Método de medición del coeficiente de reflexión acústica de materiales acústicos submarinos con hidrófono vector solo

Es ácido estudiar los cambios en la forma y la posición geométrica del rango focal acústico de la cóncava.Transductor ultrasónico esféricoCuando la intensidad del sonido es alta y el medio tiene una gran atenuación. Desde la perspectiva de la acústica física, se analizan los efectos de la no linealidad y la atenuación de los medios causados ​​por una alta intensidad de sonido en el rango focal del sonido, y el algoritmo de superposición lineal de la integral se utiliza para realizar cálculos de simulación numérica. Tanto el análisis teórico como el cálculo numérico muestran que con el aumento de la intensidad de sonido y la atenuación media, la posición geométrica de la zona focal acústica tiene un avance a nivel de milímetro a lo largo del eje acústico en la dirección del transductor; Al mismo tiempo, la zona focal acústica, la forma cambió gradualmente de un elipsoide largo simétrico a un elipsoide corto con una \"cabeza gorda y cola delgada\".

La intensidad de alto sonido y la atenuación media tienen una influencia importante en la posición y la forma de la región focal de sonido del transductor esférico cóncavo. Se debe considerar la plena consideración al control preciso de posicionamiento y la dosis de equipos de HIFU, la formulación de estándares de inspección e incluso la aplicación clínica.

Mi país ha hecho avances notables en el desarrollo y la aplicación clínica de ultrasonido enfocado de alta intensidad (equipo de ultrasonido enfocado de alta intensidad (HIFU)). Sin embargo, para lograr verdaderamente el control preciso de la dosis de posicionamiento y tratamiento en el equipo, de modo que el tratamiento clínico pueda lograr el efecto ideal de matar efectivamente la lesión sin dañar los tejidos normales circundantes, todavía hay muchos problemas teóricos y técnicos que deben estudiarse y resuelto en profundidad. Los estudios experimentales nacionales y extranjeros sobre la formación de daños de HIFU en tejidos biológicos han demostrado que con el aumento de la intensidad del sonido, la posición de la zona focal se mueve hacia adelante y cambia gradualmente de un largo elipsoide a una\"forma de tadpole\" o un \"forma de cono\". Aunque en los últimos años, la literatura extranjera ha hecho algunas explicaciones cualitativas para el fenómeno anterior al resolver numéricamente la ecuación de propagación de ondas acústicas no lineales (ecuación de KZK), pero el procedimiento de cálculo es complicado y la relación física en el proceso de cálculo no está clara. Por esta razón, este documento toma el transductor de enfoque esférico cóncavo como ejemplo, y discute el problema al estudiar la influencia de la atenuación media y las características de propagación no lineal en alta intensidad de sonido en el rango focal de sonido.

En nuestro trabajo anterior, según la integral de difracción de Kirchhoff, hemos derivado la expresión de la presión de sonido en cualquier punto en el campo de sonido de una sola frecuencia bajo la condición de un campo de sonido lineal con un transductor de enfoque esférico cóncavo con radiación uniforme en el Superficie (también pida los puntos de Rayleigh).

Desde el análisis de la teoría de la acústica no lineal, cuando la presión de sonido de la onda sinusoidal de una sola frecuencia irradiada de la superficie del transductor al medio es lo suficientemente grande, se llama una \"onda de amplitud finita\", que propaga una cierta distancia en el medio (llamado la distancia discontinua). ), la forma de onda se distorsionará en una onda de sierra, que también puede considerarse como una onda de choque. Además de la frecuencia fundamental de la emisión original, el espectro de frecuencia de esta ola también incluye una serie de armónicos más altos. Se generan gradualmente por absorber continuamente la energía de la onda fundamental durante la propagación de ondas de sonido, es decir, los armónicos del tejido en medicina de ultrasonido. El coeficiente de amplitud se puede usar para describir la propagación de los armónicos de alto orden con la distancia de propagación y la relación de los cambios de energía durante la propagación.

La onda de sierra de sierra forma una distancia, por lo que es una cantidad sin dimensión que refleja la distancia de propagación. Sobre la base de esto, hemos calculado la curva de coeficiente de amplitud de la onda fundamental y los primeros 3 armónicos. Cuando la onda de sonido se propaga en el medio, la presión de sonido se descompone de manera exponencialmente con la distancia, que se puede expresar en un formulario. Para los tejidos blandos generales, el coeficiente de atenuación t m es aproximadamente proporcional a la frecuencia. Para simplificar el cálculo, este artículo expresa el coeficiente de atenuación de cada componente armónico, ya que α es el sistema de atenuación de sonido de la onda de sonido fundamental de la frecuencia en tejidos biológicos por unidad de distancia.

Debe incluir la absorción de sonido y la dispersión del tejido. Después de considerar los dos factores anteriores (no linealidad y atenuación), la expresión de la presión de sonido en el campo de sonido enfocado puede extenderse a la siguiente forma: es el número de onda de cada armónico. Esta fórmula es lo que llamamos el algoritmo de superposición lineal de la integral de Rayleigh.

Resultado:

1 La influencia de la atenuación media en el rango focal de sonido. Los parámetros de la unidad de transductor esférico cóncavo usados ​​en este documento son: radio de curvatura R = 15 cm, radio de abertura A = 42 cm, frecuencia de trabajo F = 1.7 MHz. Suponiendo que el medio es un tejido blando general, su coeficiente de atenuación α está en el rango de estofado de 01-30dB (cm · mz). La velocidad de sonido, la densidad y otros parámetros del medio se toman de acuerdo con la literatura correspondiente. Para estudiar el coeficiente de atenuación como un factor de influencia única, solo una frecuencia única, es decir, la frecuencia fundamental, debe calcularse y analizarse para la ley de cambio del dominio de enfoque de sonido con diferentes valores α. Por esta razón, en la fórmula, se llevaron a cabo una serie de cálculos numéricos tomando m = 1. Los resultados muestran que con el aumento de la atenuación, es decir, cuando α = 0.3, 13 y 23db guisado (cm · MHz), la forma de la región focal acústica -6dB acústica cambia gradualmente de un largo elipsoide a un elipsoide corto, y su Eje largo y eje corto.

2. Son 111, 104 y 92 respectivamente. La posición de la zona focal (posición en el eje acústico), los dos últimos son respectivamente 30 mm y 65 mm delante del primero a lo largo del eje acústico del transductor. Al mismo tiempo, la cabeza de la zona focal (el extremo cercano al transductor) es más \"gordo\" que su cola (el final del transductor).

2 El efecto de la no linealidad causado por una alta intensidad de sonido en el rango de enfoque de sonido es el mismo, la presión de sonido de radiación de la superficie se considera como un solo factor, y sus valores son respectivamente 44, 73, 4 MPa, andα = guisado 3DB ( cm · mhz). Teniendo en cuenta que la atenuación del medio aumenta rápidamente con el aumento de la frecuencia armónica, el número de armónicos no necesita ser demasiado. Los resultados del cálculo muestran que: a medida que aumenta la presión de sonido de radiación de la superficie, la posición y la forma del cambio de la zona focal, a diferencia de cuando el coeficiente de atenuación cambia, es tan grande, pero su ley cambiante es similar. Es decir, las posiciones de las últimas dos áreas focales se mueven hacia adelante por 16 mm y 21 mm respectivamente; La proporción del eje largo y corto del área focal 6DB es 119, 116 y 113 respectivamente, y la cabeza del área focal también tiene una tendencia a convertirse en \"gordo\".

3 El efecto combinado de la atenuación y la no linealidad en el rango focal de sonido.

Los dos factores anteriores se incorporan simultáneamente a la fórmula (3) para el cálculo. La Figura 3 (a) y la Figura 3 (b) muestran respectivamente que α = guiso 3DB (cm · MHz), P '0 = 44MPA y α = 7,3DB Stew (CM · MHz), P'0 = 44MPA

Al considerar la atenuación y los efectos no lineales al mismo tiempo, el contorno de la línea de presión iso-sonido en la zona focal es el resultado del cálculo en la figura. En comparación con los dos, la posición de la zona focal se ha movido hacia adelante en 8,4 mm, y la relación entre los ejes mayores y menores de la zona focal ha cambiado de 11.9 a 8.5. Muestra que la tendencia de cambio de la zona focal causada por el coeficiente de atenuación y la no linealidad es la misma, por lo que se fortalece el efecto general.

En conclusión

El análisis teórico y el cálculo producen en este documento, muestran que: la intensidad de alto sonido y la atenuación media tienen una influencia importante en la forma y la posición de la zona focal del sonido; Cuanto mayor sea el coeficiente de atenuación del medio, mayor será la intensidad del sonido (es decir, más fuerte la no lineal), y el sonido se enfoca, más cerca del campo es el transductor; La proporción de los ejes largos y cortos del campo focal también se vuelve más pequeño, es decir, su forma cambia gradualmente de un elipsoide largo a un elipsoide corto, y la cabeza del área de enfoque de sonido se convierte en\"grasa\" que la cola. Fenómeno, la forma tiende a ser \"Zanahoria\". Las conclusiones anteriores proporcionan una base para analizar cuantitativamente la ley de cambio del área de enfoque sólido del campo de sonido HIFU, y estudiar aún más la relación entre el área de enfoque de sonido y el área de daño.

Método de medición de muestra grande del coeficiente de reflexión acústica deMateriales acústicos submarinos.con un solo hidrófono vectorial

Para realizar la medición de banda ancha de campo libre del coeficiente de reflexión acústica normal de los materiales acústicos subacuáticos, se utiliza un solo vector de hidrófono como el equipo central del sistema de medición, combinado con la tecnología de emisión de pulsos acústicos y la tecnología de procesamiento de señales de filtro post-inverso. , se propone un solo vector hidrófono basado en un solo hidrofono del vector. El método de medición de banda ancha de campo libre del coeficiente de reflexión acústica normal del material acústico subacuático del material acústico subacuático, a través del vector de tecnología de rotación electrónica de hidrófono para realizar la separación efectiva del sonido directo y el sonido reflejado. Se discute la influencia del error del sistema de medición y la relación señal-to-ruido de la señal recibida en el resultado de la medición. Este método tiene ciertos requisitos para la relación señal-ruido, pero no es sensible al error del sistema de medición. Los resultados de las pruebas experimentales muestran que: en comparación con los resultados de la prueba experimental sin el procesamiento de filtrado post-inverso, el método descrito en el artículo mejora significativamente el rendimiento de la medición, pero limitado por la capacidad de emisión de baja frecuencia del transductor de transmisión, los resultados experimentales son Por encima de 2.5 kHz y los valores teóricos están en buen acuerdo.

El coeficiente de reflexión acústica es un parámetro importante que caracteriza el rendimiento acústico de los materiales acústicos submarinos. En la actualidad, los métodos de medición del coeficiente de reflexión acústica de los materiales acústicos submarinos se pueden dividir aproximadamente en el método de tubo acústico de laboratorio de muestra pequeño y el método de medición de campo libre de muestra grande. La medición de campo libre de gran muestra se realiza generalmente en una gran piscina anequioica. Al colocar los materiales de silenciamiento en el límite de la piscina para absorber el sonido reflejado del límite de la piscina, la señal recibida por el hidrófono es solo el sonido directo y el sonido reflejado de la muestra. Sin embargo, debido a la limitación del límite inferior de la piscina anécús, el efecto multipath de baja frecuencia es obvio; Además, el método de medición de campo libre se interfiere principalmente por el efecto de difracción del borde de la muestra, y esta interferencia es particularmente grave en la banda de baja frecuencia. Para resolver los problemas anteriores, la tecnología de prueba de sonido de impulso se usa ampliamente en la medición de los parámetros acústicos de los materiales acústicos subacuáticos. Es su tecnología clave para transmitir señales acústicas pulsadas con formas de onda controlables y sin distorsión. Sin embargo, la función de transferencia del transductor de transmisión limita la frecuencia más baja de la tecnología de prueba de sonido de impulso en un espacio de medición limitada. Por esta razón, se han propuesto una variedad de métodos de compensación, como el método de superposición del pulso de banda ancha propuesto por Li Shui et al. Este método utiliza la tecnología de filtrado inversa para preprocesar la señal de excitación del transductor de transmisión para compensar la función de transmisión del transductor de transmisión, de modo que la señal irradiada por el transductor de transmisión es un pulso afilado ideal, que reduce efectivamente la frecuencia de límite inferior de la medición. .

Diferente del método anterior, la \"Tecnología de filtrado post-inversa \" procesa la señal en el extremo receptor del hidrófono para lograr el propósito de compensar la respuesta de frecuencia del transductor de transmisión. La \"Tecnología de filtro post-inversa \" se adopta en el tubo acústico para lograr la medición de banda ancha del coeficiente de absorción de sonido deMateriales acústicos submarinos.. Este método obtiene primero la función de transferencia del sistema de medición, luego compensa la señal de observación, y finalmente obtiene el coeficiente de reflexión acústica de la muestra al dividir el espectro de amplitud de la señal de observación compensada con el espectro de amplitud de la señal de reflexión de la muestra estándar, y calcula aún más la absorción Coeficiente de sonido. En los últimos años, los sensores vectoriales se han aplicado con éxito a la medición de los parámetros acústicos de materiales aeroacústicos, como el método de impedancia en la superficie y el método de intensidad de sonido. El vector de hidrófono puede recoger la información del campo de sonido de forma síncrona y en el mismo punto, que expande el espacio de procesamiento posterior a la señal, y el procesamiento de la junta de la presión de sonido y las señales de velocidad de vibración pueden formar una determinada directividad espacial, que puede interferir con la difracción. Sonido del borde de la muestra. A un cierto grado de supresión, es innecesario utilizar una matriz de recepción de presión de sonido grande convencional, que reduce la complejidad del sistema de medición. Al mismo tiempo, la dirección máxima principal de la salida del procesamiento combinado de la presión de sonido y la velocidad de vibración de la hidrófona del vector se puede dirigir a una dirección predeterminada a través de la tecnología de rotación electrónica, que facilita la peladura efectiva del sonido directo y el sonido reflejado. Además, el vector hidrófono también tiene las ventajas de la buena directividad de baja frecuencia y la resistencia al ruido isotrópico. Por lo tanto, en comparación con el hidrófono de presión de sonido tradicional, utilizando un hidrófono vectorial para probar el coeficiente de reflexión del sonido de un material tiene ciertas ventajas. Este documento presenta un método de medición de banda ancha para el coeficiente de reflexión acústica normal de los materiales acústicos subacuáticos con una gran muestra de campo libre. Este método utiliza un solo hidrofono vectorial como el equipo central del sistema de medición, combina la tecnología de emisión acústica pulsada y la tecnología de filtrado post-inverso para suprimir la distorsión de la forma de onda de la señal, elimina el sonido de la difracción del borde de muestra y el sonido de interferencia de múltiples rutas en el dominio de tiempo, y Luego pasa la tecnología de rotación electrónica del vector Hidrófono realiza la separación efectiva del sonido directo y el sonido reflejado, y finalmente se obtiene el coeficiente de reflexión de sonido normal de la muestra dividiendo los dos.

1 proceso de medición

Para explicar el principio de medición de este método, al tiempo que explica el proceso de medición, se administran los resultados de derivación y simulación de fórmulas relacionadas.

1.1 La identificación de la función de transferencia y el diseño de filtro inverso del sistema de medición Antes de probar la muestra, primero se debe obtener la función de transferencia del sistema de medición primero. Diferente de la hidrófona de presión de sonido tradicional, la hidrófona del vector incluye un canal de presión de sonido y un canal de velocidad de vibración, por lo que la función de transferencia de cada canal de medición del vector hidrófono debe obtenerse al mismo tiempo. Durante la medición, la señal de pulso ideal se irradia en el medio de agua a través del transductor de transmisión, y luego se transmite al punto de recepción a través del canal hidroacústico, y finalmente recibido por el vector hidrófono y recolectado por el colector. Por lo tanto, el sistema de medición se puede dividir en tres partes, a saber, el sistema de transmisión de la señal, el canal acústico subacuático y el sistema de recepción de la señal. Tomando el canal de presión de sonido como ejemplo, el modelo de señal recibido se muestra en la Figura 1.

En la Figura 1, S (F) es el espectro de señal transmitido, T (F), HP (F) y R (F) son las funciones de transferencia del sistema de transmisión, el canal hidroacústico de presión de sonido y el sistema de recepción de señales, respectivamente, y n (f) es el espectro de ruido de fondo, Y (F) es el espectro de señal de salida del sistema de medición. La técnica de filtrado posterior a la inversa es diseñar un filtro inverso para compensar T (F) y R (F) cuando se conoce la función de transferencia del sistema de medición. Tome el canal de presión de sonido como ejemplo para ilustrar el principio básico de la función de transferencia Identificación del sistema de medición. Método 1 Considere el sistema de transmisión de la señal y el sistema de recepción de la señal en su conjunto, es decir, H (F) = T (F) + R (F). La señal de entrada es X (T), la señal de salida del sistema es Y (T), el ruido de fondo es N (T), Y (F) = H (F) X (F) + N (F) (1) donde , X (F), Y (F) y N (F) son la transformada de Fourier de la señal de entrada del sistema X (T), la señal de salida del sistema y (t) y el ruido de fondo N (t), respectivamente. Después del cálculo, el valor estimado de H (F) es ^ h (f) = gxy (f) gxx (f) (2) donde GXY (F) es el espectro de alimentación cruzada de la señal de entrada y la señal de salida del sistema. , y GXX (F) es el espectro de auto-potencia de la señal de entrada del sistema.

Además de los métodos de identificación del sistema de medición mencionados anteriormente, también se pueden usar técnicas de identificación de secuencia pseudoaleatorias. Método 2 Supongamos que la señal de entrada X (t) del sistema de medición es una secuencia pseudo-aleatoria (secuencia MLS), y la señal de salida del sistema es Y (T). Obviamente, Y (t) = x (t) * h (t) (3) donde, * significa convolución, H (t) es la función de respuesta de impulso de la unidad del sistema. Calcule la función de correlación entre la señal de entrada y la señal de salida del sistema, rxy = ∫x (τ) y (τ-t) dτ = h (t) * rxx (t) (4) donde Rxy es la correlación cruzada Entre la entrada y salida de la función del sistema, RXX es la función de autocorrelación de la señal de entrada. Debido a que la secuencia MLS tiene mejores características de autocorrelación, es decir, RXX (N) = Δ (N) -1L + 1. donde L = 2m-1 es la longitud de la secuencia, y M es el orden de la secuencia pseudo-aleatoria. Es fácil ver que el valor estimado de la función de respuesta de impulso de la unidad del sistema es ^ h (t) ≈ rxy (6) más transformada de Fourier puede obtener el valor estimado ^ H (f) de la función de transferencia del sistema del sistema de medición. Después de obtener ^ h (f), diseñe el filtro inverso H-1 (F) en el dominio de frecuencia como HPOST (F) = ^ H (F) | ^ H (f) | 2 + q (7) donde, q es un número normal, generalmente el 1% del valor máximo de | ^ H (f) | 2. Condición de simulación 1 El transductor de transmisión y el hidrófono se colocan en una piscina anequoica a la misma profundidad, la distancia entre los dos es 1 m, y la señal transmitida es una secuencia MLS de 16 orden. El método 1 y el método 2 se utilizan para identificar el sistema, respectivamente. Las proporciones son 10, 20 y 30 dB. Evalúe los pros y los contras de los resultados de la identificación de la función de transferencia de los dos métodos en diferentes índices de señal a ruido. En la simulación, la función de respuesta de impulso de la unidad del sistema se simula agregando pulsos gaussianos con frecuencias centrales de 1, 2, 4 y 8 kHz.

La Figura 3 muestra los resultados de identificación de la función de transferencia del sistema de medición en las condiciones anteriores. Puede verse a partir de la figura que los dos métodos de identificación del sistema descritos en este artículo pueden obtener efectivamente la función de transferencia del sistema de medición. Sin embargo, el Método 1 tiene ciertos requisitos en la relación señal-ruido. Cuando la relación de señal a ruido es mayor que 30 dB, el resultado de identificación es preciso. El resultado de identificación del sistema es mejor que el del método 1, y los resultados de identificación de alta precisión aún se pueden obtener bajo la condición de bajo Relación de señal a ruido. Esto se debe a que el ruido de fondo tiene una pequeña correlación con la señal de excitación de la fuente de sonido, por lo que este método tiene una cierta capacidad anti-ruido. El siguiente es un análisis de la efectividad del método de medición descrito en este artículo a través de la simulación y el cálculo numérico.

1.2 Procesamiento de datos de observación

1) Obtener datos de observación. El diagrama de Principio de Medición deSensor de transductor acústico submarino se muestra en la Figura 4. En la figura, RI es la ruta de sonido directa, y la distancia desde el vector hidrófono a la muestra es D, la ruta de sonido reflejada es RI + 2D, RE = RS + RR es la ruta de sonido difractada, RQ es la ruta de sonido reflejada en el límite de la piscina, PI es el sonido directo, PR es el sonido reflejado, PE es el sonido difractado en el borde de la muestra, PQ es un sonido de interferencia de múltiples vías.

Supongamos que el espectro de señal de excitación del transductor de transmisión es S (F), y la impedancia característica del medio se ignora. Sin pérdida de generalidad, la expresión de dominio de frecuencia de la señal recibida por la hidrófona del vector bidimensional es P (F) = S (F) · 1 + RS (F) e-jωτr + d (f) e-jωτe + rq ( f) e-jωτq htt (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) en la fórmula, RS (F) es el coeficiente de reflexión acústica de la muestra que depende de la frecuencia de la onda de sonido y el ángulo de incidente, D (F) es el coeficiente de difracción del borde de muestra, RQ (F) es el coeficiente de reflexión de los límites de la piscina, τR, τE y τq son los retrasos en el tiempo del sonido reflejado, el sonido de difracción de la muestra del borde de muestra y el sonido de reflexión de los límites de la piscina y el sonido directo, respectivamente. θi, θR, θe y θq son sonido directo, sonido reflejado, sonido de difracción de borde de muestra y sonido de reflexión de límite de la piscina, respectivamente, el ángulo de incidente de la onda de sonido, HPT (F), HVXT (F) y HVXT (F) representan respectivamente el Función de transferencia de cada canal de medición del sistema de medición.

2) La compensación de la función de transferencia del sistema de medición. Multiplique el filtro inverso diseñado con el espectro de frecuencia de los datos de observación de canales correspondientes para obtener la señal compensada. El espectro de frecuencia PPOST (F), VXPOST (F) y VYPOST (F) son 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) · pecado (θi) + rs (f) e-jωτrsin (θR) + d (f) e-jωτesin (θe) + rq (f) e-jωτqsin (θq)

Condición de simulación 2 Supongamos que la profundidad de la piscina es de 10 m, el transductor de lanzamiento, el vector hidrófono y la profundidad de agua H de la muestra a probar son 5 m. La distancia H desde el transductor de transmisión a la muestra es de 15 m, la distancia D desde el vector hidrófono a la muestra es de 10 cm, la señal de transmisión es una señal acústica de pulso de mantequilla, el ancho de banda de señal es de 500-10 kHz y el muestreo Frecuencia FS = 131 072 Hz y una relación señal-ruido de 30 dB. Tome el canal de presión de sonido como ejemplo para verificar la efectividad de la compensación de filtro post-inverso. En la simulación, la muestra a probar es una placa de aluminio con un espesor de 0,006 my un tamaño geométrico de 1 m × 1 m. El coeficiente de difracción del borde de la muestra se simula con un filtro de paso bajo.

La Figura 5 muestra el efecto de compensación del filtro post-inverso del canal de presión de sonido. La figura muestra que la forma de onda de la señal después de la compensación es más regular y suave, lo que suprime efectivamente la distorsión de la señal causada por la función de transferencia del sistema de medición y ayuda a eliminar la interferencia, como el sonido de difracción del borde.

3) Eliminar sonidos de interferencia. Calcule el retraso del tiempo del sonido reflejado, el sonido de difracción de la muestra y el sonido de reflexión de los límites de la piscina de acuerdo con los parámetros de implementación del sistema de medición, y realice la transformación inversa de Fourier de la ecuación (9) para obtener la señal de dominio de tiempo, luego agregue una ventana para interceptar lo útil Señal, y realice una transformación de hojas de Fourier, obtenemos 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) [pecado (θi) + RS (F) e-jωτrsin (θR)] donde PC (F), VXC (F) y VYC (F) son respectivamente el espectro de señal de cada canal. Separe el sonido directo y el sonido reflejado, y obtenga el coeficiente de reflexión del sonido de la muestra. Supongamos que la guía del vector de hidrófono es ψ, y la velocidad de partículas compuestas calculada VC es VC (F) = VXC (F) COS (ψ) + VYC (F) Sin (ψ) (11) Primero, señale el acimut guía a la Transmisor Sea ψ = 0, y realice el procesamiento de la junta (P + VC) 2, omitiendo el término común S (F) y obtenga la salida de procesamiento de juntas II como II = [PC (F) + VC (F)] 2ψ = 0 = 4 (12) apunte el azimut guía a la muestra nuevamente, es decir, deje que ψ = π y realice el procesamiento de la junta (P + VC) 2 para obtener la salida de procesamiento de la junta IR = [PC (F) + VC ( f)] 2ψ = π = 4 [R2S (F) E-2JΩτR]

2 Análisis de errores de medición

Condición de simulación 3 Los parámetros del sistema de medición permanecen sin cambios, la señal transmitida es una señal acústica pulsada de mantequilla, y el ancho de banda de la señal es de 500 ~ 10 kHz. Sin considerar el efecto de difracción del borde de la muestra y la influencia del sonido de reflexión en el límite de la piscina, se discute la relación señal-ruido. Cuando sea 20, 30 y 40 dB, el resultado de la medición cambia con frecuencia. Se muestran los resultados de la medición y las curvas de error relativas de medición en diferentes relaciones de señal a ruido. Puede verse a partir de la figura que el error relativo de medición atenúa con la oscilación de la frecuencia, y la banda de baja frecuencia se ve afectada considerablemente por la relación señal-ruido; Además, cuando la relación señal-ruido es de 20 dB, la tendencia de cambio del resultado de la medición es la misma que el valor teórico, pero el resultado de la medición tiene un error más grande; Baja el error de medición de la banda de frecuencia grande es porque el coeficiente de reflexión acústica es pequeño, y las pequeñas fluctuaciones pueden causar grandes errores relativos. En la prueba real, además de la relación señal-ruido, el error de colocación del sistema de medición también tendrá un impacto en los resultados de la medición. La siguiente simulación analiza el impacto del error de colocación del sistema de medición. Condición de simulación 4 Los parámetros del sistema de medición permanecen sin cambios, independientemente de la interferencia, como el ruido de fondo y la difracción del borde de la muestra. La distancia H de la fuente de sonido a la muestra es de 5, 10 y 15 m, respectivamente. Se discute cuando la distancia D desde el vector hidrófono a la muestra es 10 el resultado de la medición en% de error. Los resultados de la medición se administran cuando la distancia H desde el transductor del transmisor a la muestra es diferente, y la distancia D desde el vector hidrófono a la muestra tiene un error del 10%. La figura muestra que el resultado de la medición no es sensible al error de la distancia entre el vector hidrófono y la muestra; H Los resultados de la medición no son casi coincidentes al mismo tiempo. Se puede ver que en la prueba real, solo es necesario seleccionar la H apropiada según el tamaño geométrico del grupo de medición. Condición de simulación 5 Los parámetros del sistema de medición permanecen sin cambios, independientemente de la interferencia del ruido de fondo y la difracción del borde de la muestra. La distancia D desde el vector hidrófono a la muestra es de 5, 10 y 15 cm, respectivamente, y la distancia H desde el transductor de transmisión a la muestra es de 15 m, discuta los resultados de la medición cuando hay un error del 1% en la distancia. H En el transductor del transmisor a la muestra. Los resultados de la medición se administran cuando la distancia D desde el vector hidrófono a la muestra es diferente, y la distancia H desde el transductor de transmisión a la muestra tiene un error del 1%. Desde la figura, se puede ver que el resultado de la medición y el valor teórico tienen la misma tendencia con la frecuencia, y cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la frecuencia. El resultado es más preciso, y este método de medición no es sensible al error de la distancia entre el vector hidrófono y la muestra.

3 investigación experimental y procesamiento de datos.

El diagrama de bloques de composición de hardware del sistema de medición se muestra en la Figura 11. El sistema consiste en un extremo seco y un extremo mojado. El extremo seco se compone principalmente de generador de señales arbitrarias, amplificador de potencia, circuito de acondicionamiento de hidrófono vectorial y colector de señales, etc., que se utilizan para la generación de señales, la transmisión y la adquisición. El extremo húmedo se compone principalmente de un transductor de transmisión, un hidrófono vector bidimensional de baja frecuencia y una muestra para medir la muestra. El extremo húmedo se coloca en una piscina anequóica con un tamaño geométrico de 25 m × 15 m × 10 m, y el centro de sonido se encuentra a 5 m bajo el agua. La piscina está amortiguada en seis lados, y el límite inferior de la absorción de sonido es de 2 kHz. La muestra a probar es una placa de aluminio con un tamaño geométrico de 1 m × 1m × 0.006 m. El transductor del transmisor se suspende en el borde del vehículo sobre la piscina, y la distancia H de la muestra es de 4,95 m. La muestra se fija en el dispositivo de elevación y giro, y la muestra se puede girar en un ángulo durante la medición y se mueve suavemente en tres dimensiones. El vector hidrófono se coloca en el extremo frontal de la muestra, y la distancia D desde la superficie de la muestra es de 5,5 cm. El transductor de transmisión es una fuente de sonido cilíndrica, y la Figura 12 muestra su curva de respuesta de voltaje de transmisión.

Se puede ver en la Fig. 12 que el transductor de transmisión tiene una capacidad de radiación deficiente por debajo de 2.5 kHz. La banda eficaz de frecuencia de trabajo del hidrófono vector bidimensional de baja frecuencia es de 1 ~ 12 kHz. Durante la implementación, el vectores vy canal apunta a la muestra a probar, y los puntos VX se apuntan a la pared de la piscina. Primero transmite la secuencia pseudo-aleatoria de 16 orden para identificar y medir.

Figura 12 Curva de respuesta de voltaje de transmisión del transductor de transmisión

Función de transferencia del sistema y filtro inverso de diseño. La Figura 13 muestra los resultados de identificación de la función de transferencia del sistema de medición. En la figura, HP (F), HVX (F) y HVY (F) son los valores medidos de la función de transferencia del canal de presión de sonido, vector VX canal y canal VY del sistema de medición respectivamente; HPINV (F), HVxinv (F) y hvyinv (F) son la función de transferencia de filtro inversa diseñada respectivamente.

Se puede ver en la Figura 13 que el resultado de identificación de la función de transferencia de canales VX VX no es válida. Esto se debe a que en la situación de despliegue anterior, el \"PIT \" del vector Hydrofone VX canal se enfrenta a la fuente de sonido, y la señal recibida por este canal es solo la piscina. La pared refleja la señal acústica, por lo que el resultado de identificación del sistema es inexacto. Mantenga la posición espacial y la orientación del transductor de transmisión y elTransductor de hidrófono vectorialSin cambios, coloque la muestra y transmite la señal acústica pulsada de Butterworth con un ancho de banda de 500 a 12.5 kHz. La Figura 14 muestra los datos originales y las formas de onda de la señal modificada recibidas por cada canal del vector hidrófono. Se puede ver en la Figura 14 que la forma de onda del dominio de tiempo de la señal después de la corrección de filtro inversa se vuelve regular y la energía está más concentrada. Luego calcule el retraso de tiempo del sonido directo y el sonido de difracción de sonido reflejado del borde de muestra de acuerdo con los parámetros de diseño espacial del sistema de medición, y agregue Windows para interceptar los datos útiles y calcule el coeficiente de reflexión de sonido normal de la muestra como Se muestra en la Figura 15.

La Figura 15 muestra los resultados de la medición antes y después de la compensación. Se puede ver que el resultado de la medición de la función de transferencia del sistema de medición no compensado tiene un error de gran error y es casi inválido. La precisión de medición se mejora considerablemente después del procesamiento de filtros post-inverso. Cuando la frecuencia es mayor que 2.5kHz, el error de medición después de la corrección de filtro post-inverso es pequeña, y el resultado de la medición inferior a 2.5kHz tiene un error de gran error. La razón es que la capacidad de transmisión de baja frecuencia del transductor de transmisión es limitado, y los componentes de baja frecuencia de la señal se sumergen en el ruido de fondo, por lo que el resultado de la medición es deficiente.

4. Conclusión

Este documento propone un método para medir el coeficiente de reflexión acústica normal de los materiales acústicos submarinos basados ​​en un solo vector hidrófono. Este método se pulsará. La combinación de tecnología de emisión de impulso, tecnología de procesamiento de señales de vector y tecnología de filtro post-inverso, a través de la tecnología de filtro post-inverso para recibir el vector hidrófono.

Los datos se compensan, la distorsión de la señal causada por la función de transferencia del sistema de medición se suprime y el sonido de difracción del borde y el múltiplo de la muestra se eliminan en el momento del dominio. La interferencia de signo mejora la precisión de la medición. El principio de medición se deduce teóricamente, la influencia del error del sistema de medición se estudia a través del cálculo y la simulación numéricos, y se lleva a cabo la investigación experimental. Los resultados numéricos de cálculo y simulación muestran que el método de medición descrito en este artículo tiene ciertos requisitos para la relación señal-ruido; Implementación inexacta e insensible del sistema. Los resultados experimentales muestran que el método descrito en este documento puede realizar efectivamente la medición de gran escala de campo libre del coeficiente de reflexión acústica normal de los materiales acústicos subacuáticos, pero debido a la limitación de la capacidad de radiación de baja frecuencia del transductor de transmisión, El error de medición de baja frecuencia es relativamente grande.