CN110726775A - 声速与声衰减系数测量装置及方法 - Google Patents

声速与声衰减系数测量装置及方法 Download PDF

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CN110726775A CN201911111335.XA CN201911111335A CN110726775A CN 110726775 A CN110726775 A CN 110726775A CN 201911111335 A CN201911111335 A CN 201911111335A CN 110726775 A CN110726775 A CN 110726775A
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李定全
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Abstract

本发明属于超声的声速与声衰减测量技术领域，提供了声速与声衰减系数测量装置及方法，所述装置包括恒温水槽、以一定距离固定于所述恒温水槽内并且没入蒸馏水中的发射换能器和接收换能器、用于密封盛装被测样品的容器、以及没入蒸馏水中的水温探测器；还包括设置于所述恒温水槽外的脉冲信号发生器、以及分别与所述接收换能器和水温探测器电连接的信号处理与显示模块，根据所述信号处理与显示模块计算处理得到超声信号在所述被测样品中传播的声速与声衰减系数，并将所述声速与声衰减系数在显示界面显示出来。通过本发明装置可以将超声信号在液体或者凝胶类材料中传播的声速以及声衰减系数测量出来，具有结构简单、测量准确度高的优点。

Description

声速与声衰减系数测量装置及方法
技术领域
本发明属于超声的声速与声衰减测量技术领域，尤其涉及声速与声衰减系数测量装置及方法。
背景技术
利用超声波在媒介中的传播特性，譬如声速、声衰减、声阻抗等，来获取媒介中的一些非声学信息在目前有众多的应用领域。例如，超声波的声速应用在对原油含水率的精确检测、非侵入式压力检测、浆体浓度检测等相当多的领域都有广泛的应用。而现有采用光学方法、普通插入取代法等方式对被测样品媒介中超声声速和声衰减的测量存在测量方式复杂、测量结果不准确等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了声速与声衰减系数测量装置及方法，以解决现有采用光学方法、普通插入取代法等方式对被测样品媒介中超声声速和声衰减的测量存在测量方式复杂、测量结果不准确的问题。
第一方面，本发明提供了一种声速与声衰减系数测量装置，包括装有一定量蒸馏水的恒温水槽、以一定距离固定于所述恒温水槽内并且没入蒸馏水中的发射换能器和接收换能器、插入所述发射换能器和接收换能器中间并用于密封盛装被测样品的容器、以及没入蒸馏水中的水温探测器；还包括设置于所述恒温水槽外并与所述发射换能器电连接的脉冲信号发生器、设置于所述恒温水槽外并分别与所述接收换能器和水温探测器电连接的信号处理与显示模块；
其中，所述发射换能器用于产生超声信号并在蒸馏水中发射所述超声信号；所述接收换能器用于接收所述超声信号、将所述超声信号转换成电信号；所述水温探测器用于测量所述恒温水槽槽内蒸馏水的温度；所述脉冲信号发生器用于产生电脉冲以激励所述发射换能器产生超声信号；
所述信号处理与显示模块包括信号处理单元和显示单元，所述信号处理单元用于获取所述水温探测器测量的温度数据、将从所述接收换能器获取到的电信号转换成对应的脉冲信号、并根据所述脉冲信号进行计算处理得到所述超声信号在所述被测样品中传播的声速与声衰减系数，所述显示单元用于将所述声速与声衰减系数在显示界面显示出来。
进一步地，所述容器是由亚克力材料制成的圆柱状容器，并且所述圆柱状容器中与所述超声信号形成的平面波声场中声束轴垂直的两个端面使用高透声性能的薄膜封住；所述被测样品为液体或者凝胶类材料。
进一步地，所述信号处理与显示模块还包括存储单元，所述存储单元用于预先存储所述恒温水槽槽内蒸馏水的声速与温度的第一对应关系表、以及声衰减系数与温度的第二对应关系表；根据蒸馏水的温度在所述第一对应关系表、第二对应关系表可以分别查找到所述超声信号在蒸馏水中传播的声速与声衰减系数。
进一步地，所述信号处理与显示模块还用于计算并获取插入盛装被测样品的容器后引起的超声信号传播时间的变化。
进一步地，所述信号处理与显示模块中，根据所述脉冲信号进行计算处理得到所述超声信号在所述被测样品中传播的声速所使用的声速计算公式如下：
Figure BDA0002272798870000021
其中，c为当前温度下超声信号在被测样品中传播的声速，单位为米每秒；
cw为当前温度下超声信号在蒸馏水中传播的声速，单位为米每秒；
d为盛装被测样品的单个容器的厚度，单位为米；
t为插入盛装被测样品的容器后引起的超声信号传播时间的变化，单位为秒。
进一步地，所述信号处理与显示模块中，根据所述脉冲信号进行计算处理得到所述超声信号在所述被测样品中传播的声衰减系数所使用的声衰减系数计算公式如下：
Figure BDA0002272798870000031
其中，α为当前温度下超声信号在被测样品中传播的声衰减系数，单位为分贝每厘米；
αw为当前温度下超声信号在蒸馏水中传播的声衰减系数，单位为分贝每厘米；
d1为盛装被测样品且厚度较大的容器的厚度，单位为厘米；
ds为盛装被测样品且厚度较小的容器的厚度，单位为厘米；
A1为插入盛装被测样品且厚度较大的容器后，所述信号处理与显示模块接收的电信号的幅度，单位为伏；
As为插入盛装被测样品且厚度较小的容器后，所述信号处理与显示模块接收的电信号的幅度，单位为伏。
本发明还提供一种根据上述声速与声衰减系数测量装置实现的声速与声衰减系数测量方法，包括：
S1、通过所述脉冲信号发生器产生电脉冲发送至所述发射换能器；
S2、通过所述发射换能器接收到所述电脉冲后产生超声信号、并在蒸馏水中发射所述超声信号并形成平面波声场；
S3、通过所接收换能器接收所述超声信号、将所述超声信号转换成电信号；
S4、通过所述信号处理与显示模块接收所述电信号、并将所述电信号转换成对应的脉冲信号、并根据所述脉冲信号进行计算处理得到所述超声信号在所述被测样品中传播的声速与声衰减系数；
S5、通过所述信号处理与显示模块将所述声速与声衰减系数在显示界面显示出来。
进一步地，在所述步骤S1之前，包括：
S101、预先在所述信号处理与显示模块中存储所述恒温水槽槽内蒸馏水的声速与温度的第一对应关系表、以及声衰减系数与温度的第二对应关系表；根据蒸馏水的温度在所述第一对应关系表、第二对应关系表可以分别查找到所述超声信号在蒸馏水中传播的声速与声衰减系数；
在所述步骤S4之前，还包括：
S401、通过所述信号处理与显示模块计算并获取插入盛装被测样品的容器后引起的超声信号传播时间的变化。
进一步地，所述步骤S4中，所述根据所述脉冲信号进行计算处理得到所述超声信号在所述被测样品中传播的声速所使用的声速计算公式如下：
Figure BDA0002272798870000041
其中，c为当前温度下超声信号在被测样品中传播的声速，单位为米每秒；
cw为当前温度下超声信号在蒸馏水中传播的声速，单位为米每秒；
d为盛装被测样品的单个容器的厚度，单位为米；
t为插入盛装被测样品的容器后引起的超声信号传播时间的变化，单位为秒。
进一步地，所述步骤S4中，所述根据所述脉冲信号进行计算处理得到所述超声信号在所述被测样品中传播的声衰减系数所使用的声衰减系数计算公式如下：
Figure BDA0002272798870000051
其中，α为当前温度下超声信号在被测样品中传播的声衰减系数，单位为分贝每厘米；
αw为当前温度下超声信号在蒸馏水中传播的声衰减系数，单位为分贝每厘米；
d1为盛装被测样品且厚度较大的容器的厚度，单位为厘米；
ds为盛装被测样品且厚度较小的容器的厚度，单位为厘米；
A1为插入盛装被测样品且厚度较大的容器后，所述信号处理与显示模块接收的电信号的幅度，单位为伏；
As为插入盛装被测样品且厚度较小的容器后，所述信号处理与显示模块接收的电信号的幅度，单位为伏。
本发明解决了现有技术中对被测样品媒介中超声声速和声衰减的测量存在测量方式复杂、测量结果不准确的问题。通过本发明装置可以将超声信号在液体或者凝胶类材料中传播的声速以及声衰减系数测量出来，具有结构简单、测量准确度高的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的声速与声衰减系数测量装置实施例的整体示意图；
图2是本发明提供的声速与声衰减系数测量方法实施例的流程图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
如图1所示，图1是本发明提供的声速与声衰减系数测量装置实施例的整体示意图，本发明声速与声衰减系数测量装置包括装有一定量蒸馏水的恒温水槽、以一定距离固定于恒温水槽内并且没入蒸馏水中的发射换能器和接收换能器、插入发射换能器和接收换能器中间并用于密封盛装被测样品的容器、以及没入蒸馏水中的水温传感器。还包括设置于恒温水槽外并与发射换能器电连接的脉冲信号发生器、设置于恒温水槽外并分别与接收换能器和水温传感器电连接的信号处理与显示模块。
其中，发射换能器用于产生超声信号并在蒸馏水中发射超声信号。接收换能器用于接收超声信号、将超声信号转换成电信号并将电信号发送至信号处理与显示模块。水温传感器用于测量恒温水槽槽内蒸馏水的温度。脉冲信号发生器用于产生电脉冲以激励发射换能器产生超声信号。
信号处理与显示模块包括信号处理单元和显示单元，信号处理单元用于获取水温传感器测量的温度数据、将从接收换能器获取到的电信号转换成对应的脉冲信号、并根据脉冲信号进行计算处理得到超声信号在被测样品中传播的声速与声衰减系数，显示单元用于将声速与声衰减系数在显示界面显示出来。可选的，所述信号处理与显示模块为带有显示屏的电脑。
具体地，容器是由亚克力材料制成的圆柱状容器，并且圆柱状容器中与超声信号形成的平面波声场中声束轴垂直的两个端面使用高透声性能的薄膜封住。本发明使用亚克力材料的容器盛装被测样品，可有效避免盛装容器对超声信号的衰减和反射。被测样品为液体或者凝胶类材料。通过本发明装置可以将超声信号在液体或者凝胶类材料中传播的声速以及声衰减系数测量出来，具有结构简单、测量准确度高的优点。
进一步地，信号处理与显示模块还包括存储单元，存储单元用于预先存储恒温水槽槽内蒸馏水的声速与温度的第一对应关系表、以及声衰减系数与温度的第二对应关系表。根据蒸馏水的温度在第一对应关系表、第二对应关系表可以分别查找到超声信号在蒸馏水中传播的声速与声衰减系数。具体的，通过设备内置蒸馏水的声速与温度、声衰减与温度的关系表，可以通过探测水温，自动查表得到在蒸馏水中一定温度下超声信号对应的声速和声衰减系数。
进一步地，信号处理与显示模块还用于计算并获取插入盛装被测样品的容器后引起的超声信号传播时间的变化。具体实施时，可通过信号处理与显示模块记录插入被测样品前、后对应的脉冲信号，对比脉冲信号波形，通过追踪发射换能器发射的第n个波峰，记录插入被测样品前第n个波峰从发射到接收经过的时间，记录插入被测样品后第n个波峰从发射到接收经过的时间，后者减去前者即得到超声信号传播时间的变化对应的值，并且当时间缩短时取负值，时间延长时取正值。
进一步地，信号处理与显示模块中，根据脉冲信号进行计算处理得到超声信号在被测样品中传播的声速所使用的声速计算公式如下：
Figure BDA0002272798870000071
其中，c为当前温度下超声信号在被测样品中传播的声速，单位为米每秒。
cw为当前温度下超声信号在蒸馏水中传播的声速，单位为米每秒。
d为盛装被测样品的单个容器的厚度，单位为米。
t为插入盛装被测样品的容器后引起的超声信号传播时间的变化，单位为秒。
本发明装置通过上述公式可以快速计算出当前温度下超声信号在被测样品中传播的声速。
进一步地，信号处理与显示模块中，根据脉冲信号进行计算处理得到超声信号在被测样品中传播的声衰减系数所使用的声衰减系数计算公式如下：
Figure BDA0002272798870000081
其中，α为当前温度下超声信号在被测样品中传播的声衰减系数，单位为分贝每厘米。
αw为当前温度下超声信号在蒸馏水中传播的声衰减系数，单位为分贝每厘米。
d1为盛装被测样品且厚度较大的容器的厚度，单位为厘米。
ds为盛装被测样品且厚度较小的容器的厚度，单位为厘米。
A1为插入盛装被测样品且厚度较大的容器后，信号处理与显示模块接收的电信号的幅度，单位为伏。
As为插入盛装被测样品且厚度较小的容器后，信号处理与显示模块接收的电信号的幅度，单位为伏。
本发明装置通过上述公式可以快速计算出当前温度下超声信号在被测样品中传播的声速。
综上，本发明提供的声声速与声衰减系数测量包括恒温水槽、以一定距离固定于恒温水槽内并且没入蒸馏水中的发射换能器和接收换能器、用于密封盛装被测样品的容器、以及没入蒸馏水中的水温传感器。还包括设置于恒温水槽外的脉冲信号发生器、以及分别与接收换能器和水温传感器电连接的信号处理与显示模块，根据信号处理与显示模块计算处理得到超声信号在被测样品中传播的声速与声衰减系数，并将声速与声衰减系数在显示界面显示出来。通过本发明装置可以将超声信号在液体或者凝胶类材料中传播的声速以及声衰减系数测量出来，具有结构简单、测量准确度高的优点。
进一步地，如图2所示，本发明还提供一种根据上述声速与声衰减系数测量装置实现的声速与声衰减系数测量方法，包括：
S1、通过脉冲信号发生器产生电脉冲发送至发射换能器。
S2、通过发射换能器接收到电脉冲后产生超声信号、并在蒸馏水中发射超声信号并形成平面波声场。
S3、通过所接收换能器接收超声信号、将超声信号转换成电信号并将电信号发送至信号处理与显示模块。
S4、通过信号处理与显示模块接收电信号、并将电信号转换成对应的脉冲信号、并根据脉冲信号进行计算处理得到超声信号在被测样品中传播的声速与声衰减系数。
S5、通过信号处理与显示模块将声速与声衰减系数在显示界面显示出来。
进一步地，在本发明方法实施例中，步骤S1之前，包括：
S101、预先在信号处理与显示模块中存储恒温水槽槽内蒸馏水的声速与温度的第一对应关系表、以及声衰减系数与温度的第二对应关系表。根据蒸馏水的温度在第一对应关系表、第二对应关系表可以分别查找到超声信号在蒸馏水中传播的声速与声衰减系数。
在本发明方法实施例中，在步骤S4之前，还包括：
S401、通过信号处理与显示模块计算并获取插入盛装被测样品的容器后引起的超声信号传播时间的变化。
进一步地，在本发明方法具体实施时，步骤S4中，根据脉冲信号进行计算处理得到超声信号在被测样品中传播的声速所使用的声速计算公式如下：
Figure BDA0002272798870000091
其中，c为当前温度下超声信号在被测样品中传播的声速，单位为米每秒。
cw为当前温度下超声信号在蒸馏水中传播的声速，单位为米每秒。
d为盛装被测样品的单个容器的厚度，单位为米。
t为插入盛装被测样品的容器后引起的超声信号传播时间的变化，单位为秒。
进一步地，具体实施时，步骤S4中，根据脉冲信号进行计算处理得到超声信号在被测样品中传播的声衰减系数所使用的声衰减系数计算公式如下：
Figure BDA0002272798870000101
其中，α为当前温度下超声信号在被测样品中传播的声衰减系数，单位为分贝每厘米。
αw为当前温度下超声信号在蒸馏水中传播的声衰减系数，单位为分贝每厘米。
d1为盛装被测样品且厚度较大的容器的厚度，单位为厘米。
ds为盛装被测样品且厚度较小的容器的厚度，单位为厘米。
A1为插入盛装被测样品且厚度较大的容器后，信号处理与显示模块接收的电信号的幅度，单位为伏。
As为插入盛装被测样品且厚度较小的容器后，信号处理与显示模块接收的电信号的幅度，单位为伏。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程，可以参考前述装置实施例中的对应过程，在此不再赘述。
综上所述，通过本发明的声速与声衰减系数测量方法可以将超声信号在液体或者凝胶类材料中传播的声速以及声衰减系数测量出来，并且测量准确度高。
以上所述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精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种声速与声衰减系数测量装置，其特征在于，包括装有一定量蒸馏水的恒温水槽、以一定距离固定于所述恒温水槽内并且没入蒸馏水中的发射换能器和接收换能器、插入所述发射换能器和接收换能器中间并用于密封盛装被测样品的容器、以及没入蒸馏水中的水温探测器；还包括设置于所述恒温水槽外并与所述发射换能器电连接的脉冲信号发生器、设置于所述恒温水槽外并分别与所述接收换能器和水温探测器电连接的信号处理与显示模块；
其中，所述发射换能器用于产生超声信号并在蒸馏水中发射所述超声信号；所述接收换能器用于接收所述超声信号、将所述超声信号转换成电信号；所述水温探测器用于测量所述恒温水槽槽内蒸馏水的温度；所述脉冲信号发生器用于产生电脉冲以激励所述发射换能器产生超声信号；
所述信号处理与显示模块包括信号处理单元和显示单元，所述信号处理单元用于记录所述水温探测器测量的温度数据、将从所述接收换能器获取到的电信号转换成对应的脉冲信号、并根据所述脉冲信号进行计算处理得到所述超声信号在所述被测样品中传播的声速与声衰减系数，所述显示单元用于将所述声速与声衰减系数在显示界面显示出来。
2.如权利要求1所述声速与声衰减系数测量装置，其特征在于，所述盛装被测样品的容器是由亚克力材料制成的圆柱状容器，并且所述圆柱状容器中与所述超声信号形成的平面波声场中声束轴垂直的两个端面使用高透声性能的薄膜封住；所述被测样品为液体或者凝胶类材料。
3.如权利要求1所述声速与声衰减系数测量装置，其特征在于，所述信号处理与显示模块还包括存储单元，所述存储单元用于预先存储所述恒温水槽槽内蒸馏水的声速与温度的第一对应关系表、以及声衰减系数与温度的第二对应关系表；根据蒸馏水的温度在所述第一对应关系表、第二对应关系表可以分别查找到所述超声信号在蒸馏水中传播的声速与声衰减系数。
4.如权利要求3所述声速与声衰减系数测量装置，其特征在于，所述信号处理与显示模块还用于计算并获取插入盛装被测样品的容器后引起的超声信号传播时间的变化。
5.如权利要求4所述声速与声衰减系数测量装置，其特征在于，所述信号处理与显示模块中，根据所述脉冲信号进行计算处理得到所述超声信号在所述被测样品中传播的声速所使用的声速计算公式如下：
Figure FDA0002272798860000021
其中，c为当前温度下超声信号在被测样品中传播的声速，单位为米每秒；
cw为当前温度下超声信号在蒸馏水中传播的声速，单位为米每秒；
d为盛装被测样品的单个容器的厚度，单位为米；
t为插入盛装被测样品的容器后引起的超声信号传播时间的变化，单位为秒。
6.如权利要求4所述声速与声衰减系数测量装置，其特征在于，所述信号处理与显示模块中，根据所述脉冲信号进行计算处理得到所述超声信号在所述被测样品中传播的声衰减系数所使用的声衰减系数计算公式如下：
其中，α为当前温度下超声信号在被测样品中传播的声衰减系数，单位为分贝每厘米；
αw为当前温度下超声信号在蒸馏水中传播的声衰减系数，单位为分贝每厘米；
d1为盛装被测样品且厚度较大的容器的厚度，单位为厘米；
ds为盛装被测样品且厚度较小的容器的厚度，单位为厘米；
A1为插入盛装被测样品且厚度较大的容器后，所述信号处理与显示模块接收的电信号的幅度，单位为伏；
As为插入盛装被测样品且厚度较小的容器后，所述信号处理与显示模块接收的电信号的幅度，单位为伏。
7.一种根据权利要求1至6任一项所述声速与声衰减系数测量装置实现的声速与声衰减系数测量方法，其特征在于，包括：
S1、通过所述脉冲信号发生器产生电脉冲发送至所述发射换能器；
S2、通过所述发射换能器接收到所述电脉冲后产生超声信号、并在蒸馏水中发射所述超声信号并形成平面波声场；
S3、通过所述接收换能器接收所述超声信号、将所述超声信号转换成电信号；
S4、通过所述信号处理与显示模块接收所述电信号、并将所述电信号转换成对应的脉冲信号、并根据所述脉冲信号进行计算处理得到所述超声信号在所述被测样品中传播的声速与声衰减系数；
S5、通过所述信号处理与显示模块将所述声速与声衰减系数在显示界面显示出来。
8.根据权利要求7所述声速与声衰减系数测量方法，其特征在于，在所述步骤S1之前，包括：
S101、预先在所述信号处理与显示模块中存储所述恒温水槽槽内蒸馏水的声速与温度的第一对应关系表、以及声衰减系数与温度的第二对应关系表；根据蒸馏水的温度在所述第一对应关系表、第二对应关系表可以分别查找到所述超声信号在蒸馏水中传播的声速与声衰减系数；
在所述步骤S4之前，还包括：
S401、通过所述信号处理与显示模块计算并获取插入盛装被测样品的容器后引起的超声信号传播时间的变化。
9.根据权利要求8所述声速与声衰减系数测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述根据所述脉冲信号进行计算处理得到所述超声信号在所述被测样品中传播的声速所使用的声速计算公式如下：
Figure FDA0002272798860000041
其中，c为当前温度下超声信号在被测样品中传播的声速，单位为米每秒；
cw为当前温度下超声信号在蒸馏水中传播的声速，单位为米每秒；
d为盛装被测样品的单个容器的厚度，单位为米；
t为插入盛装被测样品的容器后引起的超声信号传播时间的变化，单位为秒。
10.如权利要求8所述声速与声衰减系数测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述根据所述脉冲信号进行计算处理得到所述超声信号在所述被测样品中传播的声衰减系数所使用的声衰减系数计算公式如下：
Figure FDA0002272798860000042
其中，α为当前温度下超声信号在被测样品中传播的声衰减系数，单位为分贝每厘米；
αw为当前温度下超声信号在蒸馏水中传播的声衰减系数，单位为分贝每厘米；
d1为盛装被测样品且厚度较大的容器的厚度，单位为厘米；
ds为盛装被测样品且厚度较小的容器的厚度，单位为厘米；
A1为插入盛装被测样品且厚度较大的容器后，所述信号处理与显示模块接收的电信号的幅度，单位为伏；
As为插入盛装被测样品且厚度较小的容器后，所述信号处理与显示模块接收的电信号的幅度，单位为伏。
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