CN107389803B - 一种液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法，包括以下步骤：将一个较薄的固体作为半波层置于被测液体中间，在被测液体两侧分别对称地放置超声波换能器A和超声波换能器B，超声波换能器A作为发射换能器工作在脉冲回波模式，超声波换能器B工作在接收模式，调整超声波换能器A的驱动频率使超声波在被测液体和半波层交界面的多重反射波达到最大程度干涉，此时超声波换能器A和超声波换能器B的回波信号趋于稳态，则被测液体与半波层之间的声反射系数R₁₂只与超声波换能器A和超声波换能器B在稳态下的回波信号幅度比值K有关，采用本发明的方法，简化了反射系数测量的理论推导过程。

Description

一种液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法

技术领域

本发明涉及超声波、传感器、测量等技术领域，涉及利用超声波测量液体密度时，一种液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法。

背景技术

声阻法测量液体密度主要是利用声特性阻抗Z＝ρc得到的，其中Z为声阻抗，ρ为液体密度，c为超声波传播速度。超声波从介质1垂直入射介质2 时，设A_i、A_t和A_r分别为入射、透射和反射波幅度。根据平面波传播理论可知，介质1到介质2的声压反射系数R₁₂与声阻抗Z₁和Z₂的关系为：

假设已知介质1的密度ρ₁和声速c₁，如果测得反射系数R₁₂和介质2中的声速c₂，则介质2的密度为：

以上就是声阻抗法测量密度的原理。其中c₂可以根据传播距离与时间差计算得到，因此声阻法测量密度的关键就是测量反射系数R₁₂。

当测量液体密度时，反射系数R₁₂的测量方法通常借助一个固体延迟材料，延迟材料与被测液体之间的反射系数R₁₂可以根据A_r/A_t或A_r/A_i得到。但固体延迟材料和被测液体声阻抗的差异较大，因此反射系数测量的灵敏度也较差；有些方法中采用多重反射法，但这样会衰减声波能量。

Hirnschrodt等人提出半波层反射模型，超声波发射后依次进入参考液体、延迟材料、被测液体。设A₀为超声波入射参考液体的入射波幅度，A^*为在参考液体与延迟材料交界面处的反射波幅度，A_R为在延迟材料和被测液体交界面处的反射波幅度。当换能器的脉冲信号频率f选择正确且驱动脉冲足够长时，A^*和A_R达到最大干涉，换能器接收的回波信号叠加后趋于稳态，幅度为 A_SS。当延迟材料厚度l等于声波波长λ的n/2倍，n为正整数，此时延迟材料两个表面的回波会无损干涉，因此该固体层被称为半波层。此时R₁₂可根据A_SS/A₀得到，但A₀的幅值无法在回波信号中直接确定，因此该方法还需完善。

刘佳鑫对Hirnschrodt的方法进改进，在Hirnschrodt的半波层反射法基础上，在被测液体一侧也连接换能器。设A₀为入射波幅值，A₁到A_n为经1 至n次反射换能器A接收到的信号幅值，B₁到B_n为换能器B接收到的信号幅值。两个换能器接收的回波信号相对稳态幅度为A_SS和B_SS，则R₁₂可以由相对稳态幅度比A_SS/B_SS得到。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有声阻法测量液体密度方法存在的诸多问题，提出一种液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法，该方法步骤科学、合理，大大简化了幅值比的计算，计算量小；不需要过高的时间精度，降低了测量上的困难，也减小了测量上的误差。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法，包括以下步骤：将一个1-2cm厚的固体作为半波层2置于被测液体1中间，在被测液体1两侧分别对称地放置超声波换能器A和超声波换能器B，所述超声波换能器A3作为发射换能器工作在脉冲回波模式，所述超声波换能器B4工作在接收模式，调整超声波换能器A3的驱动频率使超声波在被测液体1和半波层2交界面的多重反射波达到最大程度干涉，此时超声波换能器A3和超声波换能器B4的回波信号趋于稳态，则被测液体1与半波层2之间的声反射系数R₁₂只与超声波换能器A3和超声波换能器B4在稳态下的回波信号幅度比值K有关，公式为：

其中α₂为半波层2的衰减系数，l₂为半波层2的厚度。e是通用数学符号，代表指数函数。

进一步地，所述半波层(2)左右两侧均为被测液体且厚度相同，即装置关于半波层(2)左右对称。

进一步地，计算超声波换能器A3和超声波换能器B4的回波信号时考虑 n重回波的幅度。

进一步地，所述半波层2两侧面的回波信号发生无损干涉，超声波换能器A3和超声波换能器B4接收的回波信号经过叠加后趋于稳态。

进一步地，所述超声波换能器A3和超声波换能器B4接收的回波信号相对稳态幅度，等于1到n重回波信号幅度的和。

进一步地，所述超声波换能器A3的驱动信号中心频率为1MHz，峰峰值为10V，周期个数为30。

进一步地，半波层材料的选择要综合考虑其衰减系数和声阻抗，本发明选择石英玻璃作为半波层材料。所述半波层的优选厚度为1.2-1.8cm。选择石英玻璃作为半波层材料的优点在于：1)熟知其声学特性，2)高频下衰减系数较低，3)有适当的声阻抗，使得被测液体和半波层之间有有效的声透射。半波层模型中要求换能器的脉冲信号频率f要选择正确，使延迟材料厚度等于声波波长λ的n/2倍，本发明中，半波层厚度为14.0975mm

如图1所示，A₀为入射波幅值，A_i和B_i为i次反射后换能器A和换能器 B接收到的信号幅值，l₁表示换能器到半波层的距离，l₂为半波层厚度。

设被测液体和半波层的衰减系数为分别α₁和α₂，从被测液体到半波层的反射系数为R₁₂、入射系数T₁₂，从半波层到被测液体的反射系数为R₂₁、入射系数T₂₁。理论上超声换能器A3得到的回波幅度可以表示为：

超声换能器B4接收到的回波幅度可以表示为：

根据半波层反射模型可以知道，换能器的脉冲信号频率f选择正确使延迟材料厚度等于声波波长λ的n/2倍时，当驱动脉冲足够长，则该频率下半波层2两个表面的回波信号会发生无损干涉，超声换能器A3和超声换能器 B4接收的回波信号经过叠加后趋于稳态。

超声换能器A3和超声换能器B4接收的回波信号相对稳态幅度为A_SS和 B_SS，等于1到n重回波信号幅度的和，计算公式如下：

因此当n→∞时，超声换能器A3和超声换能器B4的回波信号稳态幅度分别为：

则相对稳态幅度比K为：

根据公式⑦可得：

公式⑧中，当半波层材2料选定后，半波层2的衰减系数α₂和长度l₂为已知量。反射系数R₁₂只与超声换能器A3和超声换能器B4在稳态状态下的回波信号幅度比值有关。所以根据相对稳态幅度比K就可以求出反射系数 R₁₂。

本发明液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法，步骤科学、合理，本发明在半波层反射模型基础上，实现延迟材料与被测液体之间的反射系数R₁₂的测量。与现有技术相比较具有以下优点：

本发明的方法相对于现有技术，保留了相对稳态幅度法，用被测液体替换参考液体，建立对称的简化模型。由于本发明的方法采用对称布局，因此超声波换能器A作为发射端和超声波换能器B作为发射端时工作过程完全一致。与未简化的半波层反射模型相比，简化模型中仅需要计算超声波换能器 A作为发射端时超声波换能器A和超声波换能器B的回波信号，不需要再考虑超声波换能器B作为发射端的情况，比现有技术中的反射系数测量方法减少了一半的计算量。同时用被测液体替换原模型中的参考液体后，推导过程不需要考虑半波层与参考液体之间的反射系数，减少了变量，从而简化了反射系数的计算。

本发明的方法保留了现有技术中的相对稳态幅度法，不同之处在于：在考虑超声波衰减情况时，稳态幅值比的推导过程中可以消去超声波在被测液体中的衰减系数，与通常的反射系数测量方法相比，大大简化了幅值比的计算。并且相对稳态幅度法仅需要测量稳态时的幅值而不需要单独测量各次回波的情况，因此测量回波信号时，不需要过高的时间精度，降低了测量上的困难，也减小了测量上的误差。

附图说明

图1为本发明液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法采用的测量模型图；

图2为本发明液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法采用的实验装置结构示意图；

图3测量水和半波层之间的反射系数R₁₂时超声波换能器A和超声波换能器B的回波信号图。

其中：1—被测液体，2—半波层，3—超声波换能器A，4—超声波换能器B，5—波形发生器，6—信号放大器A，7—信号放大器B，8—数字转化器，9—PC机。

具体实施方式

本发明涉及利用超声波测量液体密度时，一种液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法，下面通过具体实施案例，对本发明的方法作进一步的说明。

本实施例公开一种液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法，其步骤如下：

步骤1：确定驱动信号

选择波形发生器发出的换能器驱动信号中心频率为1MHz，峰峰值为 10V，周期个数为30。

步骤2：选定半波层

在本发明中，选择石英玻璃作为半波层材料，其优点在于：1)熟知其声学特性，2)高频下衰减系数较低，3)有适当的声阻抗，使得被测液体和半波层之间有有效的声透射。

由于换能器的脉冲信号频率f要选择正确，使延迟材料厚度等于声波波长λ的n/2倍，且波长λ＝c/f。因此半波层厚度l₂表达式如下：

其中k为正整数。实验中换能器驱动信号的中心频率为1MHz，查表可知超声波在石英玻璃中的声度为5639m/s，取k＝5，带入公式⑨求得半波层厚度为14.0975mm。

步骤3：搭建实验装置

按照图2所示的实验装置结构图搭建实验装置，包括被测液体1、半波层2、超声换能器A3和超声换能器B4、波形发生器5、信号放大器A6和信号放大器B7、数字转换器8、PC机9。换能器的驱动信号是由任意波形发生器5产生的周期可变频率可调的正弦波。超声换能器A3和超声换能器B4接收到的信号经信号放大器A6和信号放大器B7由数字化转换器8采集，连接到PC机9由LabVIEW和MATLAB软件进行数据处理。

步骤4：测量得到回波信号波形图

以水为被测液体，用实验装置测量水和半波层之间的反射系数R₁₂。超声换能器A3和换能器B4的回波信号经信号放大器A6和信号放大器B7和数字转换器8的处理后，由PC机9上的LabVIEW和MATLAB软件进行数据处理，得到回波信号的波形图，如图3所示。

步骤5：测量幅值比

在图3中可以看出，取时间t满足65μs<t<80μs时，超声换能器A3和超声换能器B4的相对稳态回波幅度，已经在图3中标出超声换能器A和超声换能器B的回波相对稳态幅度A_SS和B_SS，计算幅值比：

步骤6：计算反射系数

查阅文献可知频率为1MHz时，石英玻璃的衰减系数α₂＝10.6*10^-3dB/cm，长度l₂＝14.0975mm，将α₂、l₂、K的值带入公式⑧得：

因此根据测量的幅值比可得，水与半波层之间的反射系数R₁₂＝79.785％。

步骤7：计算反射系数理论值

已知石英玻璃密度ρ₂＝2.205g/cm³，石英玻璃中超声波的声度c₂＝5639m/s，水溶液密度ρ₁＝1.003g/cm³，水溶液中超声波的声度c₁＝1422m/s，根据公式①可求出水与半波层之间的反射系数理论值R_t＝79.475％，与实际测量值 R₁₂＝79.785％比较，该测量方法误差较小，测量准确。

本发明的理论推导依据如下：

设被测液体和半波层的衰减系数为分别α₁和α₂，从被测液体到半波层的反射系数为R₁₂、入射系数T₁₂，从半波层到被测液体的反射系数为R₂₁、入射系数T₂₁，四者之间的关系如下：

当超声换能器A作为发射换能器时，理论上超声换能器A得到的回波幅度可以表示为：

相应地超声换能器B接收到的回波幅度可以表示为：

由于半波层两个表面的回波信号会发生无损干涉，两个超声换能器(超声换能器A和超声换能器B)接收的回波信号经过叠加后趋于稳态。两个换能器接收的回波信号相对稳态幅度为A_SS和B_SS，等于其1到n重回波信号幅度的和，计算公式如下：

为了简化推导步骤，定义α_A、q_A、α_B和q_B如下：

将公式

带入公式

和

可得：

根据公式

和

可得：

当n→∞时，求和公式如下：

因此当n→∞时，超声换能器A和超声换能器B的回波信号稳态幅度分别为：

则相对稳态幅度比K为：

根据公式21可得：

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：将一个1-2cm厚的固体作为半波层(2)置于被测液体(1)中间，在被测液体(1)两侧分别对称地放置超声波换能器A(3)和超声波换能器B(4)，所述超声波换能器A(3)作为发射换能器工作在脉冲回波模式，所述超声波换能器B(4)工作在接收模式，调整超声波换能器A(3)的驱动频率使超声波在被测液体(1)和半波层(2)交界面的多重反射波达到最大程度干涉，此时超声波换能器A(3)和超声波换能器B(4)的回波信号趋于稳态，则被测液体(1)与半波层(2)之间的声反射系数R₁₂只与超声波换能器A(3)和超声波换能器B(4)在稳态下的回波信号幅度比值K有关，公式为：

其中α₂为半波层(2)的衰减系数，l₂为半波层(2)的厚度。

2.根据权利要求1所述液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法，其特征在于，所述半波层(2)左右两侧均为被测液体且厚度相同。

3.根据权利要求1所述液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法，其特征在于，所述超声波换能器A(3)的驱动信号中心频率为1MHz，峰峰值为10V，周期个数为30。

4.根据权利要求1所述液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法，其特征在于，选择石英玻璃作为半波层(2)材料。

5.根据权利要求1或4所述液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法，其特征在于，所述半波层(2)的厚度为1.2-1.8cm。

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