CN110702794A - 一种基于超声波快速识别物质的方法 - Google Patents

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张建
陈晓静
李秋颖
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Abstract

本发明涉及一种基于超声波快速识别物质的方法，具体包括以下步骤：(1)选取一个已知物质，已知物质的声阻抗值表示为Z1，待分辨的未知物质的声阻抗值表示为Z2；(2)使用换能器从已知物质向未知物质垂直发射超声波信号x(t)，计算入射波信号的能量Pi；(3)超声波发射信号经过所述交界面反射返回超声波反射信号y(t)，计算反射波信号的能量Pr，(4)根据已知物质的声阻抗值Z1、入射波信号的能量Pi以及反射波信号的能量Pr计算未知的声阻抗值Z2；(5)由于不同物质具有不同的声阻抗值，根据步骤(4)计算得到的未知物质的声阻抗值Z2可分辨出未知物质的具体物质名称。本发明通过发射超声波间接识别物质，避免了水下探测时不能测得声速或者密度而导致不能识别物质的问题。

Description

一种基于超声波快速识别物质的方法
技术领域
本发明涉及水下探测识别物质技术领域，具体涉及一种基于超声波快速识别物质的方法。
背景技术
在水下进行探测时，常需要分辨不同密度的物质，而不同密度的物质具有不同的声阻抗。传统的声阻抗测量方法是利用声阻抗的定义，即声阻抗在数值上等于该种介质的密度与其中声速的乘积，所以使用传统的方法测量某种介质的声阻抗时，需要分别测量出该介质的密度与声速，然后进行相乘便可得出其声阻抗值，但是在一些特殊情况下，无法测量其密度或者声速，传统的方法就不再适用。
针对这一问题，本文基于超声波在不同声阻抗介质形成的界面上的反射和透射理论，在已知一种物质的声阻抗的情况下，计算未知物质的声阻抗。
1、超声波
超声波是机械波，是机械振动在介质中的传播，其频率很高，在20kHz以上，人耳听不到。超声波具有以下传播特性。
1)方向性好。超声波的频率很高，波长等于波速除以频率，即超声波的波长很短，使得它能像光波一样直线传播，呈现出很好的方向性。
2)功率大。超声波的传播过程也是能量的传播过程，根据物理学波动理论，超声波的功率是指单位时间内传递的能量，它与频率的平方成正比。超声波由于频率很高，因此功率也很大，即单位时间内传递的能量很大。
3)穿透能力强。超声波在传播过程中的强度衰减程度与介质声阻抗Z呈负相关。
4)反射显著。当波传播过程中遇到的物体几何尺寸比波长大数倍时，波在物体表面会发生显著反射。由于超声波的波长短，使得超声波传播过程中遇到较小物体就会有显著反射。
2、声阻抗
声阻抗Z被定义为声场中该位置的声压p与质点振速v的比值，即：
Figure BDA0002268824850000021
它反映介质中某位置因声扰动而引起质点振动的阻尼特性，并影响着介质中的声场特性。超声波在传播过程中的强度衰减程度与介质声阻抗Z呈负相关，Z是描述声波传播介质力学特征的重要物理量，其大小等于介质密度ρ乘以声波传播速度c，即Z＝ρc。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于超声波快速识别物质的方法来解决现有技术中在无法测量其密度或者声速的情况下无法快速识别物质的问题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种基于超声波快速识别物质的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)选取一个已知物质和一个未知物质，将已知物质和未知物质放置在一起，所述已知物质的声阻抗值表示为Z1，待分辨的未知物质的声阻抗值表示为Z2；
(2)使用换能器从已知物质向未知物质垂直发射超声波信号x(t)；
(3)计算入射波信号的能量Pi；
(4)超声波发射信号经过已知物质到达已知物质和未知物质的交界面时，经过所述交界面反射返回超声波反射信号y(t)，所述超声波反射信号经过已知物质返回至换能器；
(5)当检测到反射波到达换能器时，换能器开始接收反射波信号y(t)，计算反射波信号的能量Pr；
(6)计算未知物质的声阻抗Z2，并根据声阻抗Z2识别物质。
进一步的，所述步骤(2)中超声波发射开始时间为ti1，发射结束时间为ti2，即发射总持续时间为Ti：Ti＝ti2-ti1。
进一步的，所述步骤(3)中能量Pi的计算公式为：
Figure BDA0002268824850000031
进一步的，所述步骤(5)中检测反射波是否到达换能器的方法为：当换能器接收到的信号的振幅产生明显增大时，说明反射波信号到达换能器；判断反射波是否完全到达换能器的方法为：当换能器接收的信号的振幅很低时，说明反射波信号已经完全到达换能器。
进一步的，所述步骤(5)中使用换能器开始接收反射波信号y(t)，开始接收反射波的时间为tr1，当反射波完全到达换能器时，换能器接收反射波停止，停止时间为tr2，换能器接收反射波总持续时间为Tr：Tr＝tr2-tr1。
进一步的，所述步骤(5)中能量Pr计算公式为：
Figure BDA0002268824850000041
进一步的，所述步骤(6)中计算未知物质的声阻抗Z2的方法为：根据已知物质的声阻抗值Z1、入射波信号的能量Pi以及反射波信号的能量Pr计算未知的声阻抗值Z2，计算公式为：
Figure BDA0002268824850000042
由上式可计算未知物质的声阻抗值Z2为：
进一步的，所述步骤(6)中识别物质的方法为：由于不同物质具有不同的声阻抗值，根据计算得到的未知物质的声阻抗值Z2可分辨出未知物质的具体物质名称。
本发明和现有技术相比，产生的有益效果为：
本发明的一种基于超声波快速识别物质的方法利用超声波的方向性好，穿透能力强以及反射原理，通过发射超声波使其在未知物质面反射，通过测量入射波和反射波的能量来测得未知物质的声阻抗，通过声阻抗值间接识别物质，避免了水下探测时不能测得声速或者密度而导致不能识别物质的问题。
附图说明
为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种基于超声波快速识别物质的方法的流程示意图。
图2为本发明的一种基于超声波快速识别物质的方法的方法示意图。
具体实施方式
下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供一种基于超声波快速识别物质的方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
(1)选取一个已知物质，所述已知物质的声阻抗值表示为Z1，待分辨的未知物质的声阻抗值表示为Z2；
(2)将已知物质和未知物质放置在一起，如图2所示，使用换能器从已知物质向未知物质垂直发射超声波信号x(t)，超声波发射开始时间为ti1，发射结束时间为ti2，即发射总持续时间为Ti：Ti＝ti2-ti1，计算入射波信号的能量Pi，计算公式为：
Figure BDA0002268824850000051
(3)超声波发射信号经过已知物质到达已知物质和未知物质的交界面时，经过所述交界面反射返回超声波反射信号y(t)，所述超声波反射信号经过已知物质返回至换能器，当换能器接收到的信号的振幅产生明显增大时，说明反射波信号到达换能器；
(4)当检测到反射波到达换能器时，换能器开始接收反射波信号y(t)，开始接收反射波的时间为tr1，当换能器接收的信号的振幅很低时，说明反射波信号已经完全到达换能器，换能器接收反射波停止，停止时间为tr2，换能器接收反射波总持续时间为Tr：Tr＝tr2-tr1，计算反射波信号的能量Pr，计算公式为：
Figure BDA0002268824850000061
(5)根据已知物质的声阻抗值Z1、入射波信号的能量Pi以及反射波信号的能量Pr计算未知的声阻抗值Z2，计算公式为：
由上式可计算未知物质的声阻抗值Z2为：
Figure BDA0002268824850000063
(6)由于不同物质具有不同的声阻抗值，根据步骤(5)计算得到的未知物质的声阻抗值Z2可分辨出未知物质的具体物质名称。
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。

Claims (8)

1.一种基于超声波快速识别物质的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)选取一个已知物质和一个未知物质，将已知物质和未知物质放置在一起，所述已知物质的声阻抗值表示为Z1，待分辨的未知物质的声阻抗值表示为Z2；
(2)使用换能器从已知物质向未知物质垂直发射超声波信号x(t)；
(3)计算入射波信号的能量Pi；
(4)超声波发射信号经过已知物质到达已知物质和未知物质的交界面时，经过所述交界面反射返回超声波反射信号y(t)，所述超声波反射信号经过已知物质返回至换能器；
(5)当检测到反射波到达换能器时，换能器开始接收反射波信号y(t)，计算反射波信号的能量Pr；
(6)计算未知物质的声阻抗Z2，并根据声阻抗Z2识别物质。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波快速识别物质的方法，其特征在于：所述步骤(2)中超声波发射开始时间为ti1，发射结束时间为ti2，即发射总持续时间为Ti：Ti＝ti2-ti1。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波快速识别物质的方法，其特征在于：所述步骤(3)中能量Pi的计算公式为：
Figure FDA0002268824840000011
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波快速识别物质的方法，其特征在于：6.所述步骤(5)中检测反射波是否到达换能器的方法为：当换能器接收到的信号的振幅产生明显增大时，说明反射波信号到达换能器；判断反射波是否完全到达换能器的方法为：当换能器接收的信号的振幅很低时，说明反射波信号已经完全到达换能器。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声波快速识别物质的方法，其特征在于：所述步骤(5)中使用换能器开始接收反射波信号y(t)，开始接收反射波的时间为tr1，当反射波完全到达换能器时，换能器接收反射波停止，停止时间为tr2，换能器接收反射波总持续时间为Tr：Tr＝tr2-tr1。
6.根据权利要求1所述的一种基于超声波快速识别物质的方法，其特征在于：所述步骤(5)中能量Pr计算公式为：
Figure FDA0002268824840000021
7.根据权利要求1所述的一种基于超声波快速识别物质的方法，其特征在于：所述步骤(6)中计算未知物质的声阻抗Z2的方法为：根据已知物质的声阻抗值Z1、入射波信号的能量Pi以及反射波信号的能量Pr计算未知的声阻抗值Z2，计算公式为：
Figure FDA0002268824840000022
由上式可计算未知物质的声阻抗值Z2为：
Figure FDA0002268824840000023
8.根据权利要求1所述的一种基于超声波快速识别物质的方法，其特征在于：所述步骤(6)中识别物质的方法为：由于不同物质具有不同的声阻抗值，根据计算得到的未知物质的声阻抗值Z2可分辨出未知物质的具体物质名称。
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