Page 171 - 《应用声学》2023年第1期

第 42 卷 第 1 期 谭红等： 基于超声回波重组相位分析的颗粒粒径测量方法 167

速度就可以知道颗粒的沉降速度，从而计算出颗粒
0 引言
的粒径。但是面对复杂的颗粒构成，很难一下测得
所有不同沉速的颗粒所对应的回波相位变化速度。
目前，颗粒材料广泛应用于医药、化工、环保，能
源等各行业。粒度是指颗粒的大小，是颗粒材料的
研究基础，是表征颗粒特性的重要参数。因此粒径
测量，尤其是粒径的在线快速检测已经受到学者们 v c
aག
的特别关注 [1−2] 。粒径检测已经可以实现全流场瞬 bག
态测量，如：粒子跟踪测速技术、粒子图像测速技术
aག
等，可以测得颗粒群的速度分布、粒径等，但往往由
v
于操作需要一定门槛、对设备要求高、后期处理技 bག t  t
术复杂等无法实现快速在线的要求 [3−4] 。近期，常
图 1 颗粒沉降示意图
见基于沉降原理获取颗粒粒径的简单测量方法，如：
Fig. 1 Schematic diagram of particle settling
沉降天平法、沉降光透法、沉降超声透射法等，但多
数方法指向颗粒群体速度测量，很少能做到对颗粒 换一种角度观察，在颗粒沉降过程中，观察同
速度分布的测量，且测量精度存在一定局限性 [5−6] 。 一深度，颗粒会依次通过，由此可以简化测量的复杂
根据文献 [7]提供的思路，本文尝试以超声波作 性，从而获得测量区域内某一确定深度处的回波相
为探测手段，对超声测量的回波信号进行相位分析 位变化速度，进而实现粒径测量的目的。
和重组，通过重组后信号的频率去计算颗粒的沉降 为了实现这一目的，首先可以按一定的重复频
速度，从而为粒径分布的快速准确测量提供了可能。 率发射超声波脉冲，并不断地对回波信号一帧一帧
本方法成本低廉，操作简单，易于满足在线测量的 地采集 (如图 2 所示)，然后取出这些采集信号每一
要求。 帧的同一序号点的数据，按采集时间间隔进行重组，

1 基本原理 T/T 
ŀ
基于超声波测距原理可知，当颗粒沉降到不同
位置时，超声回波信号仅表现为相位不同，如图 1所 Ă t  t  t
示，且颗粒的沉降速度越快，单位时间内回波信号的 T/T 
相位差就越大，因此回波的相位变化速度 (角频率 Ł
ω)与颗粒的沉降速度(v)相关。设颗粒在∆t时间间
t  t  t
隔内以恒定速度 v 沉降了 ∆R 的路程，则相同的时
Ă
T/T 
间间隔内，超声波到达颗粒并返回到探头，总相位变 ł
化了 ∆φ，波长变为 λ，此时可推导出 ω 与 v 的具体
关系： Ă t  t  t
v T/T  Ń
λ = λ c + , (1)
f c
2∆R
∆φ = 2π , (2) Ă t  t  t
λ
T/T 
ń
∆φ 2∆R 2v 2vf c
ω = = 2π = 2π = 2π , (3)
∆t λ∆t λ v c + v
其中：λ c 为超声波的波长 (单位为 m)，f c 为探头发 t  t  t
出的中心频率(单位为 Hz)，v c 为超声波在介质中的 图 2 回波的多次采集信号图
传播速度(单位为m/s)。因此，检测回波的相位变化 Fig. 2 Multiple acquisition signal map of the echo