Méthode de mesure du coefficient de réflexion acoustique des matériaux acoustiques sous-marins avec hydrophone à vecteur unique

Il est bjectif d'étudier les changements de forme et de position géométrique de la plage focale acoustique du concavetransducteur à ultrasons sphériquesLorsque l'intensité sonore est élevée et que le médium a une grande atténuation. Du point de vue de l'acoustique physique, les effets de la non-linéarité et de l'atténuation des médias causés par une intensité sonore élevée sur la plage focale du son sont analysées, et l'algorithme de superposition linéaire de l'intégrale est utilisé pour effectuer des calculs de simulation numérique. L'analyse théorique et le calcul numérique montrent qu'avec l'augmentation de l'intensité sonore et de l'atténuation moyenne, la position géométrique de la zone focale acoustique a une avance au niveau millimètre le long de l'axe acoustique dans le sens du transducteur; Dans le même temps, la zone focale acoustique de la forme est progressivement passée d'un ellipsoïde long symétrique à un ellipsoïde court avec une tête "graisse et une queue mince ".

Une intensité sonore élevée et une atténuation moyenne ont une influence importante sur la position et la forme de la région focale sonore du transducteur sphérique concave. Une pleine considération doit être accordée au positionnement précis et au contrôle de la dose de l'équipement HIFU, de la formulation des normes d'inspection et même de l'application clinique.

Mon pays a fait des percées remarquables dans le développement et l'application clinique de l'échographie focalisée à haute intensité (équipement échographique focalisé à haute intensité (HIFU)). Cependant, pour vraiment obtenir un contrôle précis du positionnement et de la dose de traitement sur l'équipement, afin que le traitement clinique puisse atteindre l'effet idéal de la mort efficace de la lésion sans endommager les tissus normaux environnants, il y a encore de nombreux problèmes théoriques et techniques qui doivent être étudiés et résolu en profondeur. Des études expérimentales domestiques et étrangères sur la formation des dommages de la HIFU dans les tissus biologiques ont montré qu'avec l'augmentation de l'intensité sonore, la position de la zone focale se déplace et passe progressivement d'un long ellipsoïde à une forme de tadpole " "Cone Shape ". Bien que ces dernières années, la littérature étrangère a fait quelques explications qualitatives pour le phénomène ci-dessus en résolvant numériquement l'équation de propagation des ondes acoustiques non linéaire (équation KZK), mais la procédure de calcul est compliquée et la relation physique dans le processus de calcul n'est pas claire. Pour cette raison, cet article prend l'exemple du transducteur de focalisation sphérique concave et discute du problème en étudiant l'influence de l'atténuation moyenne et des caractéristiques de propagation non linéaire sous une intensité sonore élevée sur la plage focale sonore.

Dans nos travaux précédents, sur la base de l'intégrale de la diffraction de Kirchhoff, nous avons dérivé l'expression de la pression sonore à tout moment du champ sonore à une seule fréquence sous la condition d'un champ sonore linéaire avec un transducteur de focalisation sphérique concave avec un rayonnement uniforme sur le Surface (également appelée pour les points Rayleigh).

De l'analyse de la théorie de l'acoustique non linéaire, lorsque la pression acoustique de l'onde sinusoïdale à une seule fréquence rayonnée de la surface du transducteur dans le milieu est suffisamment grande, elle est appelée une "onde d'amplitude finie ", qui propage une certaine distance dans le milieu (appelé la distance discontinue). ), la forme d'onde sera déformée en une onde en dents de scie, qui peut également être considérée comme une onde de choc. En plus de la fréquence fondamentale de l'émission d'origine, le spectre de fréquence de cette onde comprend également une série d'harmoniques plus élevées. Ils sont progressivement générés en absorbant en continu l'énergie à partir de l'onde fondamentale lors de la propagation des ondes sonores, c'est-à-dire les harmoniques tissulaires en médecine à ultrasons. Le coefficient d'amplitude peut être utilisé pour décrire la propagation des harmoniques d'ordre élevé avec la distance de propagation et la relation des changements d'énergie pendant la propagation.

L'onde en dents de scie forme une distance, c'est donc une quantité sans dimension reflétant la distance de propagation. Sur cette base, nous avons calculé la courbe du coefficient d'amplitude de l'onde fondamentale et les 3 premières harmoniques. Lorsque l'onde sonore se propage dans le milieu, la pression acoustique se désintègre de façon exponentielle avec la distance, qui peut être exprimée sous une forme. Pour les tissus mous généraux, le coefficient d'atténuation T M est à peu près proportionnel à la fréquence. Afin de simplifier le calcul, cet article exprime le coefficient d'atténuation de chaque composant harmonique comme lorsque α est le système d'atténuation sonore de l'onde sonore de fréquence fondamentale dans les tissus biologiques par unité de distance.

Il doit inclure l'absorption saine et la diffusion du tissu. Après avoir considéré les deux facteurs ci-dessus (non-linéarité et atténuation), l'expression de la pression sonore dans le champ sonore ciblé peut être étendue à la forme suivante: est le nombre d'ondes de chaque harmonique. Cette formule est ce que nous appelons l'algorithme de superposition linéaire de Rayleigh Integral.

Résultat:

1 L'influence de l'atténuation moyenne sur la plage focale du son. En supposant que le milieu est des tissus mous généraux, son coefficient d'atténuation α se trouve dans la plage de ragoût de 01-30 dB (cm · mz). La vitesse du son, la densité et d'autres paramètres du médium sont prises en fonction de la littérature pertinente. Afin d'étudier le coefficient d'atténuation en tant que facteur d'influence unique, une seule fréquence, à savoir la fréquence fondamentale, doit être calculée et analysée pour la loi de changement du domaine de mise au point sonore avec différentes valeurs α. Pour cette raison, dans la formule, une série de calculs numériques a été effectuée en prenant M = 1. Les résultats montrent qu'avec l'augmentation de l'atténuation, c'est-à-dire lorsque α = 0,3, 13 et 23 dB (cm · MHz), la forme de la région focale acoustique -6 dB passe progressivement d'un long ellipsoïde à un ellipsoïde court, et sa axe long et axe court.

2. Ils sont respectivement de 111, 104 et 92. Position de la zone focale (position sur l'axe acoustique), les deux derniers sont respectivement de 30 mm et 65 mm devant les premiers le long de l'axe acoustique du transducteur. Dans le même temps, la tête de la zone focale (l'extrémité proche du transducteur) est plus "fat " que sa queue (l'extrémité loin du transducteur).

2 L'effet de la non-linéarité causé par une intensité sonore élevée sur la plage de focus sonore est la même, la pression sonore du rayonnement de surface est considérée comme un seul facteur, et ses valeurs sont respectivement de 44, 73, 4 MPa, et α = 3db (ragoût (ragoût cm · MHz). Étant donné que l'atténuation du milieu augmente rapidement avec l'augmentation de la fréquence harmonique, le nombre d'harmoniques n'a pas besoin d'être trop. Les résultats du calcul montrent que: à mesure que la pression sonore du rayonnement de surface augmente, la position et la forme de la zone focale changent contrairement au moment du coefficient d'atténuation, il est si grand, mais sa loi changeante est similaire. C'est-à-dire que les positions des deux dernières zones focales sont avancées respectivement de 16 mm et 21 mm; Le rapport de l'axe long et court de la zone focale 6 dB est respectivement de 119, 116 et 113, et la tête de la zone focale a également tendance à devenir "fat ".

3 L'effet combiné de l'atténuation et de la non-linéarité sur la plage focale du son.

Les deux facteurs ci-dessus sont incorporés simultanément dans la formule (3) pour le calcul. La figure 3 (a) et la figure 3 (b) montrent respectivement que le ragoût α = 3DB (cm · MHz), P ′ 0 = 44MPA et α = 2,3 dB (cm · MHz), p′0 = 44MPA

Lorsque l'on considère l'atténuation et les effets non linéaires en même temps, le contour de la ligne de pression ISO-Sound dans la zone focale est le résultat du calcul de la figure. Par rapport aux deux, la position de la zone focale a progressé de 8,4 mm, et le rapport des axes majeurs et mineurs de la zone focale est passé de 11,9 à 8,5. Il montre que la tendance du changement de la zone focale causée par le coefficient d'atténuation et la non-linéarité est la même, donc l'effet global est renforcé.

en conclusion

L'analyse théorique et les résultats de calcul dans cet article montrent que: une intensité sonore élevée et une atténuation moyenne ont une influence importante sur la forme et la position de la zone focale du son; Plus le coefficient d'atténuation du milieu est élevé, plus l'intensité sonore est élevée (c'est-à-dire, plus la non-linéarité est forte, et plus la mise au point, plus le champ est proche du transducteur; Le rapport des axes longs et courts du champ focal devient également plus petit, c'est-à-dire que sa forme passe progressivement d'un ellipsoïde long à un ellipsoïde court, et la tête de la zone de mise au point sonore devient "fat " que la queue. Phénomène, la forme a tendance à être "carrot ". Les conclusions ci-dessus fournissent une base pour analyser quantitativement la loi de changement du domaine de mise au point sonore du champ sonore HIFU, et étudier plus loin la relation entre la zone de mise au point sonore et la zone de dégâts.

Grande méthode de mesure de l'échantillon de coefficient de réflexion acoustique deMatériaux acoustiques sous-marinsavec hydrophone vectoriel unique

Afin de réaliser la mesure à large bande en champ libre du coefficient de réflexion acoustique normal des matériaux acoustiques sous-marins, un hydrophone vectoriel unique est utilisé comme équipement central du système de mesure, combiné avec une technologie d'émission acoustique d'impulsion et une technologie de traitement du signal de filtre post-inverse , un hydrophone vectoriel unique basé sur un hydrophone à vecteur unique est proposé. La méthode de mesure à large bande en champ libre du coefficient de réflexion acoustique normal du matériau acoustique sous-marin du matériau acoustique sous-marin, à travers la technologie de rotation électronique hydrophone vectorielle pour réaliser la séparation efficace du son direct et du son réfléchi. L'influence de l'erreur du système de mesure et du rapport signal / bruit du signal reçu sur le résultat de mesure est discutée. Cette méthode a certaines exigences pour le rapport signal / bruit, mais elle n'est pas sensible à l'erreur du système de mesure. Les résultats des tests expérimentaux montrent que: par rapport aux résultats des tests expérimentaux sans traitement post-inverse, la méthode décrite dans l'article améliore considérablement les performances de mesure, mais limitées par la capacité d'émission à basse fréquence du transducteur transmissible, les résultats expérimentaux sont Au-dessus de 2,5 kHz et les valeurs théoriques sont en bon accord.

Le coefficient de réflexion acoustique est un paramètre important qui caractérise les performances acoustiques des matériaux acoustiques sous-marins. À l'heure actuelle, les méthodes de mesure du coefficient de réflexion acoustique des matériaux acoustiques sous-marines peuvent être à peu près divisées en la méthode du tube acoustique de laboratoire de petit échantillon et la méthode de mesure du champ libre de grand échantillon. La mesure du champ sans échantillon de grand échantillon est généralement effectuée dans une grande piscine anéchoïque. En posant des matériaux de silence sur la limite de la piscine pour absorber le son réfléchi de la limite de la piscine, le signal reçu par l'hydrophone n'est que le son direct et le son réfléchi de l'échantillon. Cependant, en raison de la limitation de la limite inférieure du pool anéchoïque, l'effet de trajets multiples à basse fréquence est évident; De plus, la méthode de mesure du champ libre est principalement interférée par l'effet de diffraction des bords de l'échantillon, et cette interférence est particulièrement grave dans la bande à basse fréquence. Afin de résoudre les problèmes ci-dessus, la technologie des tests sonores d'impulsion est largement utilisée dans la mesure des paramètres acoustiques des matériaux acoustiques sous-marins. C'est sa technologie clé pour transmettre des signaux acoustiques pulsés avec des formes d'onde contrôlables et sans distorsion. Cependant, la fonction de transfert du transducteur d'émission limite la fréquence inférieure de la technologie des tests sonores impulsionnels dans un espace de mesure limité. Pour cette raison, une variété de méthodes de compensation ont été proposées, telles que la méthode de superposition d'impulsions à large bande proposée par Li Shui et al. Cette méthode utilise la technologie de filtrage inverse pour prétraiter le signal d'excitation du transducteur de transmission pour compenser la fonction de transmission du transducteur de transmission, de sorte que le signal est rayonné par le transducteur transmis .

Différente de la méthode ci-dessus, la technologie de filtrage \"post-inverse \" traite le signal à l'extrémité de réception de l'hydrophone pour atteindre le but de compenser la réponse en fréquence du transducteur transmissible. La technologie de filtre \ post-inverse \"est adoptée dans le tube acoustique pour atteindre la mesure à large bande du coefficient d'absorption du son deMatériaux acoustiques sous-marins. Cette méthode obtient d'abord la fonction de transfert du système de mesure, puis compense le signal d'observation et obtient enfin le coefficient de réflexion acoustique de l'échantillon en divisant le spectre d'amplitude du signal d'observation compensé avec le spectre d'amplitude du signal de réflexion d'échantillon standard et calcule davantage le spectre d'absorption d'absorption Coefficient sonore. Ces dernières années, les capteurs vectoriels ont été appliqués avec succès à la mesure des paramètres acoustiques des matériaux aéroacoustiques, tels que la méthode d'impédance de surface et la méthode d'intensité sonore. L'hydrophone vectoriel peut ramasser les informations de champ sonore de manière synchrone et au même point, qui étend l'espace de traitement post-signal, et le traitement conjoint de la pression saine et des signaux de vitesse de vibration peut former une certaine directivité spatiale, ce qui peut interférer avec la diffraction son du bord de l'échantillon. À un certain degré de suppression, il n'est pas nécessaire d'utiliser un tableau de réception de pression sonore important conventionnel, ce qui réduit la complexité du système de mesure. Dans le même temps, la direction maximale principale de sortie du traitement combiné de la pression saine et de la vitesse de vibration de l'hydrophone vectoriel peut être dirigée vers une direction prédéterminée par la technologie de rotation électronique, ce qui facilite le pelage efficace du son direct et du son réfléchi. De plus, l'hydrophone vectoriel présente également les avantages d'une bonne directivité à basse fréquence et d'une résistance au bruit isotrope. Par conséquent, par rapport à l'hydrophone de pression acoustique traditionnelle, l'utilisation d'un hydrophone vectoriel pour tester le coefficient de réflexion sonore d'un matériau présente certains avantages. Cet article présente une méthode de mesure à large bande pour le coefficient de réflexion acoustique normal des matériaux acoustiques sous-marins avec un grand échantillon de champ libre. Cette méthode utilise un hydrophone vectoriel unique comme équipement central du système de mesure, combine une technologie d'émission acoustique pulsée et une technologie de filtrage post-inverse pour supprimer la distorsion de la forme d'onde du signal, élimine le son de diffraction des bords de l'échantillon et le son d'interférence multi-chemin dans le domaine temporel, et Ensuite, la technologie de rotation électronique de l'hydrophone vectoriel réalise que la séparation efficace du son direct et du son réfléchi, et enfin le coefficient de réflexion du son normal de l'échantillon sont obtenus en divisant les deux.

1 processus de mesure

Afin d'expliquer le principe de mesure de cette méthode, tout en expliquant le processus de mesure, les résultats de dérivation et de simulation de formule associés sont donnés.

1.1 L'identification de la fonction de transfert et la conception du filtre inverse du système de mesure avant de tester l'échantillon, la fonction de transfert du système de mesure doit être obtenue en premier. Différent de l'hydrophone de pression acoustique traditionnelle, l'hydrophone vectoriel comprend un canal de pression acoustique et un canal de vitesse de vibration, de sorte que la fonction de transfert de chaque canal de mesure de l'hydrophone vectoriel doit être obtenue en même temps. Pendant la mesure, le signal d'impulsion idéal est rayonné dans le milieu d'eau à travers le transducteur de transmission, puis transmis au point de réception à travers le canal hydroacoustique, et finalement reçu par l'hydrophone vecteur et collecté par le collecteur. Par conséquent, le système de mesure peut être divisé en trois parties, à savoir le système de transmission du signal, le canal acoustique sous-marin et le système de réception du signal. Prenant l'exemple du canal de pression acoustique, le modèle de signal reçu est illustré à la figure 1.

Sur la figure 1, S (f) est le spectre du signal transmis, t (f), HP (f) et r (f) sont les fonctions de transfert du système de transmission, le canal hydroacoustique et le système de réception du signal de pression acoustique, respectivement, et n (f) est le spectre de bruit de fond, y (f) est le spectre de signal de sortie du système de mesure. La technique de filtrage post-inverse consiste à concevoir un filtre inverse pour compenser T (f) et R (f) lorsque la fonction de transfert du système de mesure est connue. Prenez le canal de pression acoustique à titre d'exemple pour illustrer le principe de base de l'identification de la fonction de transfert du système de mesure. Méthode 1 Considérons le système de transmission du signal et le système de réception du signal dans son ensemble, c'est-à-dire H (f) = T (F) + R (F). Le signal d'entrée est x (t), le signal de sortie du système est y (t), le bruit de fond est n (t), y (f) = h (f) x (f) + n (f) (1) où , X (f), y (f) et n (f) sont la transformée de Fourier du signal d'entrée du système x (t), le signal de sortie du système y (t) et le bruit de fond n (t), respectivement. Après calcul, la valeur estimée de H (f) est ^ h (f) = gxy (f) gxx (f) (2) où gxy (f) est le spectre de puissance du signal d'entrée et le signal de sortie du système et gxx (f) est le spectre d'auto-puissance du signal d'entrée du système.

En plus des méthodes d'identification du système de mesure susmentionnées, des techniques d'identification de séquence pseudo-aléatoire peuvent également être utilisées. Méthode 2 Supposons que le signal d'entrée x (t) du système de mesure est une séquence pseudo-aléatoire (séquence MLS), et le signal de sortie du système est y (t). De toute évidence, y (t) = x (t) * h (t) (3) où, * signifie convolution, h (t) est la fonction de réponse à l'impulsion unitaire du système. Calculez la fonction de corrélation entre le signal d'entrée et le signal de sortie du système, rxy = ∫x (τ) y (τ-t) dτ = h (t) * rxx (t) (4) où rxy est la corrélation croisée Entre l'entrée et la sortie de la fonction système, RXX est la fonction d'autocorrélation du signal d'entrée. Parce que la séquence MLS a de meilleures caractéristiques d'autocorrélation, c'est-à-dire Rxx (n) = δ (n) -1l + 1. où l = 2m-1 est la longueur de séquence, et m est l'ordre de la séquence pseudo-aléatoire. Il est facile de voir que la valeur estimée de la fonction de réponse à l'impulsion d'unité système ^ h (t) est ^ h (t) ≈ rxy (6) Une transformée de Fourier peut obtenir la valeur estimée ^ h (f) de la fonction de transfert système du système de mesure. Après avoir obtenu ^ h (f), concevez le filtre inverse H-1 (f) dans le domaine de fréquence comme hpost (f) = ^ h (f) | ^ H (f) | 2 + q (7) où, q est un nombre normal, généralement 1% de la valeur maximale de | ^ H (f) | 2. Condition de simulation 1 Le transducteur de transmission et l'hydrophone sont placés dans une piscine anéchoïque à une profondeur égale, la distance entre les deux est de 1 m, et le signal transmis est une séquence MLS de 16 ordres. Les méthodes 1 et la méthode 2 sont utilisées pour identifier le système, respectivement. Les rapports sont de 10, 20 et 30 dB. Évaluez les avantages et les inconvénients des résultats d'identification des fonctions de transfert des deux méthodes à différents rapports signal / bruit. Dans la simulation, la fonction de réponse à l'impulsion unitaire du système est simulée en ajoutant des impulsions gaussiennes avec des fréquences centrales de 1, 2, 4 et 8 kHz.

La figure 3 montre les résultats d'identification de la fonction de transfert du système de mesure dans les conditions ci-dessus. On peut voir à partir de la figure que les deux méthodes d'identification du système décrites dans cet article peuvent obtenir efficacement la fonction de transfert du système de mesure. Cependant, la méthode 1 a certaines exigences sur le rapport signal / bruit. Lorsque le rapport signal / bruit est supérieur à 30 dB, le résultat d'identification est précis. Le résultat de l'identification du système de la méthode 2 est meilleur que celui de la méthode 1, et les résultats d'identification à haute précision peuvent toujours être obtenus à la condition de faible rapport signal sur bruit. En effet, le bruit de fond a une petite corrélation avec le signal d'excitation de la source sonore, donc cette méthode a une certaine capacité anti-bruit. Ce qui suit est une analyse de l'efficacité de la méthode de mesure décrite dans cet article par simulation et calcul numérique.

1.2 Traitement des données d'observation

1) obtenir des données d'observation. Le diagramme de principe de mesure decapteur de transducteur acoustique sous-marin est illustré à la figure 4. Dans la figure, Ri est le chemin sonore direct, et la distance de l'hydrophone vectoriel à l'échantillon est D, le chemin sonore réfléchi est RI + 2D, RE = RS + RR est le chemin sonore diffracté, RQ est le chemin sonore réfléchi à la limite de la piscine, Pi est le son direct, PR est le son réfléchi, PE est le son diffracté au bord de l'échantillon, pq c'est un son d'interférence multi-voies.

Supposons que le spectre du signal d'excitation du transducteur de transmission soit s (f), et l'impédance caractéristique du milieu est ignorée. Sans perte de généralité, l'expression du domaine fréquentiel du signal reçu par l'hydrophone vecteur bidimensionnel est p (f) = s (f) · 1 + rs (f) e－jωτr + d (f) e－jωτe + rq ( f) e－jωτq hpt (f) vx (f) = s (f) · cos (θi) + rs (f) e－jωτrcos (θr) + d (f) e－jωτecos (θe) + rq (f) e－jωτqcos (θq) hvxt (f) vy (f) = s (f) · sin (θi) + rs (f) e－jωτrsin (θr) + d (f) e－jωτesin (θe) + rq (f) ) e－jωτqsin (θq) Hvyt (f) (8) Dans la formule, Rs (f) est le coefficient de réflexion acoustique de l'échantillon qui dépend de la fréquence des ondes sonores et de l'angle incident, d (f) est le coefficient de diffraction du bord de l'échantillon, RQ (f) est le coefficient de réflexion de la limite de la piscine, τr, τe et τq sont les retards du son réfléchi, le son de diffraction des bords d'échantillonnage et le son de réflexion limite du pool et le son direct, respectivement. θi, θr, θe et θq sont le son direct, le son réfléchi, le son de diffraction du bord de l'échantillon et le son de réflexion des limites de la piscine, respectivement l'angle incident de l'onde son Fonction de transfert de chaque canal de mesure du système de mesure.

2) La rémunération de la fonction de transfert du système de mesure. Multipliez le filtre inverse conçu avec le spectre de fréquence des données d'observation de canal correspondantes pour obtenir le signal compensé. + 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)

Condition de simulation 2 Supposons que la profondeur de la piscine soit de 10 m, le transducteur de lancement, l'hydrophone vectoriel et la profondeur de l'eau de l'échantillon à tester sont de 5 m. La distance h du transducteur de transmission à l'échantillon est de 15 m, la distance d de l'hydrophone vectoriel à l'échantillon est de 10 cm, le signal de transmission est un signal acoustique d'impulsion au beurre Fréquence FS = 131 072 Hz et un rapport signal / bruit de 30 dB. Prenez le canal de pression acoustique à titre d'exemple pour vérifier l'efficacité de la compensation du filtre post-inverse. Dans la simulation, l'échantillon à tester est une plaque en aluminium avec une épaisseur de 0,006 m et une taille géométrique de 1 m × 1 m. Le coefficient de diffraction du bord de l'échantillon est simulé avec un filtre passe-bas.

La figure 5 montre l'effet de compensation du filtre post-inverse du canal de pression sonore. La figure montre que la forme d'onde du signal après compensation est plus régulière et lisse, ce qui supprime efficacement la distorsion du signal causée par la fonction de transfert du système de mesure et aide à éliminer les interférences telles que le son de diffraction des bords.

3) Éliminer les sons d'interférence. Calculez le délai du son réfléchi, le son de diffraction des échantillons et le son de réflexion des limites du pool en fonction des paramètres de déploiement du système de mesure, et effectuez une transformée de Fourier inverse de l'équation (9) pour obtenir le signal du domaine temporel, puis ajoutez une fenêtre pour intercepter l'utile Signal, et effectuez une transformation des feuilles de Fourier, nous obtenons 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)] où pc (f), vxc (f) et vyc (f) sont respectivement le spectre de signal de chaque canal. Séparez le son direct et le son réfléchi et obtenez le coefficient de réflexion du son de l'échantillon. Supposons que l'azimut de guidage de l'hydrophone vectoriel soit ψ, et la vitesse composite calculée de la particule VC est VC (f) = vxc (f) cos (ψ) + vyc (f) sin (ψ) (11) d'abord, pointez l'azimut de guidage vers le émetteur Soit ψ = 0, et effectuer (P + VC) 2 Traitement conjoint, omettant le terme commun S (f), et obtenir la sortie de traitement conjoint II comme ii = [pc (f) + vc (f)] 2ψ = 0 = 4 (12) Poignent à nouveau l'azimut de guidage vers l'échantillon, c'est-à-dire que ψ = π, et effectuez le traitement conjoint de (P + VC) 2 pour obtenir la sortie de traitement conjoint IR = [PC (F) + VC ( f)] 2ψ = π = 4 ［r2s (f) e－2jωτr］

2 Analyse des erreurs de mesure

Condition de simulation 3 Les paramètres du système de mesure restent inchangés, le signal transmis est un signal acoustique pulsé Butterworth et la bande passante du signal est de 500 à 10 kHz. Sans considérer l'effet de diffraction du bord de l'échantillon et l'influence du son de réflexion à la limite de la piscine, le rapport signal / bruit est discuté. Lorsqu'il est de 20, 30 et 40 dB, le résultat de mesure change avec la fréquence. Les résultats de mesure et les courbes d'erreur relatives de mesure sous différents rapports signal  bruit sont indiqués. On peut voir à partir de la figure que l'erreur relative de mesure s'atteint avec l'oscillation de fréquence, et la bande de faible fréquence est grandement affectée par le rapport signal  bruit; De plus, lorsque le rapport signal  bruit est de 20 dB, la tendance de changement du résultat de la mesure est la même que la valeur théorique, mais le résultat de mesure a une erreur plus importante; Low, l'erreur de mesure de la bande de fréquences importante est due au coefficient de réflexion acoustique, et de petites fluctuations peuvent provoquer de grandes erreurs relatives. Dans le test réel, en plus du rapport signal / bruit, l'erreur de placement du système de mesure aura également un impact sur les résultats de mesure. La simulation suivante analyse l'impact de l'erreur de placement du système de mesure. Condition de simulation 4 Les paramètres du système de mesure restent inchangés, indépendamment des interférences telles que le bruit de fond et la diffraction du bord de l'échantillon. La distance H de la source sonore à l'échantillon est respectivement de 5, 10 et 15 m. Il est discuté lorsque la distance d de l'hydrophone vectoriel à l'échantillon est 10 le résultat de mesure à% d'erreur. Les résultats de mesure sont donnés lorsque la distance h du transducteur de l'émetteur à l'échantillon est différente, et la distance d de l'hydrophone vectoriel à l'échantillon a une erreur de 10%. La figure montre que le résultat de mesure n'est pas sensible à l'erreur de la distance entre l'hydrophone vectoriel et l'échantillon; H Les résultats de mesure ne sont pas presque coïncidents en même temps. On peut voir que dans le test réel, il est nécessaire de sélectionner le H approprié en fonction de la taille géométrique du pool de mesure. Condition de simulation 5 Les paramètres du système de mesure restent inchangés, quelle que soit l'interférence du bruit de fond et la diffraction du bord de l'échantillon. La distance d de l'hydrophone vectoriel à l'échantillon est respectivement de 5, 10 et 15 cm, et la distance h du transducteur de transmission à l'échantillon est de 15 m, discutez des résultats de mesure lorsqu'il y a une erreur de 1% dans la distance H du transducteur de l'émetteur à l'échantillon. Les résultats de mesure sont donnés lorsque la distance d de l'hydrophone vectoriel à l'échantillon est différente, et la distance h du transducteur de transmission à l'échantillon a une erreur de 1%. D'après la figure, on peut voir que le résultat de mesure et la valeur théorique ont la même tendance avec la fréquence et plus la fréquence est élevée, plus la fréquence est élevée. Le résultat est plus précis, et cette méthode de mesure n'est pas sensible à l'erreur de la distance entre l'hydrophone vectoriel et l'échantillon.

3 Recherche expérimentale et traitement des données

Le diagramme du bloc de composition matérielle du système de mesure est illustré à la figure 11. Le système se compose d'une extrémité sèche et d'une extrémité humide. L'extrémité sèche est principalement composée d'un générateur de signal arbitraire, d'un amplificateur de puissance, d'un circuit de conditionnement d'hydrophone vecteur et d'un collecteur de signaux, etc., qui sont utilisés pour la génération de signaux, la transmission et l'acquisition. L'extrémité humide est principalement composée d'un transducteur transmissible, d'un hydrophone à vecteur bidimensionnel à basse fréquence et d'un échantillon pour mesurer l'échantillon. L'extrémité humide est placée dans une piscine anéchoïque avec une taille géométrique de 25 m × 15 m × 10 m, et le centre sonore est situé à 5 m sous l'eau. La piscine est étouffée sur six côtés et la limite inférieure de l'absorption du son est de 2 kHz. L'échantillon à tester est une plaque en aluminium avec une taille géométrique de 1 m × 1 m × 0,006 m. Le transducteur de l'émetteur est suspendu sur le bord du véhicule au-dessus de la piscine, et la distance H de l'échantillon est de 4,95 m. L'échantillon est fixé sur le dispositif de levage et de rotation, et l'échantillon peut être tourné à un angle pendant la mesure et déplacé en douceur en trois dimensions. L'hydrophone vectoriel est placé à l'extrémité avant de l'échantillon et la distance d de la surface de l'échantillon est de 5,5 cm. Le transducteur transmissible est une source sonore cylindrique, et la figure 12 montre sa courbe de réponse de tension de transmission.

On peut voir sur la figure 12 que le transducteur transmissible a une mauvaise capacité de rayonnement inférieure à 2,5 kHz. La bande de fréquence de travail efficace de l'hydrophone vectoriel bidimensionnel à basse fréquence est de 1 ~ 12 kHz. Pendant le déploiement, le canal VY VY pointe vers l'échantillon à tester, et VX pointe vers le mur de la piscine. Transmettez d'abord la séquence pseudo-aléatoire à 16 ordres pour identifier et mesurer.

Figure 12 Courbe de réponse de tension de transmission du transducteur d'émission

Fonction de transfert du système et concevoir un filtre inverse. La figure 13 montre les résultats d'identification des fonctions de transfert du système de mesure. Sur la figure, HP (F), Hvx (F) et Hvy (F) sont les valeurs mesurées de la fonction de transfert du canal de pression sonore, du canal VX vectoriel et du canal VY du système de mesure respectivement; HPINV (F), Hvxinv (F) et HvyInv (F) sont respectivement la fonction de transfert de filtre inverse conçue.

On peut voir sur la figure 13 que le résultat de l'identification de la fonction de transfert de canal VX vectoriel n'est pas valide. En effet, dans la situation de déploiement ci-dessus, le "Pit " du canal VX VECTOR VX est confronté à la source sonore, et le signal reçu par ce canal n'est que le pool. Le mur reflète le signal acoustique, donc le résultat d'identification du système est inexact. Gardez la position spatiale et l'orientation du transducteur transmissible et letransducteur d'hydrophone vectorielInchangé, déposer l'échantillon et transmettre le signal acoustique pulsé Butterworth avec une bande passante de 500 à 12,5 kHz. La figure 14 montre les données d'origine et les formes d'onde de signal modifiées reçues par chaque canal de l'hydrophone vectoriel. On peut voir sur la figure 14 que la forme d'onde du domaine temporel du signal après la correction du filtre inverse devient régulière et que l'énergie est plus concentrée. Calculez ensuite le délai du son direct et le son de diffraction du son réfléchi du bord de l'échantillon en fonction des paramètres de disposition spatiale du système de mesure, et ajoutez des fenêtres pour intercepter les données utiles et calculer le coefficient de réflexion du son normal de l'échantillon en tant que montré à la figure 15.

La figure 15 montre les résultats de mesure avant et après la compensation. On peut voir que le résultat de mesure de la fonction de transfert du système de mesure non rémunéré a une grande erreur et est presque invalide. La précision de mesure est considérablement améliorée après le traitement du filtre post-inverse. Lorsque la fréquence est supérieure à 2,5 kHz, l'erreur de mesure après la correction du filtre post-inverse est petite et le résultat de mesure inférieur à 2,5 kHz a une grande erreur. La raison en est que la capacité de transmission à basse fréquence du transducteur de transmission est limitée et que les composants à basse fréquence du signal sont submergés dans le bruit de fond, de sorte que le résultat de mesure est médiocre.

4. Conclusion

Cet article propose une méthode pour mesurer le coefficient de réflexion acoustique normal des matériaux acoustiques sous-marins basés sur un seul hydrophone vectoriel. Cette méthode sera utile.La combinaison de la technologie d'émission d'impulsion, de la technologie de traitement du signal vectoriel et de la technologie de filtre post-inverse, via la technologie de filtre post-inverse pour recevoir l'hydrophone vectoriel.

Les données sont compensées, la distorsion du signal causée par la fonction de transfert du système de mesure est supprimée, et le son de diffraction des bords et la trajectoire multiples de l'échantillon sont éliminés dans le domaine temporel. L'interférence significative améliore la précision de la mesure. Le principe de mesure est déduit théoriquement, l'influence de l'erreur du système de mesure est étudiée par calcul numérique et simulation, et la recherche expérimentale est effectuée. Les résultats numériques de calcul et de simulation montrent que la méthode de mesure décrite dans cet article a certaines exigences pour le rapport signal / bruit; Déploiement du système inexact et insensible. Les résultats expérimentaux montrent que la méthode décrite dans cet article peut réaliser efficacement la mesure à grande échelle en champ libre du coefficient de réflexion acoustique normal des matériaux acoustiques sous-marins, mais en raison de la limitation de la capacité de rayonnement à basse fréquence du transducteur transmissible, L'erreur de mesure à basse fréquence est relativement importante.