Page 220 - 《应用声学》2023年第4期

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1.2 超声波声速 体超声波特性、超声波发射和接收以及超声波信号
与声衰减不同的是，超声波的传播速度取决 处理技术都取得了很大的进步 [15−17] ，从而促使国
于介质的密度和可压缩性等特性 [12] 。因此，当超 内超声波测量悬浮液浓度领域不断前进发展。目前
声波在介质中传播时，其传播速度与悬浮液的浓 国内此领域研究基于角度主要分成3类。
度有关，当悬浮液中的颗粒发生变化时，超声波的 一是根据超声波在不同悬浮液中的传播特性，
传播速度也会因此发生改变。所以，可以通过测 改进理论模型，探索声衰减与浓度之间的关系。夏
量超声波在介质中的传播速度来间接测量悬浮液 多兵等 [10] 利用低频超声波体积百分浓度小于25%、
的浓度。 不同粒径的石英砂悬浮液进行非侵入式声衰减测
悬浮液的声速由基于多重散射理论的浓度函 量，根据分析透射信号，证明了浓度测量方案的可
数给出 [13] ，如下： 行性。Gu 等 [18] 针对不同颗粒，10% 悬浮液。在此
基础上，Huang 等 [19] 通过改进传统单散射模型，利
v =
用 40%。Yu等 [20] 考虑多重散射效应的超声散射衰
v 0
,
√ 减机制，为了解决水合物 -水分散体的衰减预测问
2
(1 + ϕRe{a 0 }) (1 + 3ϕRe{a 1 }) + 6ϕ (Re{a 1 }) 2
题，提出了一种基于超声衰减机理的模拟退火与遗
(2)
传算法相结合的反演算法，以解决反演计算中的不
适定问题。
式 (2) 中，v 0 是纯溶液中的声速，ϕ 是浓度，系数 a n
由公式(3)组成： 二是通过补偿算法解决环境参数对于声衰减
3iA n 的影响。Zhan 等 [21] 将联合区间偏最小二乘 (Syn-
a n = − 3 3 , (3)
k r
ergy interval partial least square, Si-PLS) 模型结
其中，k 为波数，r 为粒子半径，当阶数 n =0 和 n =1
合超声光谱与温度补偿模型，提出了通过温度补偿
时： 的方法测量 16 C∼40 C 范围内多组分混合物浓度
◦
◦
3 3
k r ( ρk ′2 )
A 0 = − i 1 − 的新技术，以解决温度对超声信号的影响。之后，考
′ 2
3 ρ k
虑到工业浆料中可能存在的气泡同样会对超声信
( β β ′ ) 2
2
− k rv 0 Tρτ − 号有较大的影响，在此基础上Zhan等 [22] 同样利用
′
ρC p ρ C ′ p 此方法消除了单组分悬浮液浓度测量的气泡效应。
( ) −1
1 τ tan z ′ [23]
× − , (4) 三是匹配最佳模型，提升测量精度。Zhan等
1 − iz τ tan z − z ′
′
′
开发出基于最小二乘支持向量机 (Least square
3 3
k r support vector machine, LS-SVM) 和核偏最小二
A 1 = − i (ρ − ρ )
′
3 乘 (Kernel partial least squares, KPLS) 的超声测
−1
 
量系统，通过，在低浓度条件下能针对多组分悬浮液
2 (ρ − ρ )
′
  , (5)
×  2 + 3ρ 中的颗粒浓度实现高精度在线测量。
3 (1 + i) δ v i3δ v
1 + + 目前，国内学者针对二元体系下悬浮液的浓度
2r 2r 2
其中，τ 是热导率，C p 是比热容，ρ 是密度，T 检测方面取得了较好的进展。但对于三元乃至多元
是绝对温度，r 是粒子半径，β 是立方膨胀系数， 体系下混合浆料浓度的测量研究较少，由于超声波
√ √
(1 + i) r 2τ 2η 对浆料颗粒粒径、形态、絮凝/凝聚以及对颗粒表面
z = ，δ t = ，δ r = ，ω 和η 分别
δ t ωρC p ωρ 特性的影响，需要进一步建模分析声波在多元混合
是角频率和黏度。这种方法目前处于初步的探索阶 悬浮液中的衰减与各个物理参量的变化关系，建立
段 [14] ，并没有普遍应用。 适合多元体系下的悬浮液声衰减-浓度模型。
2.2 国外
2 超声波浓度测量国内外进展
近年来，关于浆体浓度测量的国外相关研究文
2.1 国内 献层出不穷，超声测量技术发展迅速，Greenwood
近年来，随着材料科学、电子技术和信号处理 等 [24] 提出了一种简单的单频超声波测量技术，通
技术的发展，超声波技术包括新型换能器的开发、流 过研究超声波频率与高岭土浆液超声衰减的关系，