição quando há um erro de 1% à distância H do transdutor do transmissor para a amostra. Os resultados de medição são dados quando a distância D do vetor de hidrofone para a amostra é diferente, e a distância H do transdutor de transmissão para a amostra tem um erro de 1%. A partir da figura, pode-se ver que o resultado da medição e o valor teórico têm a mesma tendência com frequência, e maior a frequência, maior a frequência. O resultado é mais preciso, e este método de medição não é sensível ao erro da distância entre o hidrofone de vetor e a amostra.

3 Pesquisa experimental e processamento de dados

O diagrama de blocos de composição de hardware do sistema de medição é mostrado na Figura 11. O sistema consiste em uma extremidade seca e uma extremidade molhada. A extremidade seca é composta principalmente de gerador de sinal arbitrário, amplificador de potência, circuito de condicionamento de hidrofone de vetor e coletor de sinal, etc., que são usados ​​para geração de sinal, transmissão e aquisição. A extremidade molhada é composta principalmente por um transdutor de transmissão, um hidrofone bidimensional de baixa frequência e uma amostra para medir a amostra. A extremidade molhada é colocada em uma piscina anecóica com um tamanho geométrico de 25 m × 15 m × 10 m, e o centro de som está localizado 5 m debaixo d'água. A piscina é abafada nos seis lados, e o limite inferior da absorção sonora é de 2 kHz. A amostra a ser testada é uma placa de alumínio com um tamanho geométrico de 1M × 1m × 0,006 m. O transdutor do transmissor é suspenso na borda do veículo acima da piscina, e a distância h da amostra é de 4,95 m. A amostra é fixada no dispositivo de elevação e rotação, e a amostra pode ser girada em um ângulo durante a medição e movida suavemente em três dimensões. O hidrofone de vetor é colocado na extremidade frontal da amostra, e a distância d da superfície da amostra é de 5,5 cm. O transdutor de transmissão é uma fonte de som cilíndrica, e a Figura 12 mostra sua curva de resposta de tensão de transmissão.

Pode ser visto da Fig. 12 que o transdutor de transmissão tem uma má capacidade de radiação abaixo de 2,5 kHz. A faixa eficaz de freqüência de trabalho do hidrofone bidimensional de baixa frequência é 1 ~ 12 kHz. Durante a implantação, o Vector Vy Channel aponta para a amostra a ser testada e os pontos VX para a parede do pool. Primeiro transmita a sequência pseudo-aleatória de 16 encomendas para identificar e medir.

Figura 12 Transmissão da curva de resposta da tensão do transdutor de transmissão

Função de transferência do sistema e filtro inverso do projeto. A Figura 13 mostra os resultados de identificação de função de transferência do sistema de medição. Na figura, HP (F), HVX (F) e HVY (f) são os valores medidos da função de transferência do canal de pressão sonora, canal vx vx e canal vy do sistema de medição, respectivamente; hpinv (f), hvxinv (f) e hvyinv (f) são a função de transferência de filtro inverso projetado, respectivamente.

Pode ser visto na Figura 13 que o resultado Vector VX Channel Transfer Function Identificação é inválido. Isso ocorre porque na situação de implantação acima, o \"poço \" do canal VIH Hydrophone VX está enfrentando a fonte de som, e o sinal recebido por este canal é apenas o pool. A parede reflete o sinal acústico, para que o resultado de identificação do sistema seja impreciso. Manter a posição espacial e a orientação do transdutor de transmissão e doTransdutor de hidrofone de vetorInalterado, abaixar a amostra e transmitir o sinal acústico pulsado Butterworth com uma largura de banda de 500 a 12,5 kHz. A Figura 14 mostra os dados originais e as formas de onda de sinal modificadas recebidas por cada canal do hidrofone de vetor. Pode ser visto da Figura 14 que a forma de onda de domínio do tempo do sinal após a correção do filtro inverso se torna regular e a energia é mais concentrada. Em seguida, calcule o atraso de tempo do som direto e o som de difracção de som refletido da borda de amostra de acordo com os parâmetros de layout espacial do sistema de medição e adicione janelas para interceptar os dados úteis e calcular o coeficiente de reflexão de som normal da amostra como mostrado na Figura 15.

A Figura 15 mostra os resultados da medição antes e após a compensação. Pode-se ver que o resultado da medição da função de transferência do sistema de medição não compensado tem um erro grande e é quase inválido. A precisão da medição é muito melhorada após o processamento pós-inverso do filtro. Quando a frequência é maior que 2.5KHz, o erro de medição após a correção de filtro pós-inversa é pequeno, e o resultado da medição abaixo de 2.5kHz tem um erro grande. A razão é que a capacidade de transmissão de baixa frequência do transdutor de transmissão é limitada, e os componentes de baixa frequência do sinal são submersos no ruído de fundo, portanto, o resultado da medição é ruim.

4. Conclusão

Este artigo propõe um método para medir o coeficiente de reflexão acústica normal de materiais acústicos subaquáticos baseados em um único hidrofone de vetor. Este método irá pulsar.A combinação de tecnologia de emissão de impulso, tecnologia de processamento de sinal de vetor e tecnologia de filtro pós-inversa, através da tecnologia de filtro pós-inversa para receber o hidrofone de vetor.

Os dados são compensados, a distorção do sinal causada pela função de transferência do sistema de medição é suprimida e o som da difração de borda e o multipath da amostra são eliminados no domínio do tempo. A interferência do ideal melhora a precisão da medição. O princípio da medição é deduzido teoricamente, a influência do erro do sistema de medição é estudada por meio de cálculo e simulação numérica, e a pesquisa experimental é realizada. Os resultados numéricos de cálculo e simulação mostram que o método de medição descrito neste artigo possui certos requisitos para a relação sinal-ruído; Implantação de sistema imprecisa e insensível. Os resultados experimentais mostram que o método descrito neste artigo pode efetivamente realizar a medição de grande escala de campo livre do coeficiente de reflexão acústica normal de materiais acústicos subaquáticos, mas devido à limitação da capacidade de radiação de baixa frequência do transdutor de transmissão, O erro de medição de baixa frequência é relativamente grande.