CN114354761B - 一种测量声波导管损耗的装置及方法 - Google Patents

一种测量声波导管损耗的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于声学波导技术领域，尤其涉及一种测量声波导管损耗的装置及方法，包括声波模块、声波导管、运算模块和输出模块；通过声波模块产生声波信号，并将声波信号发送至声波导管中进行传播，声波导管设置多个输出端，其中一个作为基准输出端，另一个作为目标输出端，采集基准输出端和目标输出端输出的声波信号，并计算得到声压损耗，将基准输出端与目标输出端之间的距离与声压损耗进行对应，即可获得声波在声波导管中传播时，声压损耗与传播距离的对应关系。从而提声波导管的目标损耗的计算准确度。

Description

一种测量声波导管损耗的装置及方法
技术领域
本发明属于声学波导技术领域，尤其涉及一种测量声波导管损耗的装置及方法。
背景技术
一直以来国内外对声学波导的研究着重于各种声波导的结构、特性及其弹性波传播等理论性分析，属于声学范畴。很少涉及声波导作为传感、监测等手段的应用研究。随着光纤技术的日益成熟和广泛使用，人们开始对具有类似光纤结构的声波导管产生兴趣，声波可以低损耗传播于声波导管中，这种声波导管技术未来的应用前景是非常诱人的。
声波导管由固体管壁和流体介质组成的包层结构组成，对声波导管研究的本质就是对于声波在这种结构中传播损耗的研究，而目前目标损耗的计算方法主要有截断法、***损耗法、后向散射法等。上述方法的共性都是通过设置连接器来搭建连接装置，从而减小损耗，然后再使用检测装置检测信号。但是上述方法中不能获得声波在声波导管内部传播时，声压随声波导管长度变化产生的衰减变化，从而影响到目标损耗的计算准确度。
发明内容
本发明提供了一种测量声波导管损耗的装置及方法，以解决现有技术中声波在声波导管内部传播时，目标损耗的计算不准确的技术问题
一种测量声波导管损耗的装置，包括：
声波模块，用于产生声波信号；
声波导管，所述声波导管包括输入端、基准输出端和目标输出端，所述声波导管的输入端与所述声波模块连接，所述声波导管用于传播所述声波信号；所述基准输出端与所述目标输出端存在距离；
运算模块，与所述声波导管的基准输出端、所述声波导管的目标输出端连接，用于根据所述基准输出端输出的声波信号和所述目标输出端输出的声波信号计算获得声压损耗；
输出模块，与所述运算模块连接，用于将所述第一预设值与所述声压损耗的对应输出，以获取所述距离与所述声压损耗的对应关系。
可选地，所述装置还包括转换模块，所述声波导管的所述基准输出端、所述声波导管的所述目标输出端通过所述转换模块与所述运算模块连接；
所述转换模块用于将所述基准输出端输出的声波信号转换为基准电信号，以及将所述目标输出端输出的声波信号转换为目标电信号；
所述运算模块根据所述基准电信号和所述目标电信号计算获得所述声压损耗。
可选地，所述运算模块包括：
转换单元，与所述转换模块连接，用于将所述基准电信号转换为基准声压值，以及将所述目标电信号转换为目标声压值；
减法单元，与所述转换单元连接，用于将所述基准声压值和所述目标声压值进行求差运算，并获得所述声压损耗。
可选地，所述声波模块包括：
信号输入单元，用于产生脉冲信号；
功率放大器，与所述信号输入单元连接，用于对所述脉冲信号进行放大；
阻抗匹配器，与所述功率放大器连接，用于提供阻抗匹配；
超声换能器，与所述阻抗匹配器连接；用于基于所述阻抗匹配和放大后的所述脉冲信号产生所述声波信号。
可选地，所述声波导管通过固定底座固定在介质容器内，所述介质容器内部设置流体介质，所述声波导管浸没在所述介质容器内部的所述流体介质中；所述声波导管内的所述流体介质用于传导所述声波信号。
可选地，所述超声换能器固定设置于所述介质容器的侧壁，所述固液耦合器为喇叭状固体，所述固液耦合器的大端朝向所述超声换能器，所述固液耦合器的小端与所述声波导管的输入端连接。
可选地，所述装置还包括固液耦合器，所述固液耦合器的输入端朝向所述超声换能器，所述固液耦合器的输出端与所述声波导管连接，所述固液耦合器用于将所述声波信号传递至所述声波导管内。
可选地，相邻的所述目标输出端之间的间隔距离固定。
本发明还提供一种测量声波导管损耗的方法，包括步骤：
获取声波信号，将所述声波信号发送至声波导管中进行传导；
从预设在所述声波导管上的基准输出端中获取基准声波信号，从预设在所述声波导管上的目标输出端中获取目标声波信号；并将所述基准声波信号转换为基准电信号，以及将所述目标声波信号转换为目标电信号；
将所述基准电信号转化为基准声压值，将所述目标电信号转换为目标声压值，对所述基准声压值和所述目标声压值进行求差，获得声压损耗；
获取所述基准输出端和所述目标输出端的距离，从而获得所述距离与所述声压损耗的对应关系。
可选地，所述基准声压值的转换公式为：其中P0为所述基准声压值，A0为所述基准电信号的幅值，ML为用于传输所述基准电信号和目标电信号的电缆的有载灵敏度；
所述目标声压值的转换公式为：其中P1为所述目标声压值，A1为所述目标电信号的幅值。
本发明的有益效果：本发明中的一种测量声波导管损耗的装置及方法，通过声波模块产生声波信号，并将声波信号发送至声波导管中进行传播，声波导管设置多个输出端，其中一个作为基准输出端，另一个作为目标输出端，采集基准输出端和目标输出端输出的声波信号，并计算得到声压损耗，将基准输出端与目标输出端之间的距离与声压损耗进行对应，即可获得声波在声波导管中传播时，声压损耗与传播距离的对应关系。从而提声波导管的目标损耗的计算准确度。
附图说明
图1是本发明的一实施例中的测量声波导管损耗的装置结构示意图；
图2是本发明的一实施例中的测量声波导管损耗的方法的流程示意图；
附图标号说明：
1 超声换能器
2 固液耦合器
3 转换模块
4 声波导管
41 基准输出端
42 目标输出端
5 水槽
6 固定底座
7 示波器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在下文描述中，探讨了大量细节，以提供对本发明实施例的更透彻的解释，然而，对本领域技术人员来说，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例是显而易见的。
发明人发现，现有的声波导技术中，对于声波导的传输损耗计算不够准确。原因包括：
(1)现有的声波导技术中，一般采用流体介质传递声波，但是现有的连接器没有很好地考虑固液耦合的问题；
(2)对于传播声波的声波导管4，没有对声波在导管内部传播时，随声波导管4的长度衰减的现象进行研究；
(3)没有考虑到声波导管4的非轴对称模态问题。
上述原因都会影响到声波导传输损耗的准确度。
为了解决上述问题，如图1所示，本发明中的提供的一种测量声波导管损耗的装置包括声波模块、声波导管4、转换模块3、运算模块和输出模块；
声波模块用于产生声波信号；
声波导管4，声波导管4上设置输入端、基准输出端41和目标输出端42，声波导管4的输入端与声波模块连接，声波导管4用于传播声波信号；具体地，声波导管4上设置多个输出端，基准输出端41为其中一个输出端，其他的输出端为目标输出端42；输出端之间的间距为固定的预设值。
转换模块3与声波导管4的基准输出端41、声波导管4的目标输出端42连接；转换模块3用于将基准输出端41输出的声波信号转换为基准电信号，以及将目标输出端42输出的声波信号转换为目标电信号；
运算模块与转换模块3连接，用于根据基准电信号和目标电信号计算获得声压损耗；基准电信号和目标电信号均为脉冲信号，经过声波导管4的传播，声波信号会产生一定的衰减，对应的脉冲信号也会产生一定程度的衰减，因此只要对基准电信号和目标电信号进行计算即可获得声压的衰减；
输出模块，与运算模块连接，用于获得基准输出端41和目标输出端42的距离与声压损耗的对应关系并输出；在一些实施例中，输出模块包括示波器7，利用示波器7对声压随传播距离的衰减进行显示；
具体地，声波模块包括信号输入单元、功率放大器、阻抗匹配器、超声换能器1和固液耦合器2；
信号输入单元包括脉冲信号发生器，在一些实施例中，脉冲信号发生器的型号为DG800，信号输入单元用于产生脉冲信号；
功率放大器与信号输入单元连接，用于对信号输入单元产生的脉冲信号进行放大；
阻抗匹配器与功率放大器连接；阻抗匹配的作用是保证信号的完整性；
超声换能器1与阻抗匹配器连接，阻抗匹配器用于为超声换能器1进行阻抗匹配；超声换能器1用于在阻抗匹配的情况下，根据放大后的脉冲信号产生声波信号；在一些实施例中，超声换能器1为压电陶瓷，在阻抗匹配的条件下，能够保证放大后的脉冲信号完整地输入至超声换能器1中，超声换能器1根据放大后的脉冲信号产生机械振动，从而带动周围介质振动，产生声波信号。
固液耦合器2的输入端朝向超声换能器1，固液耦合器2的输出端与声波导管4连接，用于将声波信号传递至声波导管4内。固液耦合器2的作用是更好地将声波信号导入值声波导管4中。
具体地，运算模块包括：
转换单元，与转换模块3连接，用于将基准电信号和目标电信号转换为基准声压值和目标声压值，转换公式为其中P为声压信号，A为电信号的幅值；
减法单元，与转换单元连接，用于将基准声压值和目标声压值进行求差运算，并获得声压损耗，将目标声压值P1与基准声压值P0进行求差即可获得声压损耗P1-P0。
在一些实施例中，声波导管4通过固定底座6固定在介质容器内，固定底座6一方面固定声波导管4本身，另一方面放置超声波的发生装置(即超声换能器1)、传输装置(即声波导管4)和接收装置(即转换模块3)相互接触以及相互干扰。
介质容器内部设置流体介质，声波导管4浸没在介质容器内部的流体介质中，且流体介质充满声波导管4的内部空间。例如介质容器为水槽5，流体介质为水，声波导管4浸没在水中，使得声波在水中传播。超声换能器1固定设置在水槽5壁上，固液耦合器2为喇叭状固体，固液耦合器2的大端朝向超声换能器1，固液耦合器2的小端与声波导管4的输入端连接。
具体地，声波导管4上设置7个输出端，且输出端口分布在声波导管4的两侧，每侧设置3个输出端口且两测的输出端***错分布，声波管道本身的一端为输入端口，声波管道本身的另一端为第七个输出端口；输出端口之间距离选择30cm，既能防止因输出端口之间距离太近产生信号干扰导致误差，又能防止距离过大声波衰减距离不够长。而输出端口选择在波导管两侧成斜对称分布是为了防止声波在波导管内传播发生非轴对称模态，从而影响测量结果的准确度。
声波导管4通过固定底座6固定在水槽5的中央位置，且不与水槽5壁接触，波导管的输入端设置一个固液耦合器2，将超声换能器1固定与水槽5壁，超声换能器1正对所述固液耦合器2，且相差5cm左右；在声波导管4的输出端设置两个转换模块3(即压电水听器)，其中一个压电水听器置于声波导管4的第一个输出端口，该输出端口作为基准输出端41口；另一个压电水听器置于其他任意输出端口，该端口作为目标输出端42口；两个压电水听器都伸入至输出端口的2cm处，且不与管壁接触；水槽5外部设置信号输入单元、功率放大器、阻抗匹配器、运算模块和输出模块，其中运算模块和输出模块实际上均为示波器7，利用示波器7的运算和显示功能进行实现。
固液耦合器2的材料为高阻抗固体材料，而声波导管4内流体介质为低阻抗的水，所以固液耦合器2的作用是为了使声波更好的传播进入波导管内，且形状设计为广口喇叭状，这种设计增加了耦合器与超声换能器1之间的声接触角，减小了管内介质水和耦合器之间的接触角，使声波能够更有效的传输。
在一些实施例中，转换模块3为压电水听器，例如型号为RESON TC 4035的压电水听器。
基于本实施例中的一种测量声波导管4损耗的装置，如图2所示，本实施例还提供一种测量声波导管4损耗的方法，包括步骤：
S1、通过信号输入单元产生猝发脉冲信号，猝发脉冲信号为正弦脉冲，脉冲的数量为2个，控制重频频率低，从而保证两个脉冲之间互不干扰。由功率放大器将脉冲信号进行功率放大，接着经过放大后的脉冲信号经过阻抗匹配网络将形成的驱动信号有效施加于超声换能器1，减小反向功率，降低***功率损耗及反向功率造成的***发热和损伤。超声换能器1为压电陶瓷，在驱动信号的作用下产生机械振动，从而带动周围的介质(即水分子)振动，产生在水中传播的声波信号，声波信号在固液耦合器2的作用下进入至声波导管4中进行传播。
S2、声波沿着声波导管4传播，首先经过第一个输出端口(即基准输出端41口)，对应的压电水听器获取基准声波信号，并转换为基准电信号发送至示波器7中，基准电信号为脉冲信号，其幅值为A0；
声波继续传播，直至经过另一个输出端口(即目标输出端42口)对应的压电水听器获取目标声波信号，并转换为目标电信号发送至示波器7中，目标电信号为脉冲信号，其幅值为A1；
同样的方式测得声波传播至其他输出端口所生成的电信号的幅值，分别为A2、A3、A4、A5和A6；
S3、将基准电信号转化为基准声压值，将目标电信号转换为目标声压值，对基准声压值和目标声压值进行求差，获得声压损耗；
基准声压值的转换公式为：其中P0为基准声压值，A0为基准电信号的幅值，ML为用于传输基准电信号和目标电信号的电缆的有载灵敏度；
目标声压值的转换公式为：其中P1为目标声压值，A1为目标电信号的幅值；
同理，获得其他输出端口的声压；
输出端口的声压损耗即为P2、P3、P4、P5和P 6；因此，输出端口的声压损耗分别为：P1-P0、P2-P0、P3-P0、P4-P0、P5-P0和P6-P0；
S4、获取基准输出端41口与其他所有端口的距离L，距离L为两个输出端口之间沿声波导管4轴线的距离，例如，基准输出端41口与目标输出端42口的距离为L1，基准输出端41口与其他输出端口的距离分别为L2、L3、L4、L5和L 6；将声压损耗与距离对应，即可获得六个二维数据，分别为：{L1，(P1-P0)}、{L2，(P2-P0)}、{L3，(P3-P0)}、{L4，(P4-P0)}、{L5，(P5-P0)}和{L6，(P6-P0)}；将上述6个二维数据放置在以距离为横轴，声压损耗为纵轴的二维坐标中，连线并拟合处理后获得声压损耗-传播距离的对应关系曲线。
通过本实施例中的装置和发明能够很好的解决以下几点：
(1)装置设置固液耦合器2，本身能够很好的考虑波导管固体管壁和其中流体介质的耦合问题；
(2)声波导管4的多个输出端口采用非对称结构考虑了声波导管4的轴对称模态问题；
(3)测量方法最终能够获得整体长度的衰减变化情况，即声波导管4的损耗随着传播距离的变化情况；
综上所述，本发明中的一种测量声波导管损耗的装置及方法，通过信号输入单元产生脉冲信号，脉冲信号经过放大、阻抗匹配后驱动超声换能器1机械振动并产生声波信号；声波信号通过固液耦合器2传播至声波导管4中，声波导管4设置多个输出端，其中一个作为基准输出端41，另一个作为目标输出端42，采集基准输出端41和目标输出端42输出的声波信号，并计算得到声压损耗，将基准输出端41与目标输出端42之间的距离与声压损耗进行对应，即可获得声波在声波导管4中传播时，损耗与传播距离的对应曲线关系。从而提声波导管4的目标损耗的计算准确度。
在上述实施例中，尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变形对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种测量声波导管损耗的装置，其特征在于，包括：
声波模块，用于产生声波信号；
声波导管，所述声波导管包括输入端、基准输出端和目标输出端，所述声波导管的输入端与所述声波模块连接，所述声波导管用于传播所述声波信号；所述基准输出端与所述目标输出端存在距离；
运算模块，与所述声波导管的基准输出端和所述声波导管的目标输出端连接，用于根据所述基准输出端输出的声波信号和所述目标输出端输出的声波信号计算获得声压损耗；
输出模块，与所述运算模块连接，用于将第一预设值与所述声压损耗对应输出，以获取所述距离与所述声压损耗的对应关系，输出端之间的间距为所述第一预设值；
所述声波导管上设置多个输出端，所述基准输出端为其中一个，其它的输出端为所述目标输出端，声波导管上设置7个输出端，且输出端分布在声波导管的两侧，每侧设置3个输出端且两侧的输出端交错分布，声波导管本身的一端为输入端，声波导管本身的另一端为第七个输出端。
2.根据权利要求1所述的一种测量声波导管损耗的装置，其特征在于，所述装置还包括转换模块，所述声波导管的所述基准输出端和所述声波导管的所述目标输出端通过所述转换模块与所述运算模块连接；
所述转换模块用于将所述基准输出端输出的声波信号转换为基准电信号，以及将所述目标输出端输出的声波信号转换为目标电信号；
所述运算模块根据所述基准电信号和所述目标电信号计算获得所述声压损耗。
3.根据权利要求2所述的一种测量声波导管损耗的装置，其特征在于，所述运算模块包括：
转换单元，与所述转换模块连接，用于将所述基准电信号转换为基准声压值，以及将所述目标电信号转换为目标声压值；
减法单元，与所述转换单元连接，用于将所述基准声压值和所述目标声压值进行求差运算，并获得所述声压损耗。
4.根据权利要求1所述的一种测量声波导管损耗的装置，其特征在于，所述声波模块包括：
信号输入单元，用于产生脉冲信号；
功率放大器，与所述信号输入单元连接，用于对所述脉冲信号进行放大；
阻抗匹配器，与所述功率放大器连接，用于提供阻抗匹配；
超声换能器，与所述阻抗匹配器连接；用于基于所述阻抗匹配和放大后的所述脉冲信号产生所述声波信号。
5.根据权利要求4所述的一种测量声波导管损耗的装置，其特征在于，所述装置还包括固液耦合器，所述固液耦合器的输入端朝向所述超声换能器，所述固液耦合器的输出端与所述声波导管连接，所述固液耦合器用于将所述声波信号传递至所述声波导管内。
6.根据权利要求5所述的一种测量声波导管损耗的装置，其特征在于，所述声波导管通过固定底座固定在介质容器内，所述介质容器内部设置流体介质，所述声波导管浸没在所述介质容器内部的所述流体介质中；所述声波导管内的所述流体介质用于传导所述声波信号。
7.根据权利要求6所述的一种测量声波导管损耗的装置，其特征在于，所述超声换能器固定设置于所述介质容器的侧壁，所述固液耦合器为喇叭状固体，所述固液耦合器的大端朝向所述超声换能器，所述固液耦合器的小端与所述声波导管的输入端连接。
8.一种测量声波导管损耗的方法，其特征在于，包括步骤：
获取声波信号，将所述声波信号发送至声波导管中进行传导；
从预设在所述声波导管上的基准输出端中获取基准声波信号，从预设在所述声波导管上的目标输出端中获取目标声波信号；并将所述基准声波信号转换为基准电信号，以及将所述目标声波信号转换为目标电信号；
将所述基准电信号转化为基准声压值，将所述目标电信号转换为目标声压值，对所述基准声压值和所述目标声压值进行求差，获得声压损耗；
获取所述基准输出端和所述目标输出端的距离，从而获得所述距离与所述声压损耗的对应关系；
所述声波导管上设置多个输出端，所述基准输出端为其中一个，其它的输出端为所述目标输出端，声波导管上设置7个输出端，且输出端分布在声波导管的两侧，每侧设置3个输出端且两侧的输出端交错分布，声波导管本身的一端为输入端，声波导管本身的另一端为第七个输出端。
9.根据权利要求8所述的一种测量声波导管损耗的方法，其特征在于，所述基准声压值的转换公式为：其中P0为所述基准声压值，A0为所述基准电信号的幅值，ML为用于传输所述基准电信号和目标电信号的电缆的有载灵敏度；
所述目标声压值的转换公式为：其中P1为所述目标声压值，A1为所述目标电信号的幅值。
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