CN110530765B - 基于非线性参数测量的水中气泡群尺寸分布参数反演方法 - Google Patents
基于非线性参数测量的水中气泡群尺寸分布参数反演方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110530765B CN110530765B CN201910919512.0A CN201910919512A CN110530765B CN 110530765 B CN110530765 B CN 110530765B CN 201910919512 A CN201910919512 A CN 201910919512A CN 110530765 B CN110530765 B CN 110530765B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- bubble
- nonlinear
- frequency
- omega
- sound pressure
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 15
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 14
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 7
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 claims description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 3
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 3
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 abstract description 4
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 13
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002872 contrast media Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000009774 resonance method Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明提供的是一种基于非线性参数测量的水中气泡群尺寸分布参数反演方法。通过对待测含气泡水介质发射单频脉冲信号获得非线性系数,利用非线性系数和气泡尺寸分布的关系反演气泡尺寸分布参数。本发明的方法可以剔除与气泡自身特性无关的影响(如边界和其他散射体等),具有精确度高,计算简便的特点具有较高的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种水中气泡半径的分布的确定方法,具体地说是一种利用含气泡水介质非线性系数进行气泡群尺寸分布参数声学反演的方法。
背景技术
研究含气泡水介质在各个领域有着广泛的应用意义。例如医学上利用气泡造影剂提高医用超声领域的生理组织成像;工业中用于水下油气田的检漏;水声领域用于提高声参量阵的转换效率;船舶航行时进行尾流气泡的识别等。
气液混合物中气泡的大小、分布和浓度等不仅会影响到混合物的物理特性,还会影响其受到声波激励时呈现的非线性特性。因此,在利用或规避气泡的影响时,对液体中气泡的尺度分布参数的获取颇有必要。然而,由于气泡的尺度通常较小且多处于运动状态,要通过直接的测量手段获取这些参数较为困难,因此一般需要通过其它方式来反演气泡参数。一般可以通过声学和光学的方法进行反演得到气泡参数。光学方法多通过拍摄成像进行尺度的获取,精度高但成本较高;声学的方法具有测量简单、适用性强、测量范围广且成本较低,更适合在复杂环境下应用。
目前,反演气泡群分布参数的主流声学反演方法有以下几种方法:孔隙率法、共振估计法、衰减截面法、声速衰减联合估计法、非线性散射截面法等。下表所示是以上几种方法的主要缺点对比。
表1气泡群分布参数声学反演方法优缺点比较
传统的气泡参数测量方法主要是利用气泡的声衰减、声速频散作为声散射特征,发射声波经过气泡层会使气泡振荡并向外辐射声能量,利用接收到的含有该特征的声学数据与气泡分布之间的关系进行反演,从而可得到气泡的分布特征。以往基于线性理论的气泡参数声学测量方法的一个重要局限性在于,当海洋中存在气泡之外的其它散射体或是接近海面海底等边界时,人们很难将气泡散射信号与其它物体的反射/散射信号进行区分,也无有效手段将其它因素的影响进行滤除。由于除气泡之外的其它散射体或边界的影响均对应于线性散射截面,而利用气泡具有的非线性效应,使得最大程度上克服以上难题成为可能。非线性散射截面法的研究多数未考虑非共振气泡的影响,或在将积分离散化后得不到良好条件数的传递矩阵,反演较为困难,目前尚未应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以剔除与气泡自身特性无关的影响,精确度高的基于非线性参数测量的水中气泡群尺寸分布参数反演方法。
本发明的目的是这样实现的:
(a)在厚度为R的非均匀混合介质样品两侧分别布放发射换能器和接收水听器,发射换能器在x=0处向待测含气泡水介质中发射单频脉冲,接收水听器沿轴向方向在x=R处接收该脉冲声压信号;
(b)根据在含气泡水介质中脉冲声波的二次谐波生成规律,分别测量发射频率ω下的基波和二次谐波声压;
(c)根据测量得到的基波声压p1(ω)和二次谐波声压p2(ω)计算非线性系数;
(d)根据气泡平衡半径分布函数N(R0)对应的气泡半径范围,确定声发射频率范围[ωL,ωH]和频率数M,在该频率范围内等间隔地调整发射脉冲频率;
(e)根据已测量获得的M组基波和二次谐波声压幅值,建立M×1维非线性系数测量矢量β;
(f)建立气泡分布参数与非线性系数的关联方程;
(g)对传递矩阵进行求逆运算,得到所求的气泡尺寸分布函数N(a)。
本发明提供了一种步骤简单,具有较高的应用价值的利用含气泡水介质非线性系数进行气泡群尺寸分布参数声学反演的方法。
本发明通过对待测含气泡水介质发射单频脉冲信号获得非线性系数,利用非线性系数和气泡尺寸分布的关系反演气泡尺寸分布参数。该方法可以剔除与气泡自身特性无关的影响(如边界和其他散射体等),具有精确度高,计算简便的特点。
本发明的有益效果可以归纳为:
(1)和线性反演方法相比,该方法充分利用含气泡水介质的非线性效应,剥离了与气泡大小无关的因素(边界影响、其他散射体等),只利用与气泡分布参数直接相关的非线性声学物理量进行反演,得到的结果更为准确;
(2)和其它的非线性方法相比,该方法提出了利用非线性参数进行反演的方法,积分方程离散后的矩阵方程,其传递函数具有良好的条件数,可以直接使用矩阵求逆进行计算,省略了寻优、拟合的步骤,简化了运算,复杂度低;不需要取过多的测试点数就可以得到较好的反演结果,便于实验和数据处理;
(3)计算简便,具有较高的实验价值和应用价值。
附图说明
图1气泡群分布参数测量装置示意图。
图2假设气泡分布服从幂指数分布用非线性参数的反演结果。
图3假设气泡分布服从高斯分布用非线性参数的反演结果。
图4假设气泡分布服从高斯分布用共振法的反演结果。
图5为本发明的流程图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
(a)在厚度为R的非均匀混合介质样品两侧分别布放发射换能器和接收水听器。发射换能器在x=0处向待测含气泡水介质中发射单频脉冲。接收水听器沿轴向方向在x=R处接收该脉冲声压信号。收发装置满足远场条件。
如示意图1所示,在实验水箱内,将组合发射换能器放置于非均匀混合介质样品的一侧,位置为x=0,在样品另一侧放置接收水听器,位置为x=R,该收发距离R满足远场条件。组合发射换能器和水听器共轴、等深度H布放于水箱中。图1中:1连接发射设备;2连接接收设备;3为组合发射换能器;4为接收水听器;5为非均匀含气泡水介质样品;6为吸声尖劈;7为水箱;8为纯水介质。
(b)根据在含气泡水介质中脉冲声波的二次谐波生成规律,分别测量发射频率ω下的基波和二次谐波声压。
对非线性波动方程进行微扰化简后得到一维非齐次方程:
p1和p2分别为基波和二次谐波;▽表示对距离x的偏导;ω为发射脉冲信号的频率;ρ0为纯水介质的密度,一般有ρ0=1000kg/m3;c0为纯水介质中的声速,一般有c0=1500m/s;β(ω)为待测介质的非线性参数;
二次谐波与基波幅值间满足如下关系:
其中p1(ω)和p2(ω)分别为发射脉冲频率为ω时接收处基波和二次谐波的声压幅值;x为收发装置之间的水平距离。
为保证测量精度,需要使二次谐波声压具有不小于6dB信噪比,根据该条件确定合适的脉冲发射强度。
(c)根据测量得到的p1(ω)和p2(ω)计算非线性系数。
根据非线性指数和非线性参数的关系:
当气泡平衡半径满足分布N(R0)时,β(ω)可写成:
(d)根据气泡平衡半径分布函数N(R0)对应的气泡半径范围,确定声发射频率范围[ωL,ωH]和频率数M。在该频率范围内等间隔地调整发射脉冲频率。
频率范围一般需覆盖关心气泡半径范围的共振频率范围最小值的0.1倍和最大值的10倍。例如,关心的气泡半径范围为50-300μm,对应的共振频率范围大约为6.8-68kHz,发射频率取0.6-680kHz可以得到比较好的反演结果。
(e)根据已测量获得的M组基波和二次谐波声压幅值,建立M×1维非线性系数测量矢量β。
β=[β1 β2 β3 … βM]T (6)
β是M×1矢量;β1,β2…βM是M组发射脉冲频率对应计算得到的非线性系数。
(f)建立气泡分布参数与非线性系数的关联方程。
β=KN (7)
根据β(ω)和N(R0)之间的积分方程进行离散化。可离散化为:
方程以矩阵形式可写为:
其中,N是N×1矢量;K是M×N矩阵;M为频率点数;N为半径点数。频率和半径的点数可以根据期望的反演结果与真实分布的相关系数进行选择。一般地,更大的频率范围和更多的点数,可以得到更高的反演结果与实测值的相关系数。
N=K-1β (10)
实例:
实例参数设置如下:水介质密度ρ0=1000kg/m3,水中声速c0=1500m/s,混合介质样品的长度R=1m。即将水听器布放于距离发射换能器1m处。假设的气泡半径分布服从幂指数分布N(R0)=R0 -4。
考虑气泡的半径范围为15-500μm,半径点数N=1000;激励频率范围为0.1-1000kHz,频率点数M=1000;阻尼系数δ=0.1;比热比γ=1.4;静水压P0=1.088×105。求解方程(2)并联立方程(3)(4)得到非线性系数矢量β。根据式(5)构造传递矩阵K,通过最小二乘反演得到反演效果如图2所示。
类似地,改变假设气泡尺寸分布N(R0)服从高斯分布,方差为1,最大值为5.5×109,其它参数条件不变,反演效果如图3所示。
对假设分布为高斯分布的气泡群进行共振反演法(即利用气泡群的声衰减信息进行反演),并采用样条插值方法对结果进行优化和拟合,得到的反演效果如图4所示。证明非线性参数方法反演在不需要进行曲线拟合和优化的条件下仍比传统的利用声衰减信息进行反演的效果好。
Claims (1)
1.一种基于非线性参数测量的水中气泡群尺寸分布参数反演方法,其特征是包括如下步骤:
(a)在厚度为R的非均匀混合介质样品两侧分别布放发射换能器和接收水听器,发射换能器在x=0处向待测含气泡水介质中发射单频脉冲,接收水听器沿轴向方向在x=R处接收该脉冲声压信号;
(b)根据在含气泡水介质中单频脉冲的二次谐波生成规律,分别测量发射频率ω下的基波和二次谐波声压;
对非线性波动方程进行微扰化简后得到一维非齐次方程:
其中:p1和p2分别为基波和二次谐波的声压幅值;表示对距离x的偏导;ω为发射单频脉冲的频率;ρ0为纯水介质的密度,一般有ρ0=1000kg/m3;c0为纯水介质中的声速,一般有c0=1500m/s;β(ω)为待测介质的非线性参数;
二次谐波与基波幅值间满足如下关系:
其中:p1(ω)和p2(ω)分别为发射频率为ω时接收处基波和二次谐波的声压幅值;x为收发装置之间的水平距离;
(c)根据测量得到的基波声压p1(ω)和二次谐波声压p2(ω)计算非线性系数;
根据非线性指数和非线性参数的关系:
当气泡平衡半径满足分布N(R0)时,β(ω)可写成:
(d)根据气泡平衡半径分布函数N(R0)对应的气泡半径范围,确定声发射频率范围[ωL,ωH]和频率数M,在该频率范围内等间隔地调整发射频率;
频率范围一般需覆盖关心气泡半径范围的共振频率范围最小值的0.1倍和最大值的10倍;
(e)根据已测量获得的M组基波和二次谐波声压幅值,建立M×1维非线性系数测量矢量β;
β=[β1 β2 β3 … βM]T
其中:β是M×1矢量;β1,β2…βM是M组发射频率对应计算得到的非线性系数;
(f)建立气泡分布参数与非线性系数的关联方程;
β=KN
根据β(ω)和N(R0)之间的积分方程进行离散化;可离散化为:
方程以矩阵形式可写为:
其中,N是N×1矢量;K是M×N矩阵;M为频率点数;N为半径点数;
由于关联方程中传递矩阵K的条件数较好,可以直接运用最小二乘法求得:
N=K-1β
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910919512.0A CN110530765B (zh) | 2019-09-26 | 2019-09-26 | 基于非线性参数测量的水中气泡群尺寸分布参数反演方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910919512.0A CN110530765B (zh) | 2019-09-26 | 2019-09-26 | 基于非线性参数测量的水中气泡群尺寸分布参数反演方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN110530765A CN110530765A (zh) | 2019-12-03 |
CN110530765B true CN110530765B (zh) | 2021-10-01 |
Family
ID=68670552
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201910919512.0A Active CN110530765B (zh) | 2019-09-26 | 2019-09-26 | 基于非线性参数测量的水中气泡群尺寸分布参数反演方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN110530765B (zh) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112711918B (zh) * | 2020-12-14 | 2023-09-01 | 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 | 一种基于高斯函数拟合的气泡尺寸分布反演方法 |
CN113284087B (zh) * | 2021-04-02 | 2022-08-30 | 昆明理工大学 | 一种基于计算几何学理论的多相混合均匀性的判断方法 |
CN113974682B (zh) * | 2021-10-29 | 2023-06-06 | 南京大学 | 基于人工气泡阵列实现基波及二次谐波声聚焦方法 |
CN114275114B (zh) * | 2022-01-04 | 2023-03-14 | 江南造船(集团)有限责任公司 | 一种船底气泡的检测方法及气泡层监测仪 |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5811658A (en) * | 1997-04-29 | 1998-09-22 | Medtronic, Inc. | Ultrasonic diversion of microair in blood |
CN101135626A (zh) * | 2007-09-27 | 2008-03-05 | 上海理工大学 | 一种颗粒粒度和浓度测量方法及其装置 |
DE102012213029A1 (de) * | 2012-07-25 | 2014-01-30 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zur Ermittlung einer Blasengrößenverteilung und Messeinrichtung |
CN106018198B (zh) * | 2016-05-09 | 2018-08-31 | 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 | 一种气泡粒径的反演计算方法 |
CN106841382B (zh) * | 2017-01-23 | 2019-06-14 | 哈尔滨工程大学 | 基于三波耦合互作用非均匀混合介质非线性系数测量方法 |
CN108175909B (zh) * | 2018-01-29 | 2020-09-22 | 英华达(上海)科技有限公司 | 超声波气泡检测方法及系统 |
CN109085247B (zh) * | 2018-06-27 | 2020-10-30 | 中国计量大学 | 一种超声造影剂空化泡群共振状态测量方法 |
CN109933949B (zh) * | 2019-04-02 | 2022-08-02 | 哈尔滨工程大学 | 一种建立含气泡水介质中波动-振动非线性声场的方法 |
-
2019
- 2019-09-26 CN CN201910919512.0A patent/CN110530765B/zh active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN110530765A (zh) | 2019-12-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110530765B (zh) | 基于非线性参数测量的水中气泡群尺寸分布参数反演方法 | |
Diligent et al. | Reflection of the s lamb mode from a flat bottom circular hole | |
Phelps et al. | Oceanic bubble population measurements using a buoy-deployed combination frequency technique | |
CN102590349A (zh) | 基于时间反转聚焦的水声无源材料插入损失/透射系数测量方法 | |
Brath et al. | Phased array imaging of complex-geometry composite components | |
US20140050046A1 (en) | Acoustic imaging of objects in optically opaque fluids | |
Maksimov et al. | Time reversal technique for gas leakage detection | |
Lenz et al. | Measurement of the sound velocity in fluids using the echo signals from scattering particles | |
Duro et al. | Experimental study of sound propagation through bubbly water: comparison with optical measurements | |
Dash et al. | Ultrasound imaging velocimetry in particle-laden flows: counteracting attenuation with correlation averaging | |
Carbó | Wave reflection from a transitional layer between the seawater and the bottom | |
Aanes et al. | Normal incidence ultrasonic beam transmission through a water-immersed plate using a piezoelectric transducer. Finite element modeling, angular spectrum method and measurements | |
Sarvazyan et al. | Potential biomedical applications of non-dissipative acoustic radiation force | |
Wilson | Sound propagation and scattering in bubbly liquids | |
Lamarre et al. | Instrumentation for the measurement of sound speed near the ocean surface | |
Harvey et al. | Simulation and measurement of nonlinear behavior in a high-power test cell | |
Bjørnø et al. | Some experimental investigations of the parametric acoustic array | |
Hesse et al. | A single probe spatial averaging technique for guided waves and its application to surface wave rail inspection | |
CN113091878A (zh) | 用于水下声速测量的装置及其使用方法 | |
Venegas et al. | An illustration of the effect of neglecting poroelastic physics of water-saturated glass beads in a laboratory phase speed inference process | |
Kim et al. | Nonlinear parameter estimation in water-saturated sandy sediment with difference frequency acoustic wave | |
Waters et al. | Sensing a buried resonant object by single-channel time reversal | |
Richards et al. | High frequency sonar performance predictions for littoral operations—the effects of suspended sediments and microbubbles | |
Shi et al. | Inversion method of bubble size distribution based on acoustic nonlinear coefficient measurement | |
Bhosale et al. | The Velocity of Underwater Ultrasound at Different Temperatures |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |