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一种利用圆柱体散射声压检测悬浮液颗粒含量的方法

阅读:718发布:2022-10-01

专利汇可以提供一种利用圆柱体散射声压检测悬浮液颗粒含量的方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开一种利用圆柱体散射声压检测悬浮液颗粒含量的方法,包括以下步骤:S01,建立含颗粒悬浮液中的圆柱 体模 型,引入Mcclements模型,得出模型下的入射波 波数 表达式;S02,推导出含泥沙颗粒悬浮液中圆柱体模型下的散射声压表达式;S03,通过 数据处理 软件 仿真得出理论上不同颗粒含量对应的理论散射声压分布;S04,通过仪器设备对圆柱体周围散射声压进行实际测量,向被测圆柱体激发 超 声波 获得实际散射声压分布情况;S05,将实际散射声压分布情况与理论散射声压分布进行对比,根据散射声压分布得到圆柱体周围颗粒含量。本发明提供的一种利用圆柱体散射声压检测悬浮液颗粒含量的方法,具备操作简单和节约时间的优点。,下面是一种利用圆柱体散射声压检测悬浮液颗粒含量的方法专利的具体信息内容。

1.一种利用圆柱体散射声压检测悬浮液颗粒含量的方法,其特征在于:包括以下步骤:
S01,建立含颗粒悬浮液中的圆柱体模型,引入Mcclements模型,得出模型下的入射波波数表达式;
S02,根据圆柱体的散射声压与势函数的关系、圆柱体表面入射波与散射波径向质点速度关系以及波数关系,推导出含泥沙颗粒悬浮液中圆柱体模型下的散射声压表达式;
S03,通过数据处理软件仿真得出理论上不同颗粒含量对应的理论散射声压分布;
S04,通过仪器设备对圆柱体周围散射声压进行实际测量,向被测圆柱体激发声波获得实际散射声压分布情况;
S05,将实际散射声压分布情况与理论散射声压分布进行对比,根据散射声压分布得到圆柱体周围颗粒含量。
2.根据权利要求1所述的一种利用圆柱体散射声压检测悬浮液颗粒含量的方法,其特征在于:S01中,ECAH模型的表达式如下所示:
其中kl为ECAH模型下声波的复波数, 为颗粒体积含量,k为流体连续相的复波数,An为第n阶超声散射系数矩阵,b为颗粒粒径,i为虚数单位,基于上述波动方程,结合颗粒表面的边界条件,最终通过求解一个6阶的线性方程求得An;
Mcclements模型假定系数矩阵中前两项对波的传播起主导作用,前两项系数A0和A1长波入射情况下的表达式分别为公式(2)和公式(3):
A0=i(kb)3[(ρk'2/ρ'k2)-1]/3-k2bcTρτH(β/ρCb-β'/ρ'Cb')2    (2)
A1=-i(kb)3/3·(ρ-ρ')/{2(ρ-ρ')/[1+3(1+i)δv/2b+3iδv2/2b2]+3ρ}    (3)其中,H={1/(1-iz)-τ/τ'.tan(z')/[tan(z')-z']}-1,z=(1+i).b/δt,
β为热膨胀系数,T为绝对温度,τ为导热系数,Cb为定压比热容,η为
粘滞度,δv为粘性集肤深度,δt为热集肤深度,ω为频率,ρ为密度,c为声速,各个参数加上标‘'’表示离散颗粒相参数,不加上标表示流体连续相参数。
3.根据权利要求4所述的一种利用圆柱体散射声压检测悬浮液颗粒含量的方法,其特征在于:S02中,把入射到圆柱体的平面波pi(r,θ,t)分解为各阶柱面波的叠加,得公式(4)其中,r为散射待测点到圆柱体中心距离,p0为入射波声压幅值,t为时间因子,J0(klr)为第一类零阶贝塞尔函数,Jn(klr)为第一类n阶贝塞尔函数,ω为角频率,θ为散射波角度;
散射波为沿r正方向的波,因此可把散射波用各阶柱面波表示为公式(5):
其中, 为第二类汉克尔函数,
a为圆柱体半径, 为第一类n阶贝塞尔函数的
导数, 为第二类汉克尔函数的导数;
根据圆柱体边界条件,
可得远场散射声压为
4.根据权利要求1所述的一种利用圆柱体散射声压检测悬浮液颗粒含量的方法,其特征在于:S03中,通过有限元仿真软件Matlab软件仿真出理论上不同颗粒含量下的散射声压分布。。
5.根据权利要求4所述的一种利用圆柱体散射声压检测悬浮液颗粒含量的方法,其特征在于:仿真过程中设置的颗粒体积含量为0.6,0.8和1.0。
6.根据权利要求1所述的一种利用圆柱体散射声压检测悬浮液颗粒含量的方法,其特征在于:S04中,所述仪器设备包括超声信号发生器和声压测量仪,所述超声信号发生器从圆柱体的一侧激发超声波,所述声压测量仪从被圆柱体的四周进行信号采集,获取实测散射声压分布。

说明书全文

一种利用圆柱体散射声压检测悬浮液颗粒含量的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用圆柱体散射声压检测悬浮液颗粒含量的方法,超声无损检测技术领域。

背景技术

[0002] 随着声学领域的发展,声波散射在实际应用中非常广泛,例如勘探工程、声学、医疗器械和材料检测等。目前,通过研究在水中目标物体对声波的散射来反映目标物体特性的研究比较多,但研究悬浮液中目标物体的散射特性甚少,而且在实际情况中,水中往往会掺杂泥沙颗粒,这就使得问题更加复杂。
[0003] 传统的颗粒测量方法有筛分法、显微镜法、电感应法、沉降法等。但筛分法测定时间长,方法比较粗糙;显微镜法测量速度慢,成本高;电感应法要求被测颗粒都悬浮在电解质溶液中,具有局限性。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是,克服现有技术缺陷,提供一种操作简单,节约时间的利用圆柱体散射声压检测悬浮液颗粒含量的方法。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
[0006] 一种利用圆柱体散射声压检测悬浮液颗粒含量的方法,包括以下步骤:
[0007] S01,建立含颗粒悬浮液中的圆柱体模型,引入Mcclements模型,得出模型下的入射波波数表达式;
[0008] S02,根据圆柱体的散射声压与势函数的关系、圆柱体表面入射波与散射波径向质点速度关系以及波数关系,推导出含泥沙颗粒悬浮液中圆柱体模型下的散射声压表达式;
[0009] S03,通过数据处理软件仿真得出理论上不同颗粒含量对应的理论散射声压分布;
[0010] S04,通过仪器设备对圆柱体周围散射声压进行实际测量,向被测圆柱体激发超声波获得实际散射声压分布情况;
[0011] S05,将实际散射声压分布情况与理论散射声压分布进行对比,根据散射声压分布得到圆柱体周围颗粒含量。
[0012] S01中,ECAH模型的表达式如下所示:
[0013]
[0014] 其中kl为ECAH模型下声波的复波数,为颗粒体积含量,k为流体连续相的复波数,An为第n阶超声散射系数矩阵,b为颗粒粒径,i为虚数单位,基于上述波动方程,结合颗粒表面的边界条件,最终通过求解一个6阶的线性方程求得An;
[0015] Mcclements模型假定系数矩阵中前两项对波的传播起主导作用,前两项系数A0和A1长波入射情况下的表达式分别为公式(2)和公式(3):
[0016] A0=i(kb)3[(ρk'2/ρ'k2)-1]/3-k2bcTρτH(β/ρCb-β'/ρ'Cb')2  (2)[0017] A1=-i(kb)3/3·(ρ-ρ')/{2(ρ-ρ')/[1+3(1+i)δv/2b+3iδv2/2b2]+3ρ}  (3)[0018] 其中,H={1/(1-iz)-τ/τ'.tan(z')/[tan(z')-z']}-1,z=(1+i).b/δt,β为热膨胀系数,T为绝对温度,τ为导热系数,Cb为定压比热容,η为粘滞度,δv为粘性集肤深度,δt为热集肤深度,ω为频率,ρ为密度,c为声速,各个参数加上标‘'’表示离散颗粒相参数,不加上标表示流体连续相参数。
[0019] S02中,把入射到圆柱体的平面波pi(r,θ,t)分解为各阶柱面波的叠加,得公式(4)[0020]
[0021] 其中,r为散射待测点到圆柱体中心距离,p0为入射波声压幅值,t为时间因子,J0(klr)为第一类零阶贝塞尔函数,Jn(klr)为第一类n阶贝塞尔函数,ω为角频率,θ为散射波角度;
[0022] 散射波为沿r正方向的波,因此可把散射波用各阶柱面波表示为公式(5):
[0023]
[0024] 其中, 为第二类汉克尔函数,a为圆柱体半径, 为第一类n阶贝塞尔函数的
导数, 为第二类汉克尔函数的导数;
[0025] 根据圆柱体边界条件,
[0026]
[0027] 可得远场散射声压为
[0028]
[0029] S03中,通过有限元仿真软件Matlab软件仿真出理论上不同颗粒含量下的散射声压分布。。
[0030] 仿真过程中设置的颗粒体积含量为0.6,0.8和1.0。
[0031] S04中,所述仪器设备包括超声信号发生器和声压测量仪,所述超声信号发生器从圆柱体的一侧激发超声波,所述声压测量仪从被圆柱体的四周进行信号采集,获取实测散射声压分布。
[0032] 本发明的有益效果:本发明提供一种利用圆柱体散射声压检测悬浮液颗粒含量的方法,将Mcclements模型与圆柱体模型相结合,根据散射声压与势函数的关系、圆柱体表面入射波与散射波径向质点速度关系、波数关系推导出散射声压,由于悬浮液中不同的颗粒含量对应不同的散射声压分布,通过接收到的圆柱体周围散射声压分布可以得到对应悬浮液中颗粒含量,具备操作简单和节约时间的优点。附图说明
[0033] 图1为本发明的数学模型图;
[0034] 图2为本发明以颗粒体积含量分别为0.6,0.8和1.0理论得到的圆柱体周围散射声压分布情况。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图对本发明作进一步描述,以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0036] 最近几十年来,随着科研人员在颗粒悬浮液和各向同性介质中圆柱体的散射特性方面研究逐渐增多,通过引入相关颗粒模型来研究目标物体的散射特性,从而反应目标物体的特征也应运而生。本发明公开一种利用圆柱体散射声压检测悬浮液颗粒含量的方法,将Mcclements模型与圆柱体模型相结合,图1为本方法的数学模型图,入射波沿z方向入射,为了简便计算,将直角坐标系转化为柱坐标系进行计算,a为圆柱体半径,r为散射待测点到圆柱体中心距离,θ为散射角度。
[0037] 具体包括以下步骤:
[0038] 步骤一,建立含颗粒悬浮液的ECAH模型,引入Mcclements模型,得出模型下的入射波波数表达式。ECAH模型的研究对象是悬浮液中各向同性的、分散的球形颗粒,主要研究了含球形颗粒的悬浮液中的波动情况,当平面波入射到颗粒时,可激发出6种波,该模型下的复波数kl由这6种波波幅相比于入射波波幅之间的关系求得,表达式如下所示:
[0039]
[0040] 其中kl为ECAH模型下声波的复波数,为颗粒体积含量,k为流体连续相的复波数,An为第n阶超声散射系数矩阵,b为颗粒粒径,i为虚数单位,基于上述波动方程,结合颗粒表面的边界条件,最终通过求解一个6阶的线性方程求得An、
[0041] 系数矩阵中前两项对波的传播起主导作用,基于此对ECAH模型进行简化,得到Mcclements模型。前两项系数A0和A1长波入射情况下的表达式分别为公式(2)和公式(3):
[0042] A0=i(kb)3[(ρk'2/ρ'k2)-1]/3-k2bcTρτH(β/ρCb-β'/ρ'Cb')2  (2)[0043] A1=-i(kb)3/3·(ρ-ρ')/{2(ρ-ρ')/[1+3(1+i)δv/2b+3iδv2/2b2]+3ρ}  (3)[0044] 其中,H={1/(1-iz)-τ/τ'.tan(z')/[tan(z')-z']}-1,z=(1+i).b/δt,β为热膨胀系数,T为绝对温度,τ为导热系数,Cb为定压比热容,η为粘滞度,δv为粘性集肤深度,δt为热集肤深度,ω为角频率,ρ为密度,c为声速,各个参数加上标‘'’表示离散颗粒相参数,不加上标表示流体连续相参数。
[0045] 步骤二,根据Mcclements模型的散射声压与势函数的关系、圆柱体表面入射波与散射波径向质点速度关系以及波数关系,推导出含泥沙颗粒悬浮液中圆柱体模型下的散射声压表达式。把入射到圆柱体的平面波pi(r,θ,t)分解为各阶柱面波的叠加,得公式(4)[0046]
[0047] 其中,r为散射待测点到圆柱体中心距离,p0为入射波声压幅值,t为时间因子,J0(klr)为第一类零阶贝塞尔函数,Jn(klr)第一类n阶贝塞尔函数,ω为角频率,θ为散射波角度;
[0048] 散射波为沿r正方向的波,因此可把散射波用各阶柱面波表示为公式(5)
[0049]
[0050] 其中, 为第二类汉克尔函数,a为圆柱体半径,Jn(klr)为第一类n阶贝塞尔函数,
为第一类n阶贝塞尔函数的导数, 为第二类汉克尔函数的导数。
[0051] 根据圆柱体边界条件,
[0052]
[0053] 其中,a为圆柱体半径,可得远场散射声压为
[0054]
[0055] 步骤三,通过数据处理软件仿真得出理论上不同颗粒含量对应的理论散射声压分布。使用的仿真软件为Matlab软件,以颗粒体积含量分别为0.6,0.8和1.0理论得到的圆柱体周围散射声压分布情况如图2所示。
[0056] 步骤四,通过仪器设备对圆柱体周围散射声压进行实际测量,向被测圆柱体激发超声波获得实际散射声压分布情况。所述仪器设备包括超声信号发生器和声压测量仪,所述超声信号发生器从圆柱体的一侧激发超声波,所述声压测量仪从被圆柱体的四周进行信号采集,获取实测散射声压。
[0057] 步骤五,将实际散射声压分布情况与理论散射声压分布进行对比,根据散射声压分布得到圆柱体周围颗粒含量。
[0058] 以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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