CN104568044A - 一种软包装液体体积测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属软包装液体体积测试技术领域，为克服现有测试方法中对软包装液体进行破坏侵入测量的弊端，提供一种基于声学方法的软包装液体体积测量装置与方法，声学管道底部设置共振腔，声学管道入口端设置扬声器，出口端开口，入口端和出口端都设置有传声器；声学管道底部开若干消声孔与共振腔连通。声学管道内的声波频率和共振腔振动系统固有频率相同时，管道入口和出口处的两只传声器测量声波流经管道时的传递损失，找到传递损失最大值对应频率，建立频率与空腔体积的函数关系，实现对软质包装内液体体积的测量。通过声学方法测量声学管道的传递损失建立起传递损失最大值频率与被测体积的关系，可以实现软包装液体体积的快速、非侵入测量。

Description

一种软包装液体体积测量装置与方法

技术领域

本发明属于软包装液体体积测试技术领域，具体涉及一种软包装液体体积测量装置与测试方法。

背景技术

塑料软包装（或称软塑料包装）是指用塑料薄膜或塑料复合材料加工成型的，可以在充填或取出内装物后，容器形状（体积）发生明显变化的软质包装，具有质轻、柔软、易折叠、成本低、占用空间少、使用简单方便和成本有效性高（单位重量包装的体积和重量）等优点，目前正以其优良的综合性能，不断取代其它材料的包装，广泛应用于各行各业。由于软包装内的液体具有流动性，因此软包装整体呈现非规则性，常规测量无法实现。软包装的液体体积测量已经成为一个急需解决的问题。现有的软包装液体体积测量方法主要有溢水法测量法和倾倒法测量。溢水法就是将被测物体放进一个盛满液体的容器内。测量被排除容器的液体体积，这个体积就是包装袋的体积。倾倒法是将软纸包装损坏，将内部的液体倒入有刻度的容器内测量其体积。传统测量法具有测试装置简单方便，易于快速测量的的优点，而缺点是测量精度低，当被测液体为具有价格昂贵或易挥发具有毒性时，倾倒法测量并不适合。

发明内容

本发明的目的是：为了克服现有测试方法中对软包装液体进行破坏侵入测量的弊端，提供了一种基于声学方法的软包装液体体积测量装置与方法，实现软包装内液体体积的非侵入快速测量。

本发明采用如下的技术方案实现：一种软包装液体体积测量装置，包括声学管道、传声器、扬声器以及声学管道底部设置的共振腔壳体，声学管道入口端设置扬声器，出口端开口，入口端和出口端都设置有传声器；声学管道底部至少开有一个消声孔与共振腔壳体连通。

扬声器用于产生声音信号；扬声器发出的不同已知频率的声音信号在声学管道内传输；传声器用于拾取管道内的声音信号。该系统实质是形成一个亥姆霍茨共振器。

本发明所涉及的软包装液体体积测量方法为：将被测的软质包装放入共振腔内，将被测的软质包装放入共振腔内，通过扬声器产生不同的已知频率的声音信号在声学管道内传输；传声器拾取声学管道内的声音信号，消声孔和共振腔组成一个弹性振动系统，当声学管道内的声波频率和共振腔振动系统的固有频率相同时，弹性振动系统就发生共振，此时通过声学管道的声波的传递损失最大，通过管道入口和出口处的两只传声器可以测量声波流经管道时的传递损失，找到传递损失最大值对应的频率，建立频率与空腔体积的函数关系，实现对软质包装内液体体积的测量。

共振腔消声器是由一段开有若干消声孔的管道和管外一个密闭的空腔所组成。消声孔和空腔组成一个弹性振动系统，当声学管道内的声波频率和共振腔振动系统的固有频率相同时，该系统就发生共振，导致消声孔脖颈中空气柱的运动速度加快，摩擦阻力增大，大量声能转化为热能，此时通过声学管道的声波的传递损失最大，通过管道入口和出口处的两只传声器可以测量声波流经管道时的传递损失，找到传递损失最大值对应的频率，建立频率与空腔体积的函数关系，从而实现对软质包装内液体体积的测量。

共振腔消声器的共振频率表达式如下: (1)，式中：c为声速；V为共振腔体积；G为传导率；传导率G为： (2)，式中：d为消声孔直径；t为消声孔厚度；n为消声孔个数,n≥1；传递损失的计算公式为：TL=20log ₁₀(P_i/P_t)（3），其中P _i 为入口处声压的有效值，Pt为出口处声压的有效值，TL为传递损失；系统的灵敏度s计算公式为：s=(f _imL -f ₀ ) /( n×V’)（4），式中：s为系统的灵敏度；f _imL 为系统在注入液体体积为n×V’mL时的传递损失最大值频率；f ₀ 为系统初始状态时的传递损失最大值频率；n×V’为注入液体体积；

将被测的软质包装放入共振腔内，传声器与扬声器安装在声学管道上，管道与共振腔壳体通过消声孔联通，定义共振腔初始体积为V ₀ ,测试时，n, d ,t确定，共振腔初始共振频率f ₀ 根据公式（1）、（2）确定；使用时，扬声器发出频率范围为20～2f ₀ 已知频率的声音信号；取声波的频率步长为5-10Hz，通过管道入口、出口处的传声器测量声压有效值，通过公式（3）计算出声波流经该系统后的传递损失，从而获得系统初始状态时的传递损失最大值，该传递损失最大值所对应的声音信号的频率为f ₀ ，由公式（1）获得该频率f ₀ 与共振腔体积V ₀ 的关系，此时被测液体的体积为0；

向软质包装袋内注入体积为V’的液体，通过扬声器发出声波，取声波的频率步长为V’Hz，通过管道入口、出口处的传声器测量声波流经该系统后的传递损失；

向软质包装袋内不断注入整数n倍体积V’的液体，通过扬声器发出声波，取声波的频率步长为V’Hz，通过管道入口、出口处的传声器测量声波流经该系统后的传递损失，分别得到系统在注入液体体积为n×V’mL时的传递损失最大值频率f _imL (i=1×V’ ，2×V’ ，3×V’ ，……n×V’，n为整数，n×V’≤V ₀ )；当液体体积逐渐增加时，测得系统的传递损失；

根据传递损失最大值频率f _imL (i=1×V’,2×V’,3×V’,……n×V’，n为整数，n×V’≤V ₀ )与对应的软包装内液体的体积，绘制的函数关系；

使用公式（4），计算该系统的灵敏度s，即当频率偏移1Hz时，体积变化的ml量；

当软包装内液体体积未知时，测量系统在该状态传递损失最大值对应的频率，然后除以系统的灵敏度s，即可得到被测软包装内液体的体积。

综上，当声波通过所述的测量装置时，通过分析传递损失最大值对应的频率，即可以确定被测软质包装内液体的体积。

本发明的有益效果是：通过声学方法测量声学管道的传递损失建立起传递损失最大值频率与被测体积的关系，可以实现软包装液体体积的快速、非侵入测量。

附图说明

图1为本发明的单消声孔测量装置示意图；图2为单消声孔系统所测量的传递损失图；图3为单消声孔系统的灵敏度标定曲线；图4为本发明的多消声孔测量装置示意图；图5为多消声孔系统所测量的传递损失图；图6为多消声孔系统的灵敏度标定曲线。

图中：1-声学管道；2-共振腔壳体；3-软质包装体；4-扬声器；5-传声器；6-消声孔；7-被测液体；8-声波。

具体实施方式:

如图1、图4所示，一种软包装液体体积测量装置，包括声学管道1、传声器5、扬声器4以及声学管道1底部设置的共振腔壳体2，声学管道1入口端设置扬声器4，出口端开口，入口端和出口端都设置有传声器5；声学管道底部至少开有一个消声孔6与共振腔壳体2连通。

实施例1： 单消声孔测试装置

共振腔壳体与管道的连接仅有一个消声孔，消声孔和空腔组成一个弹性振动系统，当声学管道内的声波频率和共振腔振动系统的固有频率相同时，该系统就发生共振，导致消声孔脖颈中空气柱的运动速度加快，空气与孔壁摩擦加剧，最大限度的将声能转化为热能，此时通过声学管道的声波的传递损失最大。

测量方法：共振腔初始体积V ₀ =485mL,共振腔壳体与管道的连接有1个消声孔，n=1，消声孔直径d=5mm,消声孔厚度t=7mm根据式（1）～（2）可以确定初始状态时系统的共振频率f ₀ =107Hz。通过扬声器发出频率为20～2 f ₀  （Hz）的声波，取声波的频率步长为5～10Hz（步长越小，测试结果越精确），通过管道入口、出口处的传声器测量声波流经该系统后的传递损失，得到系统初始状态时的传递损失最大值频率f ₀ 与共振腔体积V ₀ 的关系。

向软质包装袋内注入5mL液体，通过扬声器发出20～214Hz声波，通过管道入口、出口处的传声器测量声波流经该系统后的传递损失，得到系统在软包装内液体体积为5mL时的传递损失最大值频率f _5mL 。

向软质包装袋内不断注入液体，取步长为5mL，通过扬声器发出声波，取声波的频率步长为5Hz，通过管道入口、出口处的传声器测量声波流经该系统后的传递损失，分别得到系统在液体体积为n×5mL时的传递损失最大值频率f _imL  (i=5,10,15,……n×5，n为整数)。当液体体积逐渐增加时，测得系统的传递损失如图2。

根据传递损失最大值频率f _imL (i=0,5,10,15,……n×5，n×5≤V ₀ )与对应的软包装内液体的体积，绘制的函数关系如图3。

使用公式s=(f _5×n-f ₀ ) /(5×n)，计算该系统的灵敏度为7mL/Hz,即当频率偏移1Hz时，体积变化7mL。

当软包装内液体体积未知时，测量系统在该状态传递损失最大值对应的频率，然后除以系统的灵敏度s，即可得到被测软包装内液体的体积。

实施例2： 多消声孔测试装置

共振腔壳体与管道的连接有多个消声孔，如图4。消声孔和空腔组成一个弹性振动系统，当声学管道内的声波频率和共振腔振动系统的固有频率相同时，该系统就发生共振，导致消声孔脖颈中空气柱的运动速度加快，空气与孔壁摩擦加剧，最大限度的将声能转化为热能，，此时通过声学管道的声波的传递损失最大。

测量方法：共振腔初始体积V ₀ =485mL, 共振腔壳体与管道的连接有13个消声孔，n=13，消声孔直径d=5mm,消声孔厚度t=7mm根据式（1）～（2）可以确定初始状态时系统的共振频率f ₀ =345Hz。则系统中预产生声波的频率为20～2 f ₀  （Hz）。通过扬声器发出声波，取声波的频率步长为5～10Hz（步长越小，测试结果越精确），通过管道入口、出口处的传声器测量声波流经该系统后的传递损失，得到系统初始状态时的传递损失最大值频率f ₀ 与共振腔体积V ₀ 的关系。

向软质包装袋内注入10mL液体，通过扬声器发出20～690Hz声波，取声波的频率步长为10Hz，通过管道入口、出口处的传声器测量声波流经该系统后的传递损失，得到系统在软包装内液体体积为10mL时的传递损失最大值频率f _10mL 。

向软质包装袋内不断注入液体，取步长为10mL，通过扬声器发出声波，取声波的频率步长为10Hz，通过管道入口、出口处的传声器测量声波流经该系统后的传递损失，分别得到系统在液体体积为n×10mL时的传递损失最大值频率f _imL  (i=10,20,30,……n×10，n整数)。当液体体积逐渐增加时，测得系统的传递损失如图5。

根据传递损失最大值频率f _imL (i=0, 10,20,……n×10，n为整数)与对应的软包装内液体的体积，绘制的函数关系如图6。

使用公式s=(f _10×n-f ₀ ) /(10×n)，计算该系统的灵敏度为2.4mL/Hz,即当频率偏移1Hz时，体积变化2.4mL。

当软包装内液体体积未知时，测量系统在该状态传递损失最大值对应的频率，然后乘以系统的灵敏度s，即可得到被测软包装内液体的体积。

Claims (3)

1.一种软包装液体体积测量装置，其特征在于：包括声学管道（1）、传声器（5）、扬声器（4）以及声学管道（1）底部设置的共振腔壳体（2），声学管道（1）入口端设置扬声器（4），出口端开口，入口端和出口端都设置有传声器（5）；声学管道底部至少开有一个消声孔（6）与共振腔壳体（2）连通。

2.一种软包装液体体积测量方法，其特征在于步骤如下：将被测的软质包装放入共振腔内，通过扬声器产生不同的已知频率的声音信号在声学管道内传输；传声器拾取声学管道内的声音信号，消声孔和共振腔组成一个弹性振动系统，当声学管道内的声波频率和共振腔振动系统的固有频率相同时，弹性振动系统就发生共振，此时通过声学管道的声波的传递损失最大，通过管道入口和出口处的两只传声器可以测量声波流经管道时的传递损失，找到传递损失最大值对应的频率，建立频率与空腔体积的函数关系，实现对软质包装内液体体积的测量。

3.根据权利要求2所述的软包装液体体积测量方法，其特征在于：具体步骤如下：

共振腔消声器的共振频率表达式如下: 公式(1)，式中：c为声速；V为共振腔体积；G为传导率；传导率G为：公式(2)，式中：d为消声孔直径；t为消声孔厚度；n为消声孔个数,n≥1；传递损失的计算公式为：TL=20log ₁₀(P_i/P_t) 公式（3），其中P _i 为入口处声压的有效值，Pt为出口处声压的有效值，TL为传递损失；系统的灵敏度s计算公式为：s=(f _imL -f ₀ ) /( n×V’) 公式（4），式中：s为系统的灵敏度；f _imL 为系统在注入液体体积为n×V’mL时的传递损失最大值频率；f ₀ 为系统初始状态时的传递损失最大值频率；n×V’为注入液体体积；

将被测的软质包装放入共振腔内，传声器与扬声器安装在声学管道上，管道与共振腔壳体通过消声孔联通，定义共振腔初始体积为V ₀ ,测试时，n, d ,t确定，共振腔初始共振频率f ₀ 根据公式（1）、（2）确定；使用时，扬声器发出频率范围为20～2f ₀ 已知频率的声音信号；取声波的频率步长为5-10Hz，通过管道入口、出口处的传声器测量声压有效值，通过公式（3）计算出声波流经该系统后的传递损失，从而获得系统初始状态时的传递损失最大值，该传递损失最大值所对应的声音信号的频率为f ₀ ，由公式（1）获得该频率f ₀ 与共振腔体积V ₀ 的关系，此时被测液体的体积为0；

向软质包装袋内注入体积为V’的液体，通过扬声器发出声波，取声波的频率步长为V’Hz，通过管道入口、出口处的传声器测量声波流经该系统后的传递损失；

向软质包装袋内不断注入整数n倍体积V’的液体，通过扬声器发出声波，取声波的频率步长为V’Hz，通过管道入口、出口处的传声器测量声波流经该系统后的传递损失，分别得到系统在注入液体体积为n×V’mL时的传递损失最大值频率f _imL (i=1×V’,2×V’,3×V’,……n×V’，n为整数，n×V’≤V ₀ )；当液体体积逐渐增加时，测得系统的传递损失；

根据传递损失最大值频率f _imL (i=1×V’,2×V’,3×V’,……n×V’，n为整数，n×V’≤V ₀ )与对应的软包装内液体的体积，绘制的函数关系；

使用公式（4），计算该系统的灵敏度s，即当频率偏移1Hz时，体积变化的ml量；

当软包装内液体体积未知时，测量系统在该状态传递损失最大值对应的频率，然后除以系统的灵敏度s，即可得到被测软包装内液体的体积。