Messmethode des akustischen Reflexionskoeffizienten von Unterwasser akustischen Materialien mit Einzelvektorhydrophon

Es ist biefend, die Veränderungen in der Form und der geometrischen Position des akustischen Fokusbereichs des Konkaven zu untersuchensphärische UltraschallwandlerWenn die Schallintensität hoch ist und das Medium eine große Abschwächung hat. Aus der Sicht der physischen Akustik werden die Auswirkungen der Nichtlinearität und Medienminderung, die durch eine hohe Schallintensität auf den Schall -Schwerpunkt -Bereich verursacht werden, analysiert, und der lineare Überlagerungsalgorithmus des Integrals wird zur Durchführung numerischer Simulationsberechnungen verwendet. Sowohl die theoretische Analyse als auch die numerische Berechnung zeigen, dass die geometrische Position der akustischen Fokuszone mit zunehmender Schallintensität und mittlerer Dämpfung entlang der akustischen Achse in Richtung des Wandlers einen Vormarsch auf Millimeterebene aufweist. Gleichzeitig änderte sich die akustische Fokuszone.

Hohe Schallintensität und mittlere Dämpfung haben einen wichtigen Einfluss auf die Position und Form des Schallfokusbereichs des konkaven sphärischen Wandlers. Die genaue Positionierung und Dosiskontrolle der HIFU -Geräte, die Formulierung von Inspektionsstandards und sogar die klinische Anwendung sollten vollständig berücksichtigt werden.

Mein Land hat bemerkenswerte Durchbrüche in der Entwicklung und der klinischen Anwendung von hochintensiven Ultraschall (hochintensiven Ultraschallgeräten (HIFU)) erzielt. Um jedoch eine genaue Positionierung und Behandlungsdosiskontrolle für die Geräte zu erreichen, damit die klinische Behandlung den idealen Effekt erzielen kann, die Läsion effektiv abzutöten, ohne die umgebenden normalen Gewebe zu beschädigen, gibt es immer noch viele theoretische und technische Probleme, die untersucht und untersucht werden müssen und müssen ausführlich gelöst. Inländische und fremde experimentelle Studien zur Bildung von Schäden von HIFU in biologischen Geweben haben gezeigt, dass mit zunehmender Schallintensität die Position der Fokuszone vorwärts bewegt und sich allmählich von einem langen Ellipsoid zu einer \"Kaulquappenform \" oder einem \"Kaulquappenform ändert \"Kegelform \". Obwohl in den letzten Jahren die ausländische Literatur einige qualitative Erklärungen für das obige Phänomen gemacht hat, indem die nichtlineare akustische Wellenausbreitungsgleichung (KZK -Gleichung) numerisch gelöst wird, ist das Berechnungsverfahren jedoch kompliziert und die physikalische Beziehung im Berechnungsprozess ist unklar. Aus diesem Grund nimmt dieses Papier den konkaven sphärischen Fokussierungswandler als Beispiel auf und diskutiert das Problem, indem er den Einfluss der mittleren Dämpfung und die nichtlinearen Ausbreitungsmerkmale unter hoher Tonintensität auf den Schall -Schwerpunktbereich untersucht.

In unseren früheren Arbeiten haben wir basierend auf dem Kirchhoff-Beugungsintegral den Ausdruck des Schalldrucks an jedem Punkt im Einzelfrequenzschallfeld unter dem Zustand eines linearen Schallfelds mit einem konkaven kugelförmigen Fokussierungswandler mit gleichmäßiger Strahlung auf dem abgeleitet Oberfläche (auch Rayleigh -Punkte gefordert).

Aus der Analyse der nichtlinearen Akustiktheorie, wenn der Schalldruck der Einzelfrequenz-Sinuswelle von der Oberfläche des Wandlers in das Medium ausstrahlt, wird sie als \"Finite-Amplitudenwelle\" bezeichnet, was eine bestimmte Entfernung ausbreitet im Medium (als diskontinuierliche Entfernung bezeichnet). ), die Wellenform wird in eine Sägezahnwelle verzerrt, die auch als Stoßwelle angesehen werden kann. Zusätzlich zur Grundfrequenz der ursprünglichen Emission umfasst das Frequenzspektrum dieser Welle auch eine Reihe höherer Harmonischer. Sie werden allmählich erzeugt, indem Energie während der Ausbreitung von Schallwellen kontinuierlich von der grundlegenden Welle absorbiert, dh die Gewebeharmonischen in der Ultraschallmedizin. Der Amplitudenkoeffizient kann verwendet werden, um die Ausbreitung von Harmonischen hoher Ordnung mit dem Ausbreitungsabstand und der Beziehung von Energieveränderungen während der Ausbreitung zu beschreiben.

Die Sägezahnwelle bildet einen Abstand, daher ist es eine dimensionslose Menge, die den Ausbreitungsabstand widerspiegelt. Basierend darauf haben wir die Amplitudenkoeffizientenkurve der Grundwelle und die ersten 3 Harmonischen berechnet. Wenn sich die Schallwelle im Medium ausbreitet, zerfällt der Schalldruck exponentiell mit dem Abstand, der in einer Form ausgedrückt werden kann. Für allgemeine Weichteile ist der Dämpfungskoeffizient T M ungefähr proportional zur Frequenz. Um die Berechnung zu vereinfachen, drückt dieser Artikel den Abschwächungskoeffizienten jeder harmonischen Komponente als wobei α das Schallabschwächungssystem der Grundfrequenzschallwelle in biologischen Geweben pro Entfernung der Einheit ist.

Es sollte die Schallabsorption und Streuung des Gewebes enthalten. Nachdem die oben genannten zwei Faktoren (Nichtlinearität und Dämpfung) berücksichtigt werden, kann der Ausdruck des Schalldrucks im fokussierten Schallfeld auf die folgende Form erweitert werden: Ist die Wellenzahl jeder Harmonischen. Diese Formel nennen wir den linearen Überlagerungsalgorithmus von Rayleigh Integral.

Ergebnis:

1 Der Einfluss der mittleren Abschwächung auf den Schall -Schwerpunktbereich. Die Parameter der in diesem Artikel verwendeten Parameter des konkaven sphärischen Wandlers sind: Krümmungsradius r = 15 cm, Radius der Apertur a = 42 cm, Arbeitsfrequenz F = 1,7 MHz. Unter der Annahme, dass das Medium ein allgemeines Weichgewebe ist, liegt sein Dämpfungskoeffizient α im Bereich von 01-30 dB Eintopf (cm · mz). Die Schallgeschwindigkeit, die Dichte und andere Parameter des Mediums werden gemäß der entsprechenden Literatur genommen. Um den Dämpfungskoeffizienten als einzelne Einflussfaktor zu untersuchen, muss nur eine einzelne Häufigkeit, nämlich die grundlegende Häufigkeit, berechnet und für das Änderungsgesetz der Klangfokusdomäne mit unterschiedlichen α -Werten analysiert werden. Aus diesem Grund wurde in der Formel eine Reihe numerischer Berechnungen durch Einnahme von M = 1 durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmender Dämpfung, dh wenn α = 0,3, 13 und 23 dB Eintopf (cm · mhz), die Form der akustischen Fokusregion -6 dB allmählich von einem langen Ellipsoid zu einem kurzen Ellipsoid und dessen sich wechselt, und der Longachse1 und Kurzachse.

2. Sie sind 111, 104 bzw. 92. Die Position der Fokuszone (Position auf der akustischen Achse), die beiden letzteren sind jeweils 30 mm und 65 mm vor der ersteren entlang der akustischen Achse des Wandlers. Gleichzeitig ist der Kopf der Brennzone (das Ende in der Nähe des Wandlers) mehr \"Fett\" als sein Schwanz (das Ende weit vom Wandler).

2 Die Auswirkung der Nichtlinearität, die durch eine hohe Schallintensität auf den Schallfokusbereich verursacht wird, ist der gleiche, der Oberflächenstrahlungsschalldruck wird als einzelner Faktor angesehen, und seine Werte beträgt jeweils 44, 73, 4 MPa und α = 3DB-Eintopf (TEW () cm · mhz). Angesichts der Tatsache, dass die Abschwächung des Mediums mit der Zunahme der harmonischen Häufigkeit rasch zunimmt, muss die Anzahl der Harmonischen nicht zu viele sein. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass: Mit zunehmendem Schalldruck der Oberflächenstrahlung die Position und Form der Fokuszonenänderung, anders als der Dämpfungskoeffizient, so groß ist, aber das sich ändernde Gesetz ist ähnlich. Das heißt, die Positionen der beiden letztgenannten Brennbereiche werden jeweils um 16 mm bzw. 21 mm bewegt. Das Verhältnis der langen und kurzen Achse des 6DB -Schwerpunktbereichs beträgt 119, 116 bzw. 113, und der Kopf des Brennbereichs neigt auch dazu, \"Fett\" zu werden.

3 Der kombinierte Effekt der Dämpfung und Nichtlinearität auf den Schallschwererbereich.

Die beiden oben genannten Faktoren werden gleichzeitig zur Berechnung in die Formel (3) einbezogen. 3 (a) und 3 (b) zeigen, dass α = 3 dB Eintopf (cm · mhz), p '0 = 44 mPa und α = 2,3 dB Eintopf (cm · mHz), p'0 = 44 mPa

Bei der gleichzeitigen Berücksichtigung von Dämpfungen und nichtlinearen Effekten ist die Kontur der ISO-Sound-Drucklinie in der Brennzone die Berechnung in der Abbildung. Im Vergleich zu den beiden hat sich die Position der Brennzonen um 8,4 mm verschoben, und das Verhältnis der Haupt- und Nebenachsen der Brennzone hat sich von 11,9 auf 8,5 geändert. Es zeigt, dass der Veränderungstrend der Fokuszone, die durch den Dämpfungskoeffizienten und die Nichtlinearität verursacht werden, gleich ist, sodass der Gesamteffekt gestärkt wird.

abschließend

Die theoretischen Analyse- und Berechnungsergebnisse in diesem Artikel zeigen, dass: hohe Schallintensität und mittlere Abschwächung einen wichtigen Einfluss auf die Form und Position der Schallschallungszone haben; Je größer der Dämpfungskoeffizient des Mediums ist, desto höher ist die Schallintensität (dh desto stärker die Nichtlinearität), und der Schallfokus desto näher des Feldes ist dem Wandler. Das Verhältnis der langen und kurzen Achsen des Fokusfeldes wird ebenfalls kleiner, dh seine Form ändert sich allmählich von einem langen Ellipsoid zu einer kurzen Ellipsoid, und der Kopf des Schallfokusbereichs wird zu \"Fett \" als der Schwanz. Phänomen, die Form ist in der Regel \"Karotte\". Die obigen Schlussfolgerungen bieten eine Grundlage für die quantitative Analyse des Änderungsgesetzes des Schallfokusbereichs des HIFU -Schallfeldes und untersuchen die Beziehung zwischen dem Schallfokusbereich und dem Schadensbereich weiter.

Große Probenmessmethode des akustischen Reflexionskoeffizienten vonUnterwasser akustische Materialienmit Einzelvektorhydrophon

Um die Messung des freien Feldbreitbandmessung des normalen akustischen Reflexionskoeffizienten von Unterwasser akustischen Materialien zu realisieren Es wird ein einzelnes Vektorhydrophon vorgeschlagen, das auf Einzelvektorhydrophon basiert. Die Freifeld-Breitband-Messmethode des normalen akustischen Reflexionskoeffizienten des Unterwasserschildmaterials des Unterwasserschildmaterials durch die elektronische Rotationstechnologie des Vektorhydrophons, um die effektive Trennung des direkten Schalls und des reflektierten Schalls zu realisieren. Der Einfluss des Messsystemfehlers und des Signal-Rausch-Verhältnisses des empfangenen Signals auf das Messergebnis wird diskutiert. Diese Methode hat bestimmte Anforderungen für das Signal-Rausch-Verhältnis, ist jedoch nicht empfindlich gegenüber dem Messsystemfehler. Die experimentellen Testergebnisse zeigen, dass: im Vergleich zu den experimentellen Testergebnissen ohne die Verarbeitung nach der Inverse die im Artikel beschriebene Methode die Messleistung signifikant verbessert, jedoch durch die niederfrequente Emissionsfähigkeit des Sendetransducers begrenzt ist. Die experimentellen Ergebnisse sind Über 2,5 kHz und die theoretischen Werte stimmen gut überein.

Der akustische Reflexionskoeffizient ist ein wichtiger Parameter, der die akustische Leistung von akustischen Unterwassermaterialien charakterisiert. Gegenwärtig können die Messmethoden des akustischen Reflexionskoeffizienten von Unterwasser akustischen Materialien grob in die kleine Probenlabor -Akustikrohrmethode und die große Proben -Messmethode unterteilt werden. Eine große Messung des freien Feldes der Proben wird im Allgemeinen in einem großen anechoischen Pool durchgeführt. Durch das Legen von Stummschaltmaterialien auf die Grenze des Pools, um den reflektierten Klang der Poolgrenze zu absorbieren, ist das vom Hydrophon empfangene Signal nur der direkte Schall und der reflektierte Geräusch der Probe. Aufgrund der Begrenzung der unteren Grenze des anechoischen Pools ist der Niederfrequenz-Multipath-Effekt jedoch offensichtlich; Darüber hinaus wird die Freifeldmessmethode hauptsächlich durch den Kantenbeugungseffekt der Probe beeinträchtigt, und diese Interferenz ist insbesondere im Niederfrequenzband schwerwiegend. Um die oben genannten Probleme zu lösen, wird die Impuls -Schalltest -Technologie bei der Messung der akustischen Parameter von Unterwasser akustischen Materialien häufig eingesetzt. Es ist seine Schlüsseltechnologie, gepulste akustische Signale mit steuerbaren Wellenformen und ohne Verzerrung zu übertragen. Die Übertragungsfunktion der Übertragungswandler begrenzt jedoch die niedrigere Häufigkeit der Impuls -Schalltest -Technologie im begrenzten Messraum. Aus diesem Grund wurden verschiedene Kompensationsmethoden vorgeschlagen, wie das von Li Shui et al. Diese Methode verwendet inverse Filtertechnologie, um das Anregungssignal des Übertragungswandlers vorzubereiten, um die Übertragungsfunktion des Übertragers zu kompensieren .

Anders als bei der obigen Methode verarbeitet die \"-Post-Inverse-Filterungstechnologie das Signal am empfangenden Ende des Hydrophons, um den Zweck der Kompensation des Frequenzgangs des Übertragungswandlers zu erreichen. Die \"Post-Inverse-Filtertechnologie\" wird im Akustikrohr übernommen, um die Breitbandmessung des Schallabsorptionskoeffizienten von zu erreichenUnterwasser akustische Materialien. Dieses Verfahren erhält zuerst die Übertragungsfunktion des Messsystems, kompensiert dann das Beobachtungssignal und erhält schließlich den akustischen Reflexionskoeffizienten der Probe durch Teilen des kompensierten Beobachtungssignalamplitude -Spektrums mit dem Standardprobenreflektionssignalamplitude -Spektrum und berechnet die Absorption weiter Schallkoeffizient. In den letzten Jahren wurden Vektorsensoren erfolgreich auf die Messung der akustischen Parameter von Aeroakustikmaterialien wie die Oberflächenimpedanzmethode und die Schallintensitätsmethode angewendet. Das Vektorhydrophon kann die Soundfeldinformationsinformationen synchron und am selben Punkt aufnehmen, der den postsignalen Verarbeitungsraum erweitert, und die Gelenkverarbeitung von Schalldruck- und Schwingungsgeschwindigkeitssignalen kann eine bestimmte räumliche Verzeichnis bilden, die die Beugung beeinträchtigen kann Klang der Probenkante. Zu einem gewissen Grad an Unterdrückung ist es unnötig, ein herkömmliches Array mit großem Schalldruck zu verwenden, das die Komplexität des Messsystems verringert. Gleichzeitig kann die maximale Ausgangsrichtung der kombinierten Verarbeitung von Schalldruck und Schwingungsgeschwindigkeit des Vektorhydrophons durch elektronische Rotationstechnologie auf eine vorgegebene Richtung gerichtet werden, was das effektive Ableiten des direkten Schalls und das reflektierte Schall erleichtert. Darüber hinaus hat das Vektorhydrophon auch die Vorteile einer guten niederfrequenten Direktivität und Resistenz gegen isotropes Rauschen. Im Vergleich zum herkömmlichen Schalldruckhydrophon hat unter Verwendung eines Vektorhydrophons zum Testen des Schallreflexionskoeffizienten eines Materials bestimmte Vorteile. Dieses Papier zeigt eine Breitbandmessmethode für den normalen akustischen Reflexionskoeffizienten von Unterwasser akustischen Materialien mit einer großen Freifeldprobe. Diese Methode verwendet ein einzelnes Vektorhydrophon als Kernausrüstung des Messsystems, kombiniert die gepulste akustische Emissionstechnologie und die Post-Inverse-Filterungstechnologie, um die Verformung der Signalwellenform zu unterdrücken, die Beugung des Probenrandes und der Mehrweg-Interferenzschall in der Zeitdomäne zu beseitigen, und beseitigt, Anschließend wird die elektronische Rotationstechnologie des Vektorhydrophons über die effektive Trennung des direkten Schalls und des reflektierten Schalls realisiert, und schließlich wird der normale Schallreflexionskoeffizient der Probe erhalten, indem die beiden geteilt werden.

1 Messprozess

Um das Messungsprinzip dieser Methode zu erklären, werden die Ergebnisse der zugehörigen Formelableitung und Simulation bei gleichzeitiger Erläuterung des Messprozesses angegeben.

1.1 Die Identifizierung der Übertragungsfunktion und das inverse Filterdesign des Messsystems vor dem Testen der Probe sollte zuerst die Übertragungsfunktion des Messsystems erhalten werden. Anders vom herkömmlichen Schalldruckhydrophon enthält das Vektorhydrophon einen Schalldruckkanal und einen Schwingungsgeschwindigkeitskanal, sodass die Übertragungsfunktion jedes Messkanals des Vektorhydrophons gleichzeitig erhalten werden muss. Während der Messung wird das ideale Impulssignal durch den Übertragungswandler in das Wassermedium ausgestrahlt und dann durch den Hydroakustikkanal an den Empfangspunkt übertragen und schließlich vom Vektorhydrophon empfangen und vom Kollektor gesammelt. Daher kann das Messsystem in drei Teile unterteilt werden, nämlich das Signalübertragungssystem, den Unterwasser akustischen Kanal und das Signalempfangssystem. Als Beispiel ist das empfangene Signalmodell in Abbildung 1 dargestellt.

In Abbildung 1 ist S (f) das übertragene Signalspektrum, T (F), HP (F) und R (F) die Übertragungsfunktionen des Sendungssystems, der Schalldruckhydroakustikkanal bzw. Signalempfangssystem und n (f) ist das Hintergrundrauschspektrum, y (f) das Ausgangssignalspektrum des Messsystems. Die Nachinsenfiltertechnik besteht darin, einen inversen Filter zu entwerfen, um T (f) und R (f) zu kompensieren, wenn die Übertragungsfunktion des Messsystems bekannt ist. Nehmen Sie den Schalldruckkanal als Beispiel, um das Grundprinzip der Identifizierung der Übertragungsfunktion des Messsystems zu veranschaulichen. Methode 1 Berücksichtigen Sie das Signalübertragungssystem und das Signalempfängersystem als Ganzes, dh h (f) = t (f) + r (f). Das Eingangssignal ist x (t), das Systemausgangssignal ist y (t), das Hintergrundrauschen ist n (t), y (f) = h (f) x (f) + n (f) (1) wher , X (f), y (f) und n (f) sind die Fourier -Transformation des Systemeingangssignals x (t), des Systemausgangssignals y (t) bzw. des Hintergrundrauschens N (t). Nach der Berechnung beträgt der geschätzte Wert von h (f) ^H (f) = gxy (f) gxx (f) (2) wobei GXY (f) das Kreuzkraftspektrum des Eingangssignals und des Ausgangssignals des Systems ist und GXX (f) ist das Selbstmachtspektrum des Eingangssignals des Systems.

Zusätzlich zu den oben genannten Methoden zur Identifizierung von Messsystemen können auch Pseudo-Random-Sequenzidentifikationstechniken verwendet werden. Methode 2 Angenommen, das Eingangssignal X (t) des Messsystems ist eine Pseudo-Random-Sequenz (MLS-Sequenz), und das Ausgangssignal des Systems ist y (t). Offensichtlich ist y (t) = x (t) * H (t) (3) wob Berechnen Sie die Korrelationsfunktion zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal des Systems. Zwischen der Eingabe und der Ausgabe der Systemfunktion ist RXX die Autokorrelationsfunktion des Eingangssignals. Da die MLS-Sequenz bessere Autokorrelationseigenschaften aufweist, dh rxx (n) = δ (n) -1l + 1. wobei L = 2M-1 die Sequenzlänge ist und M die Reihenfolge der Pseudo-Random-Sequenz ist. Es ist leicht zu sehen des Messsystems. Entwerfen Sie nach Erhalt ^H (f) den inversen Filter H-1 (f) in der Frequenzdomäne als hpost (f) = ^H (f) | ^H (f) | 2 + q (7) wobei Q eine Normalzahl ist, im Allgemeinen 1% des Maximalwerts von | ^H (f) | 2. Simulationsbedingung 1 Der Übertragungswandler und das Hydrophon werden in einem anechoischen Pool in gleicher Tiefe platziert, der Abstand zwischen den beiden beträgt 1 m und das übertragene Signal ist eine MLS-Sequenz von 16 Ordnung. Die Methode 1 und Methode 2 werden verwendet, um das System zu identifizieren. Die Verhältnisse betragen 10, 20 und 30 dB. Bewerten Sie die Vor- und Nachteile der Ergebnisse der Übertragungsfunktion Identifizierung der beiden Methoden in verschiedenen Signal-Rausch-Verhältnissen. In der Simulation wird die Funktion der Einheitsimpulsantwort des Systems durch Zugabe von Gaußschen Impulsen mit Mittelfrequenzen von 1, 2, 4 und 8 kHz simuliert.

Abbildung 3 zeigt die Identifizierungsergebnisse der Übertragungsfunktion des Messsystems unter den oben genannten Bedingungen. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die beiden in diesem Artikel beschriebenen Systemidentifikationsmethoden die Übertragungsfunktion des Messsystems effektiv erhalten können. Methode 1 hat jedoch bestimmte Anforderungen an das Signal-Rausch-Verhältnis. Wenn das Signal-Rausch-Verhältnis größer als 30 dB ist, ist das Identifikationsergebnis genau Signal-Rausch-Verhältnis. Dies liegt daran, dass das Hintergrundrauschen eine kleine Korrelation mit dem Anregungssignal der Schallquelle aufweist, daher hat diese Methode eine bestimmte Anti-Nr-Fähigkeit. Das Folgende ist eine Analyse der Wirksamkeit der in diesem Artikel durch Simulation und numerischen Berechnung beschriebenen Messmethode.

1.2 Beobachtungsdatenverarbeitung

1) Beobachtungsdaten erhalten. Das Messprinzipiagramm vonUnterwasser akustischer Wandlersensor ist in Abbildung 4 dargestellt. In der Abbildung ist RI der direkte Schallpfad, und der Abstand vom Vektorhydrophon zur Probe ist D, der reflektierte Schallpfad ist ri + 2d, re = rs + rr ist der gebeugte Schallpfad, RQ ist der reflektierte Schallpfad an der Poolgrenze, Pi ist der direkte Klang, PR ist der reflektierte Klang, PE ist der gebeugte Klang am Rand der Probe, PQ Es ist ein Mehrweg-Interferenz-Sound.

Nehmen wir an, das Anregungssignalspektrum des Übertragers ist s (f) und die charakteristische Impedanz des Mediums wird ignoriert. Ohne Verlust der Allgemeinheit ist die Frequenzdomänenexpression des durch das zweidimensionalen Vektorhydrophons empfangenen Signals p (f) = s (f) · 1 + rs (f) e－jωτr + d (f) e－jωτe + rq (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) · sin (θi) + rs (f) e－jωτrsin (θr) + d (f) e－jωτesin (θe) + rq (f) ) e－jωτqsin (θq) hvyt (f) (8) In der Formel ist Rs (f) der akustische Reflexionskoeffizient der Probe, der von der Schallwellenfrequenz und dem einfallenden Winkel abhängt, d (f) der Probenkantendiffraktionskoeffizient, RQ (f) ist der Poolgrenzreflexionskoeffizient, τr, τe und τq sind die zeitlichen Verzögerungen des reflektierten Schalls, des Probenrandbeugungschalls und des Pool -Grenzreflexionsschalls bzw. direkten Schall. θi, θr, θe und θq sind direkter Schall, reflektierter Schall, Probenkante -Beugungsschall und Pool -Grenzreflexionsschall, der einfallende Winkel der Schallwelle, HPT (F), HVXT (F) bzw. HVXT (f) repräsentiert die Übertragungsfunktion jedes Messkanals des Messsystems.

2) Die Kompensation der Messsystemübertragungsfunktion. Multiplizieren Sie den entworfenen inversen Filter mit dem Frequenzspektrum der entsprechenden Kanalbeobachtungsdaten, um das kompensierte Signal zu erhalten. Das Frequenzspektrum ppost (f), vxpost (f) und Vypost (f) sind 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)

Simulationsbedingung 2 Angenommen, die Tiefe des Pools beträgt 10 m, der Startwandler, das Vektorhydrophon und die Wassertiefe H der zu testenden Probe sind 5 m. Der Abstand h vom Übertragungswandler zur Probe beträgt 15 m, der Abstand D vom Vektorhydrophon zur Probe beträgt 10 cm Frequenz FS = 131 072 Hz und ein Signal-Rausch-Verhältnis von 30 dB. Nehmen Sie den Schalldruckkanal als Beispiel, um die Wirksamkeit der Kompensation des Nachinsenfilters zu überprüfen. In der Simulation ist die zu testende Probe eine Aluminiumplatte mit einer Dicke von 0,006 m und einer geometrischen Größe von 1 m × 1 m. Der Kantenbeugungskoeffizient der Probe wird mit einem Tiefpassfilter simuliert.

Abbildung 5 zeigt den Kompensationseffekt des Nachinsenfilters des Schalldruckkanals. Die Abbildung zeigt, dass die Signalwellenform nach der Kompensation regelmäßiger und glatt ist, was die durch die Übertragungsfunktion des Messsystems verursachte Signalverzerrung wirksam unterdrückt und dazu beiträgt, Störungen wie Kantenbeugungsschall zu beseitigen.

3) Beseitigen Sie Interferenztöne. Berechnen Sie die Zeitverzögerung des reflektierten Schalls, des Probenbeugungsschalls und des Poolgrenzreflexionsschalls gemäß den Parametern des Messsystems und führen Sie eine inverse Fourier -Transformation der Gleichung (9) durch, um das Zeitdomänensignal zu erhalten Signal und Fourier -Blatttransformation durchführen, wir erhalten 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)] wobei PC (f), vxc (f) und vyc (f) jeweils ein Signalspektrum jedes Kanals sind. Trennen Sie den direkten Klang und den reflektierten Klang und erhalten Sie den Schallreflexionskoeffizienten der Probe. Angenommen, der Leit von Vektorhydrophon ist ψ und die berechnete Verbundpartikel -Geschwindigkeit vc ist vc (f) = vxc (f) cos (ψ) + vyc (f) sin (ψ) (11) Zunächst zeigen Sie den Leit -Azimut auf die Sender Sei ψ = 0 und führen (p + vc) 2 Gelenkverarbeitung, aus dem gemeinsamen Begriff S (f) aus und erhalten Sie die Gelenkverarbeitungsausgabe II als II = [PC (f) + vc (f)] 2ψ = 0 = 4 (12) Zeigen Sie den leitenden Azimut erneut auf die Probe, dh ψ = π und führen Sie die Gelenkverarbeitung von (p + vc) 2 durch, um die Verbindungsverarbeitungsausgabe ir = [PC (f) + VC ( f)] 2ψ = π = 4 ［r2s (f) e－2jωτr］

2 Messfehleranalyse

Simulationsbedingung 3 Die Parameter des Messsystems bleiben unverändert, das übertragene Signal ist ein butterworth gepulstes akustisches Signal und die Signalbandbreite 500 ~ 10 kHz. Ohne den Beugungseffekt der Probenkante und den Einfluss des Reflexionsschalls an der Poolgrenze zu berücksichtigen, wird das Signal-Rausch-Verhältnis diskutiert. Wenn es 20, 30 und 40 dB ist, ändert sich das Messergebnis mit Frequenz. Die Messergebnisse und Messungsfehlerkurven unter verschiedenen Signal-Rausch-Verhältnissen werden gezeigt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass der relative Messfehler mit der Frequenzschwingung abschwächt und das Niederfrequenzband durch das Signal-Rausch-Verhältnis stark beeinflusst wird. Wenn das Signal-Rausch-Verhältnis 20 dB beträgt, entspricht der Änderungstrend des Messergebnisses dem theoretischen Wert, aber das Messergebnis hat einen größeren Fehler. Niedrig Der große Frequenzbandmessfehler liegt daran, dass der akustische Reflexionskoeffizient gering ist und kleine Schwankungen große relative Fehler verursachen können. Im tatsächlichen Test hat der Messsystem-Platzierungsfehler zusätzlich zum Signal-Rausch-Verhältnis auch einen Einfluss auf die Messergebnisse. Die folgende Simulationsanalyse analysiert den Einfluss des Messsystemplatzierungsfehlers. Simulationsbedingung 4 Die Parameter des Messsystems bleiben unverändert, unabhängig von Interferenz wie Hintergrundrauschen und Probenrandbeugung. Die Entfernung h von der Schallquelle zur Probe beträgt 5, 10 bzw. 15 m. Es wird diskutiert, wenn der Abstand D vom Vektorhydrophon zur Probe 10 das Messergebnis bei% Fehler beträgt. Die Messergebnisse sind angegeben, wenn der Abstand h vom Senderwandler zur Probe unterschiedlich ist und der Abstand D vom Vektorhydrophon zur Probe einen Fehler von 10% aufweist. Die Abbildung zeigt, dass das Messergebnis nicht empfindlich gegenüber dem Fehler des Abstands zwischen dem Vektorhydrophon und der Probe ist; H Die Messergebnisse sind gleichzeitig nicht annähernd zusammen. Es ist ersichtlich, dass im tatsächlichen Test nur die geeignete H gemäß der geometrischen Größe des Messpools ausgewählt werden muss. Simulationsbedingung 5 Die Parameter des Messsystems bleiben unverändert, unabhängig von der Interferenz durch Hintergrundrauschen und Probenrandbeugung. Der Abstand D vom Vektorhydrophon zur Probe beträgt 5, 10 bzw. 15 cm, und der Abstand h vom Übertragungswandler zur Probe beträgt 15 m, diskutieren Sie die Messergebnisse, wenn ein 1% -Fehler in der Entfernung vorliegt H vom Senderwandler zur Probe. Die Messergebnisse sind angegeben, wenn der Abstand D vom Vektorhydrophon zur Probe unterschiedlich ist und der Abstand h vom Sendeschallwander zur Probe einen 1% -Fehler aufweist. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass das Messergebnis und der theoretische Wert den gleichen Trend mit der Frequenz aufweisen und je höher die Frequenz ist, desto höher ist die Frequenz. Das Ergebnis ist genauer, und diese Messmethode ist nicht empfindlich gegenüber dem Fehler des Abstands zwischen dem Vektorhydrophon und der Probe.

3 Experimentelle Forschungs- und Datenverarbeitung

Das Hardware -Zusammensetzungsblockdiagramm des Messsystems ist in Abbildung 11 dargestellt. Das System besteht aus einem trockenen Ende und einem nassen Ende. Das trockene Ende besteht hauptsächlich aus willkürlichem Signalgenerator, Leistungsverstärker, Vektorhydrophon -Konditionierungsschaltung und Signalkollektor usw., die für die Signalerzeugung, -übertragung und -aufnahme verwendet werden. Das nasse Ende besteht hauptsächlich aus einem übertragenden Wandler, einem niederfrequenten zweidimensionalen Vektorhydrophon und einer Probe zur Messung der Probe. Das nasse Ende wird in einem anechoischen Pool mit einer geometrischen Größe von 25 m × 15 m × 10 m platziert, und das Schallzentrum befindet sich 5 m unter Wasser. Der Pool ist auf sechs Seiten gedämpft und die untere Schallabsorption beträgt 2 kHz. Die zu testende Probe ist eine Aluminiumplatte mit einer geometrischen Größe von 1 m × 1 m × 0,006 m. Der Senderwandler wird am Rand des Fahrzeugs über dem Pool aufgehängt und der Abstand h von der Probe 4,95 m. Die Probe ist auf das Hebe- und Rotationsgerät fixiert, und die Probe kann während der Messung in einem Winkel gedreht werden und in drei Abmessungen reibungslos bewegt werden. Das Vektorhydrophon wird am vorderen Ende der Probe platziert, und der Abstand D von der Oberfläche der Probe beträgt 5,5 cm. Der Übertragungswandler ist eine zylindrische Schallquelle, und Fig. 12 zeigt seine Transmissionsspannungs -Antwortkurve.

Aus Fig. 12 ist ersichtlich, dass der Übertragungswandler eine schlechte Strahlungsfähigkeit unter 2,5 kHz aufweist. Das effektive Arbeitsfrequenzband des niederfrequenten zweidimensionalen Vektorhydrophons beträgt 1 ~ 12 kHz. Während des Einsatzes verweist der Vektor -VY -Kanal auf die zu testende Probe, und VX zeigt auf die Wand des Pools. Übertragen Sie zuerst die 16-Ordnung-Pseudo-Random-Sequenz, um zu identifizieren und zu messen.

Abbildung 12 Übertragungsspannungsreaktionskurve des Übertragungswandlers

Systemübertragungsfunktion und Entwurf inverser Filter. Abbildung 13 zeigt die Ergebnisse der Übertragungsfunktion Identifizierung des Messsystems. In der Abbildung sind HP (F), HVX (F) und HVY (F) die gemessenen Werte der Übertragungsfunktion des Schalldruckkanals, des Vektor -VX -Kanals und des VY -Kanals des Messsystems; HPINV (F), HVXINV (F) und HVYINV (F) sind die entworfene inverse Filterübertragungsfunktion.

Aus Abbildung 13 ist ersichtlich, dass das Ergebnis der Vektor -VX -Kanalübertragungsfunktion Identifikation ungültig ist. Dies liegt daran, dass in der obigen Bereitstellungssituation der \"Grube\" des Vektorhydrophon -VX -Kanals der Schallquelle gegenübersteht und das von diesem Kanal empfangene Signal nur der Pool ist. Die Wand spiegelt das akustische Signal wider, sodass das System zur Systemidentifizierung ungenau ist. Behalten Sie die räumliche Position und Ausrichtung des Senderwandlers und derVektorhydrophonwandlerUnverändert, die Probe ablegen und das pulsierte akustische Signal von Butterworth mit einer Bandbreite von 500 bis 12,5 kHz übertragen. Abbildung 14 zeigt die ursprünglichen und modifizierten Signalwellenformen, die von jedem Kanal des Vektorhydrophons empfangen werden. Aus Abbildung 14 ist ersichtlich, dass die Zeitdomänenwellenform des Signals nach der inversen Filterkorrektur regelmäßig wird und die Energie stärker konzentriert ist. Berechnen Sie dann die Zeitverzögerung des direkten Schalls und des reflektierten Schallbeugungschalls von der Probenkante entsprechend den räumlichen Layoutparametern des Messsystems und fügen Sie Fenster hinzu, um die nützlichen Daten abzufangen, und berechnen Sie den normalen Klangreflexionskoeffizienten der Probe als in Abbildung 15 gezeigt.

Abbildung 15 zeigt die Messergebnisse vor und nach der Kompensation. Es ist ersichtlich, dass das Messergebnis der Übertragungsfunktion des nicht kompensierten Messsystems einen großen Fehler aufweist und nahezu ungültig ist. Die Messgenauigkeit wird nach der Verarbeitung nach der Inversen Filter erheblich verbessert. Wenn die Frequenz größer als 2,5 kHz beträgt, ist der Messfehler nach der Nachinsenfilterkorrektur gering und das Messergebnis unter 2,5 kHz einen großen Fehler. Der Grund dafür ist, dass die Niederfrequenzübertragungsfähigkeit des Übertragungswandlers begrenzt ist und die Niederfrequenzkomponenten des Signals in das Hintergrundrauschen getaucht sind, sodass das Messergebnis schlecht ist.

4. Fazit

In diesem Artikel wird ein Verfahren zur Messung des normalen akustischen Reflexionskoeffizienten von Unterwasser akustischen Materialien basierend auf einem einzelnen Vektorhydrophon vorgeschlagen. Diese Methode pulsiert. Die Kombination aus Impulsemissionstechnologie, Vektorsignalverarbeitungstechnologie und Post-Inverse-Filtertechnologie durch die Post-Inverse-Filtertechnologie, um das Vektorhydrophon zu erhalten.

Die Daten werden kompensiert, die durch die Übertragungsfunktion des Messsystems verursachte Signalverzerrung wird unterdrückt, und der Kantenbeugungschall und der Multipath der Probe werden in der Zeitdomäne beseitigt. Signale Interferenz verbessert die Messgenauigkeit. Das Messprinzip wird theoretisch abgeleitet, der Einfluss des Messsystemfehlers wird durch numerische Berechnung und Simulation untersucht, und experimentelle Forschung wird durchgeführt. Die numerischen Berechnungs- und Simulationsergebnisse zeigen, dass die in diesem Artikel beschriebene Messmethode bestimmte Anforderungen für das Signal-Rausch-Verhältnis enthält. Ungenaue und unempfindliche Systembereitstellung. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die in diesem Artikel beschriebene Methode die groß angelegte Messung des freien Feldes des normalen akustischen Reflexionskoeffizienten von Unterwasser akustischen Materialien effektiv realisieren kann, jedoch aufgrund der Begrenzung der Niederfrequenzstrahlungsfähigkeit des Sendetransducers, jedoch Der Niederfrequenzmessfehler ist relativ groß.