Page 173 - 《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 169

1.0 (3) 重组：取出每帧信号序号为 2100 的数据，
按顺序以 50 ms 的采集时间间隔进行重组，从而得
0.8
到该序号所对应距离探头深度为 0.031 m 的重组信
号图。
0.6
ե᧚ (4) 数据分析：对样品 1、样品 2、清水的重组信
0.4 号去噪，并进行时域分析、时频分析。

3 结果分析
0.2

0 3.1 时域分析
„10 10~20 20~30 30~45 45~60 60~75 75 经过上述实验可以得到样品1、样品2以及清水

ᄰय़/mm
在0.031 m深度处的重组信号，经小波去噪后，结果
图 6 样品 2 粒径分布 如图 8∼10 所示。对照 3 幅图可知，样品 1 在 2000 s
Fig. 6 Particle size distribution of Sample 2 以前信号明显，对应着在 0.031 m 深度处颗粒沉降
正在发生，2000 s以后信号消失，对应着颗粒沉降完
2.1 实验装置
毕；对于样品 2，可知其在 0.031 m 深度处的沉降结
图 7 为实验测量装置，以 USB-UT350(T) 超声
束时间为800 s，且表现出大颗粒相对小颗粒先沉降
波脉冲收发器和中心频率为 3.0 MHz 的压电式超
完毕的现象，与实验观察结果相吻合。清水中无颗
声波直探头作为数据采集工具。UT350负责驱动探
粒存在，所以0.031 m深度处的时域信号强度较弱。
头产生超声波，并将采集到的数据传输给上位机。
上位机通过编程设置UT350 的参数，以及采集每一 3.2 时频分析
帧信号的时间间隔和采集总时长。 对样品 1、样品 2 和清水在 0.031 m 深度处的
重组信号分别进行小波时频分析，分析结果如
฾᧚౔
ଊ݀ 图11∼13所示。结合基本原理中式(8)、图4的结论，
USB-UT350 PCʽͯ఻
ᡔܦԧ࠱ଌஆ́
从小波时频分析图中可得到如下信息：
TX
USB (1) 样品 1 时频图中，频率分布范围跨度小且
RX
h 频率均小于 0.4 Hz，说明颗粒粒径分布较均匀；样
品 2 时频图中，频率分布范围较广且频率大多高于
图 7 实验装置图
0.4 Hz，说明颗粒粒径分布范围大且粒径相较样品1
Fig. 7 Experimental set-up diagram
整体偏大。
2.2 测量过程 (2) 根据各时频图的频率成分截止时间知，样
本实验是在温度为25 C并以清水作为介质的 品 1、样品 2 在 0.031 m 深度处的沉降结束时间分别
◦
条件下开展的，以一段时间内通过某确定深度处的 为 2000 s、800 s，与时域信号反映的各样品的沉降
颗粒沉降情况作为分析内容，实验步骤如下： 结束时间相印证；且在样品 2 的时频图中，明显表现
(1) 配制悬浮液：大量文献表明，测颗粒沉降速 出频率的值越大，频率截止时间越快，这是因为频率
度时，颗粒溶液质量浓度通常应位于0.01%∼1%，因 值更大表征颗粒更大，大颗粒沉降更快，因此该频率
此本实验用精度为 0.01 g 的电子秤称量 0.50 g 样品 更早截止。
放置烧杯中，加入275.00 g清水，用磁力搅拌器均匀 (3) 样品 1 时频图中，频率基本均在 0.4 Hz 以
搅拌，将样品均配制成质量浓度为0.18%的溶液。 下，结合图4 知，此范围内的频率表现为小颗粒且分
(2) 测量：设置UT350的参数：脉冲宽度100 ns， 辨率较差，所以样品 1 的粒径偏小且时频图中频率
采样率50 MHz，脉冲幅度90 V，增益68 dB，其余参 成分表现较均一；样品2频率多集中于0.5 ∼ 1.5 Hz,
数默认，并在 40 min 内每隔 50 ms 采集一帧回波信 所以样品 2 多表现为中颗粒且时频图中频率表现出
号，共计48000帧信号，每帧信号长度为2300。 较好的分辨率。