CN108181383A - 一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，包括以下步骤：1）建立液体柱模型，推导出液体一维非线性波动方程；2）根据边界条件，通过微扰法推导出二次谐波传播时的声波振动压强解；3）通过仿真软件对声波振动压强解的信号函数进行傅里叶变化，得到液体理论频谱图；4）在液体柱模型中加入泥沙形成MC泥沙模型，进行二次谐波传播时的声波振动压强解分析，通过仿真软件仿真得到理论上MC泥沙模型的频率飘移图；5）通过实际仪器测量得到实际测量频谱图，将其与液体理论频谱图作对比得到实测频率飘移量；6）将实测频率飘移量与理论频率飘移量相对应，从而得到实测泥沙含量。大大提高检测的精度和可靠度。

Description

一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法

技术领域

本发明涉及一种泥沙含量检测方法，特别是涉及一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，属于超声检测及分析技术领域。

背景技术

随着超声技术的发展，超声检测在工程领域的应用越来越频繁。河流中泥沙的长期积累，对水利工程造成巨大的影响，同时也给防洪造成很多困扰。我们必须研究泥沙的特性，充分掌握泥沙的运动规律，才能保证水利工程的顺利实施和安全运行，才能使泥沙尽可能少的淤积河道、防止洪涝灾害的发生。

超声波在有界流体中的传播具有强烈的非线性，传播频带较广，可以穿透高浓度的悬浮液，因此在悬浮液检测技术中占有重要地位。

目前泥沙信息检测法有：

(1)烘干法：烘干法是最直接简单的测量方法，这种测量方法所需设备简易，方法简单，局部精度较高，结果也很可观，但是整个测量过程比较繁琐，测量周期很长，不能满足现代测量的实时性。

(2)采样法：采样法是一种传统的泥沙浓度分析方式，利用采样器现场取样，然后对水样进行抽滤、称重、计算悬沙质量浓度，该方法虽然测量精度高，但无法实现对水体泥沙浓度的定点实时监测。

(3)激光法：激光法是利用光在水体中传播时由于泥沙颗粒散射、衍射、吸收等原因，造成光强度上一定程度的衰减，通过对其衰减系数的测定，进而得到水体中泥沙含量等诸多信息。

按上述方法均可实现悬浮液中泥沙信息的检测，但是其使用范围有所不同，检测过程较为繁琐，且检测周期长，实时性比较差，精度低，不能满足水利工程检测的高要求。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，能更好地得到河流中泥沙含量的情况，有利于对水利工程进行质量监测和维护，特别适用于河流中泥沙含量过高的情况，具有产业上的利用价值。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，包括以下步骤：

1)建立液体柱模型，推导出液体一维非线性波动方程；

2)根据边界条件，通过微扰法推导出二次谐波传播时的声波振动压强解；

3)通过仿真软件对声波振动压强解的信号函数进行傅里叶变化，得到振幅谱，从而得到压强频谱曲线图即液体理论频谱图；

4)在液体柱模型中加入泥沙形成MC泥沙模型，对MC泥沙模型进行二次谐波传播时的声波振动压强解分析，通过仿真软件仿真得到理论上MC泥沙模型的频率飘移图，该MC泥沙模型的频率飘移图表示了通过理论计算得到的理论频率飘移量与理论泥沙含量的对应关系；

5)通过实际仪器测量得到实际测量频谱图，将实际测量频谱图与液体理论频谱图作对比得到实测频率飘移量；

6)参照MC泥沙模型的频率飘移图，将实测频率飘移量与理论频率飘移量相对应，从而得到与理论频率飘移量相对应的理论泥沙含量即为实测泥沙含量。

本发明进一步设置为：所述步骤1)的建立液体柱模型，推导出液体一维非线性波动方程，具体为，

建立液体柱模型

其中，ρ为有声扰动时介质密度，υ为介质质点速度，t为时间，x为传播距离，p为声压，η'和η”为流体的粘滞系数，c₀为声波速度，P为压力，P₀为压力的静态值，ρ₀为无声扰动时的介质密度，γ为介质的非线性系数；

令ρ＝ρ₀+ρ'，ρ'为有声扰动时介质密度的变化量；

则公式(1)、(2)、(3)推导为，

将公式(6)代入公式(4)，得公式(7)，

基于流体做无旋运动，则令其中φ是势函数；且在非线性项中，关于ρ'和υ的关系取线性近似并对所有项只准确到二级近似，则得到在考虑到粘滞效应之后的介质中声波传递的非线性波动方程为公式(8)，

其中，a＝c₀(γ-1)/2。

本发明进一步设置为：所述步骤2)的根据边界条件，通过微扰法推导出二次谐波传播时的声波振动压强解，具体为，

采用微扰法求出非线性波动方程的一级近似解φ₁和二级近似解φ₂，

令非线性波动方程的解为φ＝φ₁+φ₂，将一级近似解φ₁和二级近似解φ₂代入非线性波动方程，并令具有同数量级的各项相等，得到，

一级近似方程为

二级近似近似方程为

根据边界条件，在x＝0处即在简谐声源处，应该满足υ₂＝0的条件，即声源处不存在二次谐波的；在x＝l处即声波在介质传播的终点处，应满足和的条件，即声波速度的变化连续；υ₁为基波速度，υ₂为二次谐波的速度；

结合边界条件，由代入近似方程求得声波振动压强解为p₁和p₂，

其中，k＝ω/c₀；j为虚数，ω为声波的角频率，υ₀为介质质点初始速度；

求得的声波振动压强解为二次谐波压强和传播波数的关系表达式。

本发明进一步设置为：所述仿真软件为Matlab软件。

本发明进一步设置为：所述MC泥沙模型的频率飘移图为MC泥沙模型下不同泥沙含量及不同泥沙颗粒粒径下的频率飘移图；所述理论频率飘移量为理论上二次谐波的频率与理论泥沙含量不同时二次谐波传播时的频率的差值。

本发明进一步设置为：所述实际仪器为泥沙含量检测装置，其用二次谐波频谱特性对泥沙含量进行检测；

所述泥沙含量检测装置包括超声波激发模块、信号接收模块和容置有悬浮液的水槽，所述超声波激发模块包括依次相连的信号发生器和换能器，所述信号接收模块包括依次相连的水听器和频谱分析仪，所述悬浮液为液体和泥沙的混合液，所述水槽位于换能器和水听器之间；

所述信号发生器用于产生电信号，所述换能器用于将电信号转化为声信号作用于水槽，所述水听器用于将经水槽传播过来的声信号转化为电信号，频谱分析仪用于分析从水听器接收到的电信号得到实际测量频谱图。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明提供的基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，通过理论得到的液体理论频谱图与实际测量的实际测量频谱图做对比分析，得到实测频率飘移量，通过理论计算得到的理论频率飘移量与理论泥沙含量的对应关系，从而得到实测泥沙含量，能更好地得到河流中泥沙含量的情况，有利于对水利工程进行质量监测和维护。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1是本发明的MC泥沙模型下不同泥沙含量的频率飘移图；

图2是本发明的MC泥沙模型下不同泥沙颗粒粒径的频率飘移图；

图3为本发明的泥沙含量检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明提供一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，包括以下步骤：

1)建立液体柱模型，推导出液体一维非线性波动方程；

具体为，

建立液体柱模型

其中，ρ为有声扰动时介质密度，υ为介质质点速度，t为时间，x为传播距离，p为声压，η'和η”为流体的粘滞系数，c₀为声波速度，P为压力，P₀为压力的静态值，ρ₀为无声扰动时的介质密度，γ为介质的非线性系数；

令ρ＝ρ₀+ρ'，ρ'为有声扰动时介质密度的变化量；

则公式(1)、(2)、(3)推导为，

将公式(6)代入公式(4)，得公式(7)，

基于流体做无旋运动，则令其中φ是势函数；且在非线性项中，关于ρ'和υ的关系取线性近似并对所有项只准确到二级近似，则得到在考虑到粘滞效应之后的介质中声波传递的非线性波动方程为公式(8)，

其中，a＝c₀(γ-1)/2。

2)根据边界条件，通过微扰法推导出二次谐波传播时的声波振动压强解；

具体为，

采用微扰法求出非线性波动方程的一级近似解φ₁和二级近似解φ₂，

令非线性波动方程的解为φ＝φ₁+φ₂，将一级近似解φ₁和二级近似解φ₂代入非线性波动方程，并令具有同数量级的各项相等，得到，

一级近似方程为

二级近似近似方程为

根据边界条件，在x＝0处即在简谐声源处，应该满足υ₂＝0的条件，即声源处不存在二次谐波的；在x＝l处即声波在介质传播的终点处，应满足和的条件，即声波速度的变化连续；υ₁为基波速度，υ₂为二次谐波的速度；

结合边界条件，由代入近似方程求得声波振动压强解为p₁和p₂，

其中，k＝ω/c₀；j为虚数，ω为声波的角频率，υ₀为介质质点的初始速度；

求得的声波振动压强解为二次谐波压强和传播波数的关系表达式。

3)通过仿真软件Matlab软件对声波振动压强解的信号函数进行傅里叶变化，得到振幅谱，从而得到压强频谱曲线图即液体理论频谱图。

4)在液体柱模型中加入泥沙形成MC泥沙模型，对MC泥沙模型进行二次谐波传播时的声波振动压强解分析，通过仿真软件Matlab软件仿真得到理论上MC泥沙模型的频率飘移图，该MC泥沙模型的频率飘移图表示了通过理论计算得到的理论频率飘移量与理论泥沙含量的对应关系；如图1和图2所示，所述MC泥沙模型的频率飘移图为MC泥沙模型下不同泥沙含量及不同泥沙颗粒粒径下的频率飘移图；所述理论频率飘移量为理论上二次谐波的频率与理论泥沙含量不同时二次谐波传播时的频率的差值。

5)通过实际仪器测量得到实际测量频谱图，将实际测量频谱图与液体理论频谱图作对比得到实测频率飘移量。

所述实际仪器为泥沙含量检测装置，其用二次谐波频谱特性对泥沙含量进行检测。

如图3所示，所述泥沙含量检测装置包括超声波激发模块、信号接收模块和容置有悬浮液的水槽，所述超声波激发模块包括依次相连的信号发生器和换能器，所述信号接收模块包括依次相连的水听器和频谱分析仪，所述悬浮液为液体和泥沙的混合液，所述水槽位于换能器和水听器之间。

所述信号发生器用于产生电信号，所述换能器用于将电信号转化为声信号作用于水槽，所述水听器用于将经水槽传播过来的声信号转化为电信号，频谱分析仪用于分析从水听器接收到的电信号得到实际测量频谱图。

6)参照MC泥沙模型的频率飘移图，将实测频率飘移量与理论频率飘移量相对应，从而得到与理论频率飘移量相对应的理论泥沙含量即为实测泥沙含量。

本发明的创新点在于，基于二次谐波的频率飘移的敏感特性，大大提高检测的精度和可靠度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立液体柱模型，推导出液体一维非线性波动方程；

2)根据边界条件，通过微扰法推导出二次谐波传播时的声波振动压强解；

3)通过仿真软件对声波振动压强解的信号函数进行傅里叶变化，得到振幅谱，从而得到压强频谱曲线图即液体理论频谱图；

4)在液体柱模型中加入泥沙形成MC泥沙模型，对MC泥沙模型进行二次谐波传播时的声波振动压强解分析，通过仿真软件仿真得到理论上MC泥沙模型的频率飘移图，该MC泥沙模型的频率飘移图表示了通过理论计算得到的理论频率飘移量与理论泥沙含量的对应关系；

5)通过实际仪器测量得到实际测量频谱图，将实际测量频谱图与液体理论频谱图作对比得到实测频率飘移量；

6)参照MC泥沙模型的频率飘移图，将实测频率飘移量与理论频率飘移量相对应，从而得到与理论频率飘移量相对应的理论泥沙含量即为实测泥沙含量。

2.根据权利要求1所述的一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，其特征在于：所述步骤1)的建立液体柱模型，推导出液体一维非线性波动方程，具体为，

建立液体柱模型

其中，ρ为有声扰动时介质密度，υ为介质质点速度，t为时间，x为传播距离，p为声压，η'和η”为流体的粘滞系数，c₀为声波速度，P为压力，P₀为压力的静态值，ρ₀为无声扰动时的介质密度，γ为介质的非线性系数；

令ρ＝ρ₀+ρ'，ρ'为有声扰动时介质密度的变化量；

则公式(1)、(2)、(3)推导为，

将公式(6)代入公式(4)，得公式(7)，

基于流体做无旋运动，则令其中φ是势函数；且在非线性项中，关于ρ'和υ的关系取线性近似并对所有项只准确到二级近似，则得到在考虑到粘滞效应之后的介质中声波传递的非线性波动方程为公式(8)，

其中，a＝c₀(γ-1)/2。

3.根据权利要求2所述的一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，其特征在于：所述步骤2)的根据边界条件，通过微扰法推导出二次谐波传播时的声波振动压强解，具体为，

采用微扰法求出非线性波动方程的一级近似解φ₁和二级近似解φ₂，

令非线性波动方程的解为φ＝φ₁+φ₂，将一级近似解φ₁和二级近似解φ₂代入非线性波动方程，并令具有同数量级的各项相等，得到，

一级近似方程为

二级近似近似方程为

根据边界条件：在x＝0处即在简谐声源处，应该满足υ₂＝0的条件，即声源处不存在二次谐波的；在x＝l处即声波在介质传播的终点处，应满足和的条件，即声波速度的变化连续；υ₁为基波速度，υ₂为二次谐波的速度；

结合边界条件，由代入近似方程求得声波振动压强解为p₁和p₂，

其中，k＝ω/c₀；j为虚数，ω为声波的角频率，υ₀为介质质点初始速度；

求得的声波振动压强解为二次谐波压强和传播波数的关系表达式。

4.根据权利要求1所述的一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，其特征在于：所述仿真软件为Matlab软件。

5.根据权利要求1所述的一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，其特征在于：所述MC泥沙模型的频率飘移图为MC泥沙模型下不同泥沙含量及不同泥沙颗粒粒径下的频率飘移图；所述理论频率飘移量为理论上二次谐波的频率与理论泥沙含量不同时二次谐波传播时的频率的差值。

6.根据权利要求1所述的一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，其特征在于：所述实际仪器为泥沙含量检测装置，其用二次谐波频谱特性对泥沙含量进行检测；

所述泥沙含量检测装置包括超声波激发模块、信号接收模块和容置有悬浮液的水槽，所述超声波激发模块包括依次相连的信号发生器和换能器，所述信号接收模块包括依次相连的水听器和频谱分析仪，所述悬浮液为液体和泥沙的混合液，所述水槽位于换能器和水听器之间；

所述信号发生器用于产生电信号，所述换能器用于将电信号转化为声信号作用于水槽，所述水听器用于将经水槽传播过来的声信号转化为电信号，频谱分析仪用于分析从水听器接收到的电信号得到实际测量频谱图。