CN114485911B - 基于亚波长尺度的声波导管中声衰减系数测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于亚波长尺度的声波导管中声衰减系数测量装置及方法，其中测量装置包括：水槽，用于装载液体；波导管，位于所述水槽内；具有一个输入端和多个输出端；所述输入端上设置有固液耦合器；多个所述输出端沿直线依次设置；超声换能器，位于所述水槽内，靠近所述固液耦合器；高灵敏压电水听器，位于所述波导管的输出端内；信号发生器，与所述超声换能器连接。本申请的一个技术效果在于，可以将超声信号在波导管中传播的声衰减系数测量出来，并且测量准确度高。
Description
技术领域
本申请属于超声技术领域，具体地说，涉及一种基于亚波长尺度的声波导管中声衰减系数测量装置及方法。
背景技术
超声波在介质中传播时，随着传播距离的距离，超声波的能量逐渐减弱，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。人们为了最大程度减少超声波传输的能量损耗，波导中导波的研究开始慢慢受到重视。根据声波导管理论，当波导管的内径小于波长时，在这种亚波长尺度下，管中将传播一维平面纵波。此时超声波在管中不会碰到界面，也不会发生反射折射，会直接穿过管中，最终超声波通过波导管后能量的损耗非常低。所以准确的测量这种亚波长尺度下的声波导管中的声衰减系数对未来波导管无损传输领域的应用至关重要，从而有必要提出这样一种基于亚波长尺度的声波导管中声衰减系数的测量装置及方法。
实际上衰减是一个很难测量的物理量，目前有一种测量声衰减系数的方法是通过四传感法测量复波数，复波数是声学中非常重要的参数，它包含材料的声衰减系数。四传感器法其实是在传统的驻波管测量法基础上增加了一段透射管，在声管上分别安装了两个传感器测量反射波和透射波并采用了吸声末端，这样被测样品前后表面的声压就可以很方便的由入射波、反射波和透射波表示，用这种方法测的材料复波数的虚部就表示声衰减系数，但是这种方法一方面由于低频时相位读数相对误差大另一方面由于吸声末端在低频时吸声性能差会产生二次反射与透射，所以测的声衰减系数离散性大，计算误差较大。
另一种有效测量介质中超声衰减系数的方法是光声方法，该方法采用高能量激光脉冲激发表面波，通过换能器每隔0.5mm获取采样信号，对信号进行滤波、FFT等处理最终得到介质声衰减系数。但是该方法受到采样频率以及滤波器窗宽的限制，因此也不能准确的得到声衰减系数。上述方法不管是从增加传感器的角度还是从表面波信号频谱计算的角度出发总会造成较大的计算误差或者实验误差，并且都会受到低频率的影响，从而无法从亚波长尺度准确测量声波导管中声衰减系数大小。
发明内容
本申请的一个目的在于提供了一种基于亚波长尺度的声波导管中声衰减系数测量装置的新技术方案。
根据本申请的一个方面，本身请提供一种基于亚波长尺度的声波导管中声衰减系数测量装置，包括：
水槽，用于装载液体；
声波导管，位于所述水槽内；具有一个输入端和多个输出端；所述输入端上设置有固液耦合器；多个所述输出端沿直线依次设置；
超声换能器，位于所述水槽内，靠近所述固液耦合器；
高灵敏压电水听器，位于所述声波导管的输出端内；
信号发生器，与所述超声换能器连接。
可选地，还包括功率放大器，所述超声换能器和所述信号发生器通过所述功率放大器连接。
可选地，还包括示波器，所述示波器分别与所述信号发生器和所述高灵敏压电水听器连接。
可选地，还包括固定组件，所述固定组件被配置为分别固定所述声波导管、超声换能器，使得所述固液耦合器和所述超声换能器不直接接触。
可选地，所述固液耦合器为喇叭形结构，其广口喇叭端朝向所述超声换能器。
可选地，所述声波导管的内径小于75mm。
可选地，所述声波导管具有七个输出端。
可选地，所述声波导管上相邻输出端的间距为50cm。
根据本申请的另一个方面，本申请还提供一种上述的测量装置的声波导管中声衰减系数测量方法，包括以下步骤：
通过所述信号发生器发射脉冲信号至所述超声换能器；
所述超声换能器将所述脉冲信号转换为超声信号，通过所述固液耦合器传递至所述声波导管内；
依次在所述声波导管的输出端通过所述高灵敏压电水听器接收所述声波导管内传播的超声信号，并记录所述超声信号的幅值与传播时间的关系；
通过对所述脉冲信号和所述高灵敏压电水听器接收的超声信号进行计算处理，得到超声信号基于亚波长尺度的声波导管中传播的声衰减曲线，拟合得到声衰减系数大小。
可选地，所述高灵敏压电水听器在多个所述输出端上的位置相对于所述声波导管的主体距离相等。
本申请的一个技术效果在于，可以将超声信号在声波导管中传播的声衰减系数测量出来，并且测量准确度高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本申请一些实施例的连接关系示意图；
图2是本申请一些实施例的方法步骤流程图；
图中：1超声换能器，2高灵敏压电水听器，3声波导管，31输入端，32输出端，4水槽，5固液耦合器，6固定组件，7信号发生器，8功率放大器，81阻抗匹配器，9示波器。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明提供一种基于亚波长尺度的声波导管3中声衰减系数测量装置，在一些实施例中，参考图1，包括超声换能器1，高灵敏压电水听器2、声波导管3、水槽4和信号发生器7。
所述水槽4作为容器，用于装载液体，通常为水。
所述声波导管3位于所述水槽4内。所述声波导管3具有一个输入端31和多个输出端32，多个所述输出端32沿直线依次设置；所述输入端31上设置有固液耦合器5。在一些实施例中，所述声波导管3具有一个输入端31和7个输出端32，相邻输出端32的间距为50cm；间距50cm左右比较适中，间距太小两个输出端之间接收信号会有干扰；间距太大声波的衰减距离不够长。在一些实施例中，所述固液耦合器5为一简单的喇叭口结构，利用菲涅耳衍射原理，将声波导入到声波导管中并测量其声速。
所述超声换能器1位于所述水槽4内，靠近所述固液耦合器5设置，当所述超声换能器1发出超声信号时，所述超声信号能够被所述固液耦合器5耦合传导至所述声波导管3内。
所述高灵敏压电水听器2位于所述声波导管3上靠近输入端31的输出端32内，用于捕捉所述输出端32内的超声信号。
所述信号发生器7与所述超声换能器1连接，当所述信号发生器7发出脉冲信号时，能够被所述超声换能器1将所述脉冲信号转换为超声信号。
本装置在使用时，参考图1和图2：
S1，通过所述信号发生器7产生猝发脉冲信号，至所述超声换能器1；
S2，所述超声换能器1将所述脉冲信号转换为超声信号，即将电信号转换为声信号，通过所述固液耦合器5传递至所述声波导管3的输入端31内；声波沿着输入端31首先传播至第一个输出端32，此时记录输入端31到第一个输出端32的距离为L1；记录高灵敏压电水听器2接收到信号的幅值随着传播时间的变化，此时测得的幅值记为A1；
接着用高灵敏压电水听器2测的同一声波传至第二个输出端32的信号幅值大小，记为A2，输入端31到第二个输出端32的距离记为L2；以此类推分别记录其他所有输出端的信号幅值为A3、A4、A5、A6、A7以及输入端到其他每个输出端的距离为L3、L4、L5、L6、L7；接着将幅值转换为声压分别记为P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7；计算公式如下：
其中A1～A7为压电水听器2在声波导管每个输出端口测得信号的幅值大小，单位为伏。表示压电水听器2电缆末端有载灵敏度，不同的频率对应不同的灵敏度大小，单位为伏每帕斯卡。P1～P7为计算得到的声波在声波导管不同的输出端口声压大小，单位为帕斯卡。
S4、根据脉冲信号进行计算处理得到超声信号在基于亚波长尺度下的声波导管中传播不同输出端的幅值，各个输出端口对应不同的传播距离L1～L7，将各个输出端口的幅值转换为相应的声压，对不同输出端口的声波声压与传播距离(L1～L7)之间的关系进行拟合处理，得到声压-传播距离曲线，曲线的曲度即声衰减系数大小。
通过本发明的基于亚波长尺度声波导管中声衰减系数测量装置，可以将超声信号在声波导管中传播的声衰减系数测量出来，并且测量准确度高。
所述超声换能器可以使用的压电陶瓷片制作。所述高灵敏压电水听器的型号可以是RESON TC 4035。所述信号发生器的型号可以是DG800。所述示波器的型号可以是DSOX6004A。所述功率放大器的型号可以是2200L。
在一些实施例中，参考图1，还包括功率放大器8，所述超声换能器1和所述信号发生器7通过所述功率放大器8连接。进一步的，还包括阻抗匹配器81，信号发生器7、功率放大器8、阻抗匹配器81与超声换能器1依次连接；由功率放大器将驱动信号(脉冲信号)进行功率放大，并控制驱动幅值至设定值。驱动信号经过阻抗匹配网络将驱动功率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。
在一些实施例中，参考图1，还包括示波器9，所述示波器9分别与所述信号发生器7和所述高灵敏压电水听器2连接。高灵敏压电水听器2接收到信号传至示波器9，示波器9显示信号的幅值随着传播时间的变化。
在一些实施例中，参考图1，还包括固定组件6，所述固定组件6分别固定所述声波导管3、超声换能器1(固定位置未示出)，使得所述固液耦合器5和所述超声换能器1不直接接触。
在一些实施例中，参考图1，所述固液耦合器5为喇叭形结构，其广口喇叭端朝向所述超声换能器1。增加了超声换能器1与固液耦合器5之间的声接触角，减少了液体与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，参考图1，声波导管3的输出端口32之间相距50cm，减小因输出端32之间距离太近而产生的误差。为了满足亚波长尺度，本装置只适用于内径小于波长下的小口径声波导管，同时满足频率大于20kHz，计算得声波导管内径须小于75mm。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种根据上述的测量装置的声波导管中声衰减系数测量方法，参考图1和图2，包括以下步骤：
S1，通过所述信号发生器7产生猝发脉冲信号，至所述超声换能器1；
S2，所述超声换能器1将所述脉冲信号转换为超声信号，即将电信号转换为声信号，通过所述固液耦合器5传递至所述声波导管3的输入端31内；声波沿着输入端31首先传播至第一个输出端32，此时记录输入端31到第一个输出端32的距离为L1；记录高灵敏压电水听器2接收到信号的幅值随着传播时间的变化，此时测得的幅值记为A1；
接着用高灵敏压电水听器2测的同一声波传至第二个输出端32的信号幅值大小，记为A2，输入端31到第二个输出端32的距离记为L2；以此类推分别记录其他所有输出端的信号幅值为A3、A4、A5、A6、A7以及输入端到其他每个输出端的距离为L3、L4、L5、L6、L7；接着将幅值转换为声压分别记为P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7；计算公式如下：
其中A1～A7为压电水听器2在声波导管每个输出端口测得信号的幅值大小，单位为伏。表示压电水听器2电缆末端有载灵敏度，不同的频率对应不同的灵敏度大小，单位为伏每帕斯卡。P1～P7为计算得到的声波在声波导管不同的输出端口声压大小，单位为帕斯卡。
S4、根据脉冲信号进行计算处理得到超声信号在基于亚波长尺度下的声波导管中传播不同输出端的幅值，各个输出端口对应不同的传播距离L1～L7，将各个输出端口的幅值转换为相应的声压，对不同输出端口的声波声压与传播距离(L1～L7)之间的关系进行拟合处理，得到声压-传播距离曲线，曲线的曲度即声衰减系数大小。
通过所述高灵敏压电水听器2接收在所述声波导管3内传播的超声信号，并记录所述超声信号的幅值与传播时间的关系；
通过对所述脉冲信号和所述高灵敏压电水听器2接收的超声信号进行计算处理，得到超声信号基于亚波长尺度的声波导管3中传播的声衰减曲线，拟合得到声衰减系数大小。
过本发明的基于亚波长尺度声波导管中声衰减系数测量装置，可以将超声信号在声波导管中传播的声衰减系数测量出来，并且测量准确度高。
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定成分或方法。本领域技术人员应可理解，不同地区可能会用不同名词来称呼同一个成分。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分成分的方式。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者***不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者***所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者***中还存在另外的相同要素。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于亚波长尺度的声波导管管内声衰减系数测量装置，其特征在于，包括：
水槽，用于装载液体；
声波导管，位于所述水槽内；具有一个输入端和多个输出端；所述输入端上设置有固液耦合器；多个所述输出端沿直线依次设置；
超声换能器，位于所述水槽内，靠近所述固液耦合器；
高灵敏压电水听器，位于所述声波导管的输出端内；
信号发生器，与所述超声换能器连接；
所述亚波长尺度指声波导管内径小于声波波长，此时声波在声波导管内传播一维平面纵波；
通过所述信号发生器发射脉冲信号至所述超声换能器；
所述超声换能器将所述脉冲信号转换为超声信号，通过所述固液耦合器传递至所述声波导管内；依次在所述声波导管的输出端通过所述高灵敏压电水听器接收所述声波导管内传播的超声信号，并记录每个输出端超声信号的幅信，并根据各个输出端的幅信和各个输出端所对应的不同传播距离转换为各个输出端相应的声压，对各个输出端的声压与传播距离之间的关系进行拟合处理，得到声压-传播距离曲线，曲线的曲度即声衰减系数。
2.根据权利要求1所述的基于亚波长尺度的声波导管管内声衰减系数测量装置，其特征在于，还包括功率放大器，所述超声换能器和所述信号发生器通过所述功率放大器连接。
3.根据权利要求1所述的基于亚波长尺度的声波导管管内声衰减系数测量装置，其特征在于，还包括示波器，所述示波器分别与所述信号发生器和所述高灵敏压电水听器连接。
4.根据权利要求1所述的基于亚波长尺度的声波导管管内声衰减系数测量装置，其特征在于，还包括固定组件，所述固定组件被配置为分别固定所述声波导管、超声换能器，使得所述固液耦合器和所述超声换能器不直接接触。
5.根据权利要求1所述的基于亚波长尺度的声波导管管内声衰减系数测量装置，其特征在于，所述固液耦合器为喇叭形结构，其广口喇叭端朝向所述超声换能器。
6.根据权利要求1所述的基于亚波长尺度的声波导管管内声衰减系数测量装置，其特征在于，所述声波导管的内径小于75mm。
7.根据权利要求1所述的基于亚波长尺度的声波导管管内声衰减系数测量装置，其特征在于，所述声波导管具有七个输出端。
8.根据权利要求1所述的基于亚波长尺度的声波导管管内声衰减系数测量装置，其特征在于，所述声波导管上相邻输出端的间距为50cm。
9.一种根据权利要求1-8任一所述的测量装置的声波导管管内声衰减系数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过所述信号发生器发射脉冲信号至所述超声换能器；
所述超声换能器将所述脉冲信号转换为超声信号，通过所述固液耦合器传递至所述声波导管内；
依次在所述声波导管的输出端通过所述高灵敏压电水听器接收所述声波导管内传播的超声信号，并记录每个输出端超声信号的幅信，并根据各个输出端的幅信和各个输出端所对应的不同传播距离转换为各个输出端相应的声压，对各个输出端的声压与传播距离之间的关系进行拟合处理，得到声压-传播距离曲线，曲线的曲度即声衰减系数。
10.根据权利要求9所述的测量装置的声波导管管内声衰减系数测量方法，其特征在于，所述高灵敏压电水听器在多个所述输出端上的位置相对于所述声波导管的主体距离相等。
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