CN110824017B - 一种软材料声学参数的测量方法 - Google Patents

一种软材料声学参数的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种软材料声学参数的测量方法，属于声学测量领域。本发明的一种软材料声学参数的测量方法，包括步骤S1：向试块发射超声脉冲，并采集试块‑空气界面脉冲回波；而后将待测样品置于试块表面，再向试块发射超声脉冲，并采集试块‑样品界面脉冲回波；步骤S2：采用采集的试块‑空气界面和试块‑样品界面脉冲回波数据，通过线性拟合方法计算试块‑样品界面上的复反射系数；步骤S3：采用复反射系数的幅度谱和相位谱，计算待测样品中声速和声衰减系数。本发明的目的在于克服现有技术中，不能准确测量软材料中的声速及衰减系数的不足，提供了一种软材料声学参数的测量方法，可以精确测量软材料中声速及衰减系数。

Description

一种软材料声学参数的测量方法
技术领域
本发明涉及声学测量领域，更具体地说，涉及一种软材料声学参数的测量方法。
背景技术
超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，超声波方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等；在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。近年来，超声波在软材料中的传播被广泛应用于光声成像、生物组织打印以及声学微流控芯片等领域。通常情况下，有机高分子物质作为生物亲和性好的材料，在上述领域中可以用来作为光纤涂层、生物组织打印支架或微流控芯片腔道。另外，一个被广泛认同的事实是剪切波在超声波和生物组织间的相互作用中扮演的重要的角色，因此对于生物组织的声学参数测量，无论是横波还是纵波都具有相当大的意义。
软材料的声学参数包括声速及衰减系数，传统的声透射测量技术在软材料的声学参数测量中面临两大困难，其一是软材料的声衰减系数通常较大，声波难以在其中传播较长的距离；其二是软材料的声阻抗通常与商用换能器的声阻抗相差较大，因此声波难以耦合到待测样品中。因为上述两个因素的存在，在测量中难以得到在材料中传播的声波的回波信号，也就限制了声透射方法在软材料物质测量上的应用。与此同时，软材料通常具有粘弹性材料的特征，因此其声学参数随频率的变化规律难以通过简单的固体本构关系得到，也就难以通过机械拉伸实验测得的静态模量来推算软材料中的声学参数。也就是说，目前对于超声波在软材料中的传播特性的测量与定征缺乏有效的实验手段。
综上所述，如何测量软材料的声速及衰减系数，是现有技术亟需解决的技术问题。
发明内容
1.要解决的问题
本发明的目的在于克服现有技术中，不能准确测量软材料中的声速及声衰减系数的不足，提供了一种软材料声学参数的测量方法，可以精确测量软材料中声速及声衰减系数。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的一种软材料声学参数的测量方法，包括以下步骤：
步骤S1：向试块发射超声脉冲并采集脉冲回波，脉冲回波包括试块-空气界面脉冲回波和试块-样品界面脉冲回波；具体地，先选取超声换能器和试块；再利用超声换能器向试块发射超声脉冲，并采集试块-空气界面脉冲回波，第n个试块-空气界面脉冲回波为
Figure RE-GDA0002303832630000028
将待测样品贴合于试块表面，再利用超声换能器向试块发射超声脉冲，并采集试块-样品界面脉冲回波，第n个试块-样品界面脉冲回波为
Figure RE-GDA0002303832630000029
进一步地，超声换能器包括横波型超声换能器和纵波型超声换能器，分别采用横波型超声换能器和纵波型超声换能器测量待测样品中横波和纵波的声速和声衰减系数。本发明通过将超声换能器与试块接触固定即可进行测量，从而大大降低了操作难度，进而提高了测量效率。
步骤S2：采用采集的试块-空气界面和试块-样品界面脉冲回波，通过线性拟合方法计算试块-样品界面上的复反射系数；计算试块-样品界面上的复反射系数的具体过程为：
(a)选取脉冲序列第n个脉冲为起始点，对每个脉冲信号进行截取并计算每个脉冲信号的幅度谱和相位谱；
(b)在
Figure RE-GDA00023038326300000210
和
Figure RE-GDA00023038326300000211
中选取脉冲组合，遍历脉冲组合确定最优拟合脉冲组合；确定最优拟合脉冲组合的具体过程为：在
Figure RE-GDA00023038326300000212
和
Figure RE-GDA00023038326300000213
中选取脉冲组合k≤n≤l，将
Figure RE-GDA00023038326300000214
对n进行线性拟合，得到的斜率记为aA(k，l，f)，每个组合中各个频率点上的线性拟合的决定系数平均值记为
Figure RE-GDA0002303832630000021
在
Figure RE-GDA00023038326300000215
和
Figure RE-GDA00023038326300000216
中选取脉冲组合k≤n≤l，将
Figure RE-GDA00023038326300000217
对n进行线性拟合，得到的斜率记为aφ(k，l，f)，每个组合中各个频率点上的线性拟合的决定系数记为
Figure RE-GDA0002303832630000022
取信噪比大于6dB的前N组脉冲信号，遍历所有k、l的值，得到1≤k＜l≤N范围内的所有 aA(k，l，f)、
Figure RE-GDA0002303832630000023
aφ(k，l，f)、
Figure RE-GDA0002303832630000024
当k＝KA，l＝LA时，
Figure RE-GDA0002303832630000025
取最大值，确定对于复反射系数幅值的最优拟合组合为KA-LA；当k＝Kφ，l＝Lφ时，
Figure RE-GDA0002303832630000026
取最大值，确定对于复反射系数相位的最优拟合组合为Kφ-Lφ；
(c)根据最优拟合脉冲组合计算复反射系数的幅值以及相位，根据最优拟合组合Kφ和 Lφ计算得到aA(KA，LA，f)和aφ(Kφ，Lφ，f)，得到复反射系数的幅度谱为
Figure RE-GDA00023038326300000218
复反射系数的相位谱为φr(f)＝aφ(Kφ，Lφ，f)。
通过下列公式计算得到
Figure RE-GDA0002303832630000027
aA(KA，LA，f)和aφ(Kφ，Lφ，f)：
Figure RE-GDA0002303832630000031
Figure RE-GDA0002303832630000032
Figure RE-GDA0002303832630000033
Figure RE-GDA0002303832630000034
其中fM是线性调频z变换中在有效带宽fL-fH内均匀选取的M个频率点。
本发明通过超声换能器可以获得多次脉冲信号，并且通过上述线性拟合方法对多次脉冲信号数据进行处理得出复反射系数的幅度谱和相位谱，大大提高了待测样品的声速及声衰减系数的测量精度。
步骤S3：采用复反射系数的幅度谱和相位谱，计算待测样品中声速和声衰减系数。通过下列公式计算待测样品中的声速：
Figure RE-GDA0002303832630000035
Figure RE-GDA0002303832630000036
Figure RE-GDA0002303832630000037
Figure RE-GDA0002303832630000038
通过下列公式计算待测样品中的声衰减系数：
Figure RE-GDA0002303832630000041
其中，f为频率，φr为复反射系数的相位谱，RII为复反射系数的幅度谱，*代表复变量的共轭运算，cF为试块中的声速，ρF为试块材料的密度，ρP是待测样品的密度。值得说明的是，通过上述步骤即可计算得出待测样品中声速和声衰减系数，即实现了对软材料中声速及声衰减系数的精确测量。
进一步地，步骤S2中若
Figure RE-GDA0002303832630000044
和
Figure RE-GDA0002303832630000045
之间存在信噪比大于6dB的脉冲信号，则根据下列步骤计算待测样品中声速及声衰减系数：
(1)选取该该信噪比大于6dB的脉冲信号
Figure RE-GDA0002303832630000046
(2)对脉冲信号
Figure RE-GDA0002303832630000047
和
Figure RE-GDA0002303832630000048
分别进行截取，并对截取的脉冲信号进行补零，再对补零后的脉冲信号进行移位得到
Figure RE-GDA0002303832630000049
和
Figure RE-GDA00023038326300000410
以
Figure RE-GDA00023038326300000411
和
Figure RE-GDA00023038326300000412
的正峰值时刻
Figure RE-GDA00023038326300000413
和
Figure RE-GDA00023038326300000414
为中心，分别选取长为W的矩形窗对
Figure RE-GDA00023038326300000415
和
Figure RE-GDA00023038326300000416
进行截取，并对截取的脉冲信号进行补零，补零后的脉冲信号长度为NS，再将补零后的脉冲信号向左进行W/2个点的圆周移位，得到
Figure RE-GDA00023038326300000417
和
Figure RE-GDA00023038326300000418
(3)先通过线性调频z变换或者快速傅里叶变换计算
Figure RE-GDA00023038326300000419
和
Figure RE-GDA00023038326300000420
的幅度谱和相位谱；再根据脉冲信号
Figure RE-GDA00023038326300000421
以及待测样品的厚度计算待测样品的声速及声衰减系数。具体地，利用下列公式计算待测样品中声速：
Figure RE-GDA0002303832630000042
利用下列公式计算待测样品中声衰减系数：
Figure RE-GDA0002303832630000043
其中，DP为待测样品的厚度，
Figure RE-GDA00023038326300000422
和
Figure RE-GDA00023038326300000423
分别为
Figure RE-GDA00023038326300000424
和
Figure RE-GDA00023038326300000425
的幅度谱，
Figure RE-GDA00023038326300000426
和
Figure RE-GDA00023038326300000427
分别为
Figure RE-GDA00023038326300000428
和
Figure RE-GDA00023038326300000429
的相位谱。通过上述步骤即可在待测样品中声学衰减较小的情况下，实现对待测样品的声速和声衰减系数的测量，进一步实现了对软材料的声速及声衰减系数的精确测量。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为实施例2的待测样品中横波波速和衰减系数示意图；
图3为实施例3的待测样品中纵波波速和衰减系数示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；而且，各个实施例之间不是相对独立的，根据需要可以相互组合，从而达到更优的效果。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
结合图1和图2所示，本发明的一种软材料声学参数的测量方法，包括以下步骤：
步骤S1：向试块发射超声脉冲并采集脉冲回波，脉冲回波包括试块-空气界面脉冲回波和试块-样品界面脉冲回波；向试块发射超声脉冲，并采集试块-空气界面脉冲回波；而后将待测样品置于试块表面，再向试块发射超声脉冲，并采集试块-样品界面脉冲回波；其中，第n 个试块-空气界面脉冲回波为
Figure RE-GDA0002303832630000051
第n个试块-样品界面脉冲回波为
Figure RE-GDA0002303832630000052
具体的，先选取超声换能器和试块；值得说明的是，根据测量需求来选取超声换能器以及试块；进一步地，超声换能器包括横波型和纵波型，分别用于测量样品中横波和纵波的声速和声衰减系数，本发明分别采用横波型超声换能器和纵波型超声换能器测量待测样品中横波和纵波的声速和声衰减系数。
之后利用超声换能器向试块发射超声脉冲，并采集试块-空气界面脉冲回波；值得说明的是，将超声换能器通过超声耦合剂与试块接触，并利用固定装置固定超声换能器，从而确保超声换能器和试块的位置相对稳定、无滑动；本实施例的固定装置为钳台；而后通过脉冲发射/接收源激发窄脉冲信号激励超声换能器向试块中发射脉冲声波，采集出换能器接收到的回波脉冲。由于声波在试块中的来回反射，接收到的回波信号将是一系列幅度减小的脉冲信号序列，其中，第n个试块-空气界面脉冲回波为
Figure RE-GDA0002303832630000053
之后将待测样品贴合于试块表面，再利用超声换能器向试块发射超声脉冲，并采集试块- 样品界面脉冲回波；其中，第n个试块-样品界面脉冲回波为
Figure RE-GDA0002303832630000054
值得说明的是，利用超声换能器向试块发射超声脉冲，并采集脉冲回波时，应该控制测量环境的湿度和温度不变。本发明通过将超声换能器与试块接触固定即可进行测量，从而大大降低了操作难度，进而提高了测量效率。
步骤S2：采用采集的试块-空气界面和试块-样品界面脉冲回波，通过线性拟合方法计算试块-样品界面上的复反射系数；计算试块-样品界面上的复反射系数的具体过程为：
1、计算各脉冲回波幅度谱和相位谱：
(a)选取脉冲序列第n个脉冲为起始点，对每个脉冲信号进行截取并计算每个脉冲信号的幅度谱和相位谱；具体地，根据试块中的声速选取脉冲序列第n个脉冲的起始点，对每个脉冲进行截取，并通过线性调频z变换对两次接收到的脉冲序列的每个脉冲进行计算，在超声换能器有效带宽范围fL-fH内得到其幅度谱分别为
Figure RE-GDA0002303832630000065
和
Figure RE-GDA0002303832630000066
相位谱分别为
Figure RE-GDA0002303832630000067
和
Figure RE-GDA0002303832630000068
值得说明的是，试块是已知声学参数的标准材料；两次接收到的脉冲序列指的是试块-空气界面脉冲回波和试块-样品界面脉冲回波。
2、遍历脉冲组合寻找最优拟合脉冲
(b)在
Figure RE-GDA0002303832630000069
和
Figure RE-GDA00023038326300000610
中选取脉冲组合，遍历脉冲组合确定最优拟合脉冲组合；具体地，在
Figure RE-GDA00023038326300000611
和
Figure RE-GDA00023038326300000612
中选取脉冲组合k≤n≤l，对每个频率点f，将
Figure RE-GDA00023038326300000613
对n进行线性拟合，固定截距为零，得到的斜率记为aA(k，l，f)，每个组合中各个频率点上的线性拟合的决定系数平均值记为
Figure RE-GDA0002303832630000061
的计算公式如下：
Figure RE-GDA0002303832630000062
其中fM是线性调频z变换中在有效带宽fL-fH内均匀选取的M个频率点。
在
Figure RE-GDA00023038326300000614
和
Figure RE-GDA00023038326300000615
中选取脉冲组合k≤n≤l，对每个频率点f，将
Figure RE-GDA00023038326300000616
对n进行线性拟合，固定截距为零，得到的斜率记为aφ(k，l，f)，每个组合中各个频率点上的线性拟合的决定系数记为
Figure RE-GDA0002303832630000063
的计算公式如下：
Figure RE-GDA0002303832630000064
取信噪比大于6dB的前N组脉冲信号，遍历所有k、l的值，得到1≤k＜l≤N范围内的所有aA(k，l，f)、
Figure RE-GDA0002303832630000071
aφ(k，l，f)、
Figure RE-GDA0002303832630000072
当k＝KA，l＝LA时，
Figure RE-GDA0002303832630000073
取最大值，确定对于复反射系数幅值的最优拟合组合为KA-LA；当k＝Kφ，l＝Lφ时，
Figure RE-GDA0002303832630000074
取最大值，确定对于复反射系数相位的最优拟合组合为Kφ-Lφ；
3、计算复反射系数的幅度谱以及相位谱
(c)根据最优拟合脉冲组合计算复反射系数的幅值以及相位；具体地，步骤(c)中根据最优拟合组合Kφ和Lφ计算得到aA(KA，LA，f)和aφ(Kφ，Lφ，f)，得到复反射系数的幅度谱为
Figure RE-GDA00023038326300000711
复反射系数的相位谱为φr(f)＝aφ(Kφ，Lφ，f)；具体地，通过下列公式计算得到aA(KA，LA，f)和aφ(Kφ，Lφ，f)：
Figure RE-GDA0002303832630000075
Figure RE-GDA0002303832630000076
值得说明的是，本发明通过超声换能器可以获得多次脉冲信号，并且通过上述线性拟合方法对多次脉冲信号数据进行处理得出复反射系数的幅度谱和相位谱，大大提高了待测样品的声速及声衰减系数的测量精度。
步骤S3：采用复反射系数的幅度谱和相位谱，计算待测样品中声速和声衰减系数。具体地，通过下列公式计算待测样品中的声速：
Figure RE-GDA0002303832630000077
Figure RE-GDA0002303832630000078
Figure RE-GDA0002303832630000079
Figure RE-GDA00023038326300000710
通过下列公式计算待测样品中的声衰减系数：
Figure RE-GDA0002303832630000081
其中，f为频率，φr为复反射系数的相位谱，RII为复反射系数的幅度谱，*代表复变量的共轭运算，cF为试块中的声速，ρF为试块材料的密度，ρP是待测样品的密度。值得说明的是，通过上述步骤即可计算得出待测样品中声速和声衰减系数，即实现了对软材料中声速及声衰减系数的精确测量。
此外需要说明的是，当待测样品的声能量插入损失较小时，在
Figure RE-GDA0002303832630000084
和
Figure RE-GDA0002303832630000085
之间可观测到另一个信噪比大于6dB的脉冲回波；其中，
Figure RE-GDA0002303832630000086
为第1个试块-样品界面脉冲回波；
Figure RE-GDA0002303832630000087
为第2个试块-样品界面脉冲回波；若
Figure RE-GDA0002303832630000088
和
Figure RE-GDA0002303832630000089
之间存在信噪比大于6dB的脉冲信号，则根据下列步骤计算待测样品中声速及声衰减系数：
(1)选取该该信噪比大于6dB的脉冲信号
Figure RE-GDA00023038326300000810
(2)对脉冲信号
Figure RE-GDA00023038326300000811
和
Figure RE-GDA00023038326300000812
分别进行加窗、补零、移位：对脉冲信号
Figure RE-GDA00023038326300000814
和
Figure RE-GDA00023038326300000813
分别进行截取，并对截取的脉冲信号进行补零，再对补零后的脉冲信号进行移位得到
Figure RE-GDA00023038326300000815
和
Figure RE-GDA00023038326300000816
具体地，以
Figure RE-GDA00023038326300000817
和
Figure RE-GDA00023038326300000818
的正峰值时刻
Figure RE-GDA00023038326300000819
和
Figure RE-GDA00023038326300000820
为中心，分别选取长为W的矩形窗对
Figure RE-GDA00023038326300000821
和
Figure RE-GDA00023038326300000822
进行截取，并对截取的脉冲信号进行补零，补零后的脉冲信号长度为Ns个点，再将补零后的脉冲信号向左进行W/2个点的圆周移位，得到
Figure RE-GDA00023038326300000823
和
Figure RE-GDA00023038326300000824
值得说明的是，窗长W的选取要求为：只要长为W的矩形窗口截取的信号不包括其他脉冲信号即可；补零的目的在于增加频域分辨率，NS为2的整数次幂。
(3)计算各脉冲回波幅度谱和相位谱：先计算
Figure RE-GDA00023038326300000825
和
Figure RE-GDA00023038326300000826
的幅度谱和相位谱；再根据脉冲信号
Figure RE-GDA00023038326300000827
以及待测样品的厚度计算待测样品的声速及声衰减系数；具体地，
先通过线性调频z变换或者快速傅里叶变换计算
Figure RE-GDA00023038326300000828
和
Figure RE-GDA00023038326300000829
的幅度谱和相位谱，再利用下列公式计算待测样品中声速：
Figure RE-GDA0002303832630000082
利用下列公式计算待测样品中声衰减系数：
Figure RE-GDA0002303832630000083
其中，DP为待测样品的厚度，
Figure RE-GDA0002303832630000093
和
Figure RE-GDA0002303832630000094
分别为
Figure RE-GDA0002303832630000095
和
Figure RE-GDA0002303832630000096
的幅度谱，
Figure RE-GDA0002303832630000097
和
Figure RE-GDA0002303832630000098
分别为
Figure RE-GDA0002303832630000099
和
Figure RE-GDA00023038326300000910
的相位谱。值得说明的是，本发明利用螺旋测微器测量待测样品的厚度。
实施例2
本实施例的内容基本同实施例1，本实施例测量聚二甲基硅氧烷(PDMS)中横波的声速以及衰减系数。具体步骤为：
(1)选用中心频率为5MHz的横波超声换能器，在超声换能器上均匀涂抹横波耦合剂，将厚度为7.9mm的石英玻璃试块固定到超声换能器上。利用脉冲发射/接收源发射能量为32μJ 的脉冲，采集接收到的脉冲回波序列，采样率为200MHz，采样深度为16384个采样点。
(2)将厚度约为2mm的PDMS样品块贴合到石英玻璃试块上表面，待信号恢复稳定后，采集此时接收到的脉冲回波序列，采样率为200MHz，采样深度为16384个点。
(3)对两次得到的信号分别截取其前7个脉冲，即N＝7，取频域步长为2kHz，利用线性调频z变换分别计算其在3.0MHz到7.0MHz之间的幅度谱和相位谱，取频域步长为2kHz。得到
Figure RE-GDA00023038326300000911
和
Figure RE-GDA00023038326300000912
其中n＝1，2，…，7；
(4)在1≤k＜l≤7范围内遍历所有k、l的值，并计算该范围内的所有aA(k，l，f)、
Figure RE-GDA0002303832630000091
aφ(k，l，f)、
Figure RE-GDA0002303832630000092
从而选取对于|RII(f)|拟合效果最好的拟合组合参数为KA＝1，LA＝6，对于φr(f) 拟合效果最好的拟合组合参数为KA＝1，LA＝4；
(5)根据实施例1的计算公式计算出复反射系数的幅度谱为
Figure RE-GDA00023038326300000913
复反射系数的相位谱为φr(f)＝aφ(1，4，f)，进而计算得到PDMS中横波声速和衰减系数在3.0MHz到 7.0MHz之间的值，误差来源于9次重复测量(如图2所示)。其中，图2中的图2a代表待测样品中横波波速在3.0MHz到7.0MHz范围内的值；图2b代表待测样品中横波衰减系数在3.0MHz到7.0MHz范围内的值。
实施例3
本实施例的内容基本同实施例1，本实施例以测量聚二甲基硅氧烷(PDMS)中纵波的声速以及声衰减系数为例，具体步骤如下：
(1)选用中心频率为5MHz的纵波超声换能器，在换能器上均匀涂抹纵波耦合剂，将厚度为19.64mm的石英玻璃试块固定到超声换能器上。利用脉冲发射/接收源发射能量为32μJ的脉冲，采集接收到的脉冲回波序列，采样率为200MHz，采样深度为16384个采样点。
(2)将厚度约为2mm的PDMS样品块贴合到石英玻璃试块上表面，待信号恢复稳定后，采集此时接收到的脉冲回波序列，采样率为200MHz，采样深度为16384个点。
(3)用长度为512个点的矩形窗截取
Figure RE-GDA0002303832630000101
和
Figure RE-GDA0002303832630000102
窗中心位于各自信号正峰值处，在加窗信号后补零7680个点，并像左圆周移位256个点，得到
Figure RE-GDA0002303832630000104
和
Figure RE-GDA0002303832630000103
(4)利用8192点的快速傅里叶变换计算
Figure RE-GDA0002303832630000105
和
Figure RE-GDA0002303832630000106
的幅度谱和相位谱，测得样品的厚度为1.9274mm，并计算出PDMS样品中的纵波声速和声衰减系数在3.0MHz到7.0MHz范围内的值(如图3所示)。其中，图3中的图3a代表待测样品中纵波波速在3.0MHz到7.0MHz范围内的值；图3b代表待测样品中纵波衰减系数在3.0MHz到7.0MHz范围内的值。
由实施例2和实施例3可知，采用实施例1中的步骤即可实现对软材料的声速及声衰减系数的精确测量。
在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。

Claims (5)

1.一种软材料声学参数的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：向试块发射超声脉冲并采集脉冲回波，脉冲回波包括试块-空气界面脉冲回波和试块-样品界面脉冲回波；其中，第n个试块-空气界面脉冲回波为
Figure FDA0002594022520000019
第n个试块-样品界面脉冲回波为
Figure FDA00025940225200000110
步骤S2：采用采集的试块-空气界面和试块-样品界面脉冲回波，通过线性拟合方法计算试块-样品界面上的复反射系数；其中，计算试块-样品界面上的复反射系数的具体过程为：
(a)选取脉冲序列第n个脉冲为起始点，对每个脉冲信号进行截取并计算每个脉冲信号的幅度谱和相位谱；
(b)在
Figure FDA00025940225200000111
和
Figure FDA00025940225200000112
中选取脉冲组合，遍历脉冲组合确定最优拟合脉冲组合；确定最优拟合脉冲组合的具体过程为：
在
Figure FDA00025940225200000113
和
Figure FDA00025940225200000114
中选取脉冲组合k≤n≤l，将
Figure FDA00025940225200000115
对n进行线性拟合，得到的斜率记为aA(k，l，f)，每个组合中各个频率点上的线性拟合的决定系数平均值记为
Figure FDA0002594022520000011
在
Figure FDA00025940225200000116
和
Figure FDA00025940225200000117
中选取脉冲组合k≤n≤l，将
Figure FDA00025940225200000118
对n进行线性拟合，得到的斜率记为aφ(k，l，f)，每个组合中各个频率点上的线性拟合的决定系数记为
Figure FDA0002594022520000012
取信噪比大于6dB的前N组脉冲信号，遍历所有k、l的值，得到1≤k＜l≤N范围内的所有aA(k，l，f)、
Figure FDA0002594022520000013
aφ(k，l，f)、
Figure FDA0002594022520000014
当k＝KA，l＝LA时，
Figure FDA0002594022520000015
取最大值，确定对于复反射系数幅值的最优拟合组合为KA-LA；当k＝Kφ，l＝Lφ时，
Figure FDA0002594022520000016
取最大值，确定对于复反射系数相位的最优拟合组合为Kφ-Lφ；其中，k和l为正整数；
(c)根据最优拟合脉冲组合计算复反射系数的幅值以及相位；据最优拟合组合Kφ和Lφ计算得到aA(KA，LA，f)和aφ(Kφ，Lφ，f)，得到复反射系数的幅度谱为
Figure FDA00025940225200000119
复反射系数的相位谱为φr(f)＝aφ(Kφ，Lφ，f)；通过下列公式计算得到
Figure FDA0002594022520000017
aA(KA，LA，f)和aφ(Kφ，Lφ，f)：
Figure FDA0002594022520000018
Figure FDA0002594022520000021
Figure FDA0002594022520000022
Figure FDA0002594022520000023
其中fM是线性调频z变换中在有效带宽fL-fH内均匀选取的M个频率点；
步骤S3：采用复反射系数的幅度谱和相位谱，计算待测样品中声速和声衰减系数；通过下列公式计算待测样品中的声速：
Figure FDA0002594022520000024
Figure FDA0002594022520000025
Figure FDA0002594022520000026
Figure FDA0002594022520000027
通过下列公式计算待测样品中的声衰减系数：
Figure FDA0002594022520000028
其中，f为频率，φr为复反射系数的相位谱，RII为复反射系数的幅度谱，*代表复变量的共轭运算，cF为试块中的声速，ρF为试块材料的密度，ρP是待测样品的密度。
2.根据权利要求1所述的一种软材料声学参数的测量方法，其特征在于：步骤S2中若第1个试块-样品界面脉冲回波
Figure FDA0002594022520000029
和第2个试块-样品界面脉冲回波
Figure FDA00025940225200000210
之间存在信噪比大于6dB的脉冲信号，则根据下列步骤计算待测样品中声速及声衰减系数：
(1)选取该信噪比大于6dB的脉冲信号
Figure FDA0002594022520000033
(2)对脉冲信号
Figure FDA0002594022520000034
和
Figure FDA0002594022520000035
分别进行截取，并对截取的脉冲信号进行补零，再对补零后的脉冲信号进行移位得到
Figure FDA0002594022520000036
和
Figure FDA0002594022520000037
具体过程为：以
Figure FDA0002594022520000038
和
Figure FDA0002594022520000039
的正峰值时刻
Figure FDA00025940225200000310
和
Figure FDA00025940225200000311
为中心，分别选取长为W的矩形窗对
Figure FDA00025940225200000312
和
Figure FDA00025940225200000313
进行截取，并对截取的脉冲信号进行补零，补零后的脉冲信号长度为NS，再将补零后的脉冲信号向左进行W/2个点的圆周移位，得到
Figure FDA00025940225200000314
和
Figure FDA00025940225200000315
(3)先计算
Figure FDA00025940225200000316
和
Figure FDA00025940225200000317
的幅度谱和相位谱；再根据脉冲信号
Figure FDA00025940225200000318
以及待测样品的厚度计算待测样品的声速及声衰减系数；利用下列公式计算待测样品中声速：
Figure FDA0002594022520000031
利用下列公式计算待测样品中声衰减系数：
Figure FDA0002594022520000032
其中，DP为待测样品的厚度，
Figure FDA00025940225200000319
和
Figure FDA00025940225200000320
分别为
Figure FDA00025940225200000321
和
Figure FDA00025940225200000322
的幅度谱，
Figure FDA00025940225200000323
和
Figure FDA00025940225200000324
分别为
Figure FDA00025940225200000325
和
Figure FDA00025940225200000326
的相位谱。
3.根据权利要求1所述的一种软材料声学参数的测量方法，其特征在于：采集脉冲回波的具体过程为：
利用超声换能器向试块发射超声脉冲，并采集试块-空气界面脉冲回波，第n个试块-空气界面脉冲回波为
Figure FDA00025940225200000327
将待测样品贴合于试块表面，再利用超声换能器向试块发射超声脉冲，并采集试块-样品界面脉冲回波，第n个试块-样品界面脉冲回波为
Figure FDA00025940225200000328
4.根据权利要求2所述的一种软材料声学参数的测量方法，其特征在于：通过线性调频z变换或者快速傅里叶变换计算
Figure FDA00025940225200000329
和
Figure FDA00025940225200000330
的幅度谱和相位谱。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种软材料声学参数的测量方法，其特征在于：超声换能器包括横波型超声换能器和纵波型超声换能器，分别采用横波型超声换能器和纵波型超声换能器测量待测样品中横波和纵波的声速和声衰减系数。
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