Page 61 - 《应用声学》2021年第4期

第 40 卷 第 4 期 蒋瑜等： 表征超声衰减谱粒度的改进和声搜索算法 545

表 4 加入不同随机噪声 IHS 反演结果
Table 4 Inversion results of IHS with different random noise
随机误差/%
¯
设定参数 (R/µm, K)
无噪声 1% 3% 5%
¯
R = 45, K = 7 44.99; 7.00 45.25; 7.03 45.36; 6.51 44.51; 5.73
¯
R = 70, K = 7 69.99; 7.00 69.81; 7.06 69.74; 7.21 70.46; 8.67
¯
R = 45, K = 10 44.99; 10.01 45.11; 9.74 44.92; 8.96 44.90; 11.77
¯
R = 70, K = 10 69.99; 10.04 69.83; 10.21 69.77; 11.57 69.36; 11.96
0.011 为 6.5 mm。 为 避 免 温 度 波 动 影 响， 实 验 中 将
ᄱࠫឨࣀ
0.010 0.0098
తܸឨࣀnjత࠵ឨࣀ 样品池置于循环低温恒温水槽内，温度设定为
0.009 ࣱکឨࣀ 0.0091
◦
0.008 0.0084 (20 ± 0.5) C。使用了两块等厚度的有机玻璃缓冲
0.007
块，安装发射/接收信号超声探头 (Olympus V310、
ឨࣀ 0.006 1%٪ܦ 3%٪ܦ 5%٪ܦ 中心频率为 5 MHz)，在激励源 (汕头超声，型号
0.005
0.0038
0.004 CTS-8077PR)作用下自发自收模式工作。双通道数
0.0030
0.003 0.0036
0.0024 0.0026 据采集卡 (NI PCI-5133，100 MS/s) 分别采集样品
0.002
0.0019
0.001 池内介质为空气或被测样品时的缓冲块 -样品界面
0
0 20 40 60 80 100 120 140 反射信号 A 1g 、A 1s ，以及样品池内介质分别为水或
൓஝
被测样品时的样品 -缓冲块界面反射信号 A 2w 、A 2s ，
(a) ˀՏ٪ܦඵࣱʾRϙ
衰减系数表达式为
0.25
ឨࣀ [ 2 ]/
తܸឨࣀnjత࠵ឨࣀ 0.21 1 A 2w (A 1s /A 1g )(1 − (A 1s /A 1g ) )
ࣱکឨࣀ α s =α w ln 2 L,
0.20 0.19 2 A 2s R w (1 − R )
w
0.18
0.17 (8)
0.15
0.15
ឨࣀ 0.13 其中，α w 是水的衰减系数，R w 是缓冲块与水之间反
0.10 射系数，L为样品池厚度。
1%٪ܦ 3%٪ܦ 5% ٪ܦ
0.05
0.03 ᎁфڱ ನֶ ᎁфڱ
0.02
0.01
0
0 20 40 60 80 100 120 140 ԧ
൓஝ ࠱ A 
ଌ
(b) ˀՏ٪ܦඵࣱʾKϙ A 
ஆ
ଊ A 
图 4 不同噪声水平下 50 次反演变化 ݀
Fig. 4 The change of inverse value of 50 times
under different SNR
误差变小，提升了抗噪性。同时在噪声情况下，进行 图 5 超声测量原理示意图
了迭代次数为 100∼900的9 种BFGS算法介入情况 Fig. 5 Schematic diagram of ultrasonic measure-
反演分析，仍是迭代次数为 200时，反演结果方差最 ment principle
小，最为稳定。考虑到实验室条件下超声谱的测量
4.2 样品反演计算
噪声水平可控制在 1%∼2%，结果表明 IHS 对颗粒
实验样品为两种不同粒径的硅 -水悬浊液，颗
系的反演是有效的。
粒密度为 2.34 g/cm ，体积浓度均为 10%，图6 为测
3
4 实测颗粒反演计算 得的实验超声衰减谱。图 7 是分别用 HS、IHS 法对
衰减谱的反演结果，均较好地区分出两种颗粒。对
4.1 实验原理和装置 于标称尺寸为(10 ± 0.6) µm、(20 ± 1.2) µm 硅颗粒
图5为测量超声反演信号的装置简图，测量区 由 IHS 反演得体积中位径 (D v50 ) 分别为 10.61 µm