一种液体介质中超声波声速的测量方法与装置

摘要

本发明公开了一种液体介质中超声波声速的测量方法与装置，通过改变超声信号反射板与超声探头之间的距离，得到不同声程的超声信号，采用信号处理技术获得不同声程时超声信号的时频信号，进一步获得不同单一频率超声波在已知超声传播距离内的传播时间，进一步得到不同单一频率超声波在所测量液体介质中的声速，一种用于实现所述一种液体介质中超声波声速的测量方法的装置，包括变声程装置、连接超声探头的超声信号发射与接收仪器、连接计算机信号放大单元、A/D转换单元和信号处理单元；本发明克服了传统的声速测量方法的不足，能准确测量出液体介质中的不同单一频率超声波声速。

说明书

技术领域

本发明涉及一种声速的测量方法与装置，特别涉及一种液体介质中超声波声速的测量方法与装置。

背景技术

超声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，通过测量其声速，可以准确了解媒质的特性以及状态变化。超声波在各种液体中传播时，受液体中的各种物理量、 化学量变化的影响，传播速度会有较明显的变化。由于超声波在液体中传播时， 声速与介质的比重、浓度、酸度、碱度、黏度、温度等物理量的变化有关系，因此利用测量超声波声速的方法可以间接测量多种物理量。

现有的超声波声速测量手段主要有脉冲回波重合法、脉冲回波计数法等，它们都可以实现较高测量精度，但这些方法均要求测量的液体介质低衰减且非频散(即声速随超声频率改变)，而现实工作中经常需要通过测量不同频率对应的声速度来确定介质的物理特性，譬如牛奶中脂肪、蛋白质含量，食用调和油中不同成分的含量均与不同频率下声速的大小有关，由此可见传统的声速测量方法很难满足现代技术发展的需要。

本发明通过特有信号处理技术，结合变声程装置实现液体介质中超声波声速的准确测量，且适用于频散或非频散介质。

发明内容

为了克服传统的声速测量方法的不足，准确测量液体介质中的超声波声速，提供一种液体介质中超声波声速的测量方法与装置。

本发明的技术方案是，一种液体介质中超声波声速的测量方法，其特点是方法步骤为：

1．获得超声探头与超声信号反射板两个不同距离时的超声反射信号：

在储有液体介质的槽中相隔一定距离放置有由发射与接收在一起的超声探头和信号反射板，由超声探头测出并记录当时距离的超声反射信号，移动超声信号反射板，改变其与超声探头之间的距离，记录下新的超声反射信号；

2．对获得的超声反射信进行信号处理得到不同频率对应的超声波声速：

将获得超声探头与超声信号反射板两个不同距离时的超声反射信号经过信号放大，通过高速A/D转换单元输入到计算机，并作信号处理，信号处理方法信号处理为加窗后的快速傅里叶变换，其中窗函数由下式表示：

                     (1)

式中，为窗函数宽度，为时间单位，其数值为有效超声信号持续时间的1.5倍，出现小数，则四舍五入取整；采集获得的超声信号通过A/D转换，变为一系列以时间为横坐标，电压幅值为纵坐标的离散点以行向量表示。设有效信号点的个数为n，该信号的起始位置从向量中第位开始，至位截止，即为所需处理的超声信号；窗函数的宽度则为1.5n；设A/D转换的采样频率为，创建一个频率向量，其中，的定义为所有大于1.5n的2的整数次方中的最小值；将式(1)的以1.5n代替，得到长度为1.5n的行向量，1.5n出现小数则四舍五入取整，以表示，为了实现两行向量的点乘，将超声有效信号向量中不足的部分用0补充，即，将向量与点乘，即相对应元素分别相乘，得到新的向量，以表示；不同频率的超声波幅值计算由下式给出：

                 （2）

式中，的定义同上，，为取模，大于1.5n，则向量中超过的元素以0补足。移动窗函数，待处理信号向量从开始，不足部分用0补足，此时待处理信号向量变为，同样将该信号向量与频率向量点乘，然后利用公式（2）求取，以此类推，直至待处理信号向量变为，并与频率向量点乘后利用公式（2）求取。当取向量中的不同值，即不同频率的情况时，就决定了n个不同的与相对应，所得到的结果为某一特定频率的超声波幅值在时间轴上的变化趋势，为一单峰曲线。

将信号反射板前后两次不同位置所获得的信号置于同一时间轴之上作的超声波在不同传播时刻的幅值随时间变化的趋势示意图，按照上述方法作信号处理，所得到的结果就是频率为的超声波在不同传播时刻的幅值随时间变化的趋势图。此时，分别选取频率为的超声波在不同传播时刻的幅值随时间变化的趋势图上前后两列单峰曲线的峰值点设为A₁与A₂，前列单峰曲线的峰值点与后列单峰曲线的峰值点所各自对应的时间横坐标设为与，则所表示的时间差就是频率为的超声波在已知传播距离内的传播时间，超声信号反射板前后两次不同位置之间的距离设为,则频率为的超声波在液体介质中的声速通过下式求出：

                                (3)

所测超声波为一脉冲超声波，由于脉冲超声波可看成无穷列不同单一频率的正弦波或者余弦波组成，通过该方法，得到一系列不同单一频率超声波在被测液体介质中的传播声速。

一种用于实现上述液体介质中超声波声速的测量方法的装置，其特点是，它包括变声程装置、连接超声探头的超声信号发射与接收仪器、连接计算信号放大单元、A/D转换单元和信号处理单元，所述的变声程装置包括超声探头侧防漏压紧套、超声探头、液体介质槽、超声信号反射板、超声信号反射板侧防漏压紧套、调整螺杆、超声信号反射板位置调整支架、超声信号反射板位置调整螺母和旋转螺母定位压板；超声探头和超声信号反射板置于液体介质槽两侧，超声探头侧防漏压紧套和超声信号反射板侧防漏压紧套均是螺钉与液体介质槽固定在一起，调节螺钉拧紧程度压紧O型圈，O型圈与超声探头和超声信号反射板紧密配合，实现防止液体介质漏出功能；调整螺杆与超声信号反射板固定连接在一起，超声信号反射板位置调整支架与液体介质槽固定连接在一起，调整螺杆置于超声信号反射板位置调整支架上，调整螺杆配有超声信号反射板位置调整螺母，信号反射板位置调整螺母置有旋转螺母定位压板，旋转螺母定位压板通过螺钉与超声信号反射板位置调整支架相连接；

所述超声信号反射板前部的反射面为平面，后部为锥形体逐步过渡到长光滑圆柱体，反射面为平面减少超声界面反射干扰，超声信号反射板后部的光滑圆柱体置于液体介质槽侧面中，用以超声信号支撑反射板前后移动。

申请人设计了一种变声程测量装置，通过改变超声信号反射板与超声探头之间的距离，得到不同声程的超声信号，采用信号处理技术获得不同声程时超声信号的时频信号，进一步获得不同频率超声波在已知超声传播距离内的传播时间，进一步得到不同频率超声波在所测量液体介质中的声速，克服了传统的声速测量方法的不足，准确测量出液体介质中的超声波声速。

附图说明

图1为变声程装置结构示意图；

图2为超声探头与信号反射板不同距离时的两列超声波反射信号示意图；

图3为频率为的超声波在不同传播时刻的幅值随时间变化的两列单峰曲线示意图；

图4为实现液体介质中超声波声速的测量方法的装置框图；

图5为实施例中的频率为25MHz的超声波在超声信号反射板与超声探头距离分别为20mm和30mm位置处的两次超声波脉冲回波信号并叠加的波形图；

图6为频率20MHz超声波幅值－时间谱图。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

由图1-图3所示，一种液体介质中超声波声速的测量方法，其特点是方法步骤为：

1．获得超声探头2与超声信号反射板4两个不同距离时的超声反射信号：

在液体介质槽3中相隔一定距离放置有由发射与接收在一起的超声探头2和超声信号反射板4，由超声探头2测出并记录当时距离的超声反射信号，移动超声信号反射板4，改变其与超声探头2之间的距离，记录下新的超声反射信号；

2．对获得的超声反射信进行信号处理得到不同频率对应的超声波声速：

将获得超声探头与超声信号反射板两个不同距离时的超声反射信号经过信号放大，通过高速A/D转换单元输入到计算机，并作信号处理，信号处理方法信号处理为加窗后的快速傅里叶变换，其中窗函数由下式表示：

              (1)

式中，为窗函数宽度，为时间单位；其数值为有效超声信号持续时间的1.5倍，如果出现小数，则四舍五入取整；采集获得的超声信号通过A/D转换，变为一系列以时间为横坐标，电压幅值为纵坐标的离散点以行向量表示。设信号有效点的个数为n，该信号的起始位置从向量中第位开始，至位截止，即为所需处理的超声信号；窗函数的宽度则为1.5n；设A/D转换的采样频率为，创建一个频率向量，其中，的定义为所有大于1.5n的2的整数次方中的最小值；将式(1)的以1.5n代替，出现小数则四舍五入取整，得到长度为1.5n的行向量，以表示，为了实现两行向量的点乘，将超声有效信号向量中不足的部分用零补充，即，将向量与点乘，即相对应元素分别相乘，得到新的向量，以表示；不同频率的超声波幅值计算由下式给出：

            （2）

式中，的定义同上，，为取模，大于1.5n，则向量中超过的元素以0补足。移动窗函数，待处理信号向量从开始，不足部分用0补足，此时待处理信号向量变为，同样将该信号向量与频率向量点乘，然后利用公式（2）求取，以此类推，直至待处理信号向量变为，并与频率向量点乘后利用公式（2）求取，当取向量中的不同值，即不同频率的情况时，就决定了n个不同的与相对应，所得到的结果为某一特定频率的超声波幅值在时间轴上的变化趋势，为一单峰曲线。

将信号反射板前后两次不同位置所获得的信号置于同一时间轴上如图2所示，按照上述方式作信号处理，所得到的结果就是频率为的超声波在不同传播时刻的幅值随时间变化的趋势如图3所示。此时，分别选取图3前后两列单峰曲线的峰值点设为A₁与A₂，前列单峰曲线的峰值点与后列单峰曲线的峰值点所各自对应的时间横坐标设为与，则所表示的时间差就是频率为的超声波在已知传播距离内的传播时间，超声信号反射板前后两次不同位置之间的距离设为,则频率为的超声波在液体介质中的声速通过下式求出：

                                (3)

所测超声波为一脉冲超声波，由于脉冲超声波可看成无穷列不同单一频率的正弦波或者余弦波组成，通过该方法，得到一系列不同单一频率超声波在被测液体介质中的传播声速。

一种用于实现上述液体介质中超声波声速的测量方法的装置，如图4所示，其特点是，它包括变声程装置、连接超声探头的超声信号发射与接收仪器、连接计算信号放大单元、A/D转换单元和信号处理单元；所述的变声程装置由图1所示，包括超声探头侧防漏压紧套1、超声探头2、液体介质槽3、超声信号反射板4、超声信号反射板侧防漏压紧套5、调整螺杆6、超声信号反射板位置调整支架7、超声信号反射板位置调整螺母8和旋转螺母定位压板9；超声探头1和超声信号反射板4置于液体介质槽3两侧，超声探头1侧防漏压紧套1和超声信号反射板4侧防漏压紧套5均是通过螺钉与液体介质槽3固定在一起，调节螺钉拧紧程度压紧O型圈，O型圈与超声探头2和超声信号反射板4紧密配合，实现防止液体介质漏出功能；调整螺杆6与超声信号反射板4固定连接在一起，超声信号反射板位置调整支架7与液体介质槽3固定连接在一起，以保证信号反射板移动后始终与超声探头1保持垂直且反射板背部长光滑圆柱体与超声探头同心，调整螺杆6置于超声信号反射板位置调整支架7上，调整螺杆6与超声信号反射板位置调整螺母8相配合，旋转螺母定位压板9套在超声信号反射板位置调整螺母8上，并通过螺钉与超声信号反射板位置调整支架7相连接，该旋转螺母定位压板9的作用是只允许超声信号反射板位置调整螺母8旋转而不能左右移动，于是当旋动信号反射板位置调整螺母8时，调整螺杆6在螺旋副的作用下左右移动，实现超声信号反射板4的位置调整。

所述超声信号反射板4前部的反射面为平面，后部为锥形体逐步过渡到长光滑圆柱体，反射面为平面减少超声界面反射干扰，超声信号反射板4后部的光滑圆柱体置于液体介质槽3侧面中，用以超声信号支撑反射板前后移动。

实施例：

以蒙牛牛奶为例，超声探头的中心频率为25MHz，在20℃时，采集超声反射板与换能器距离分别为20mm和30mm位置处的两次超声波脉冲回波信号并叠加，获得如图5所示波形：按照本发明中所采用的信号处理方法，得到频率20MHz超声波幅值－时间谱图6所示，可计算出该超声波在已知声程20mm内的传播时间为13.524μs，将上述数值代入公式(3)， \* MERGEFORMAT ，计算得到20MHz超声波在蒙牛牛奶中的声速为1479m/s。