[發明專利]基于非線性參數測量的水中氣泡群尺寸分布參數反演方法

有效

• 申請號: 201910919512.0
• 申請日: 2019-09-26
• 公開（公告）號: CN110530765B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 時潔;劉宇林;時勝國;張昊陽;李洪道;鄧安定;孫聞伯;田鴻興;李松;陳廣智
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供的是一種基于非線性參數測量的水中氣泡群尺寸分布參數反演方法。通過對待測含氣泡水介質發射單頻脈沖信號獲得非線性系數，利用非線性系數和氣泡尺寸分布的關系反演氣泡尺寸分布參數。本發明的方法可以剔除與氣泡自身特性無關的影響(如邊界和其他散射體等)，具有精確度高，計算簡便的特點具有較高的應用價值。

技術領域

本發明涉及的是一種水中氣泡半徑的分布的確定方法，具體地說是一種利用含氣泡水介質非線性系數進行氣泡群尺寸分布參數聲學反演的方法。

背景技術

研究含氣泡水介質在各個領域有著廣泛的應用意義。例如醫學上利用氣泡造影劑提高醫用超聲領域的生理組織成像；工業中用于水下油氣田的檢漏；水聲領域用于提高聲參量陣的轉換效率；船舶航行時進行尾流氣泡的識別等。

氣液混合物中氣泡的大小、分布和濃度等不僅會影響到混合物的物理特性，還會影響其受到聲波激勵時呈現的非線性特性。因此，在利用或規避氣泡的影響時，對液體中氣泡的尺度分布參數的獲取頗有必要。然而，由于氣泡的尺度通常較小且多處于運動狀態，要通過直接的測量手段獲取這些參數較為困難，因此一般需要通過其它方式來反演氣泡參數。一般可以通過聲學和光學的方法進行反演得到氣泡參數。光學方法多通過拍攝成像進行尺度的獲取，精度高但成本較高；聲學的方法具有測量簡單、適用性強、測量范圍廣且成本較低，更適合在復雜環境下應用。

目前，反演氣泡群分布參數的主流聲學反演方法有以下幾種方法：孔隙率法、共振估計法、衰減截面法、聲速衰減聯合估計法、非線性散射截面法等。下表所示是以上幾種方法的主要缺點對比。

表1氣泡群分布參數聲學反演方法優缺點比較

傳統的氣泡參數測量方法主要是利用氣泡的聲衰減、聲速頻散作為聲散射特征，發射聲波經過氣泡層會使氣泡振蕩并向外輻射聲能量，利用接收到的含有該特征的聲學數據與氣泡分布之間的關系進行反演，從而可得到氣泡的分布特征。以往基于線性理論的氣泡參數聲學測量方法的一個重要局限性在于，當海洋中存在氣泡之外的其它散射體或是接近海面海底等邊界時，人們很難將氣泡散射信號與其它物體的反射/散射信號進行區分，也無有效手段將其它因素的影響進行濾除。由于除氣泡之外的其它散射體或邊界的影響均對應于線性散射截面，而利用氣泡具有的非線性效應，使得最大程度上克服以上難題成為可能。非線性散射截面法的研究多數未考慮非共振氣泡的影響，或在將積分離散化后得不到良好條件數的傳遞矩陣，反演較為困難，目前尚未應用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可以剔除與氣泡自身特性無關的影響，精確度高的基于非線性參數測量的水中氣泡群尺寸分布參數反演方法。

本發明的目的是這樣實現的：

(a)在厚度為R的非均勻混合介質樣品兩側分別布放發射換能器和接收水聽器，發射換能器在x＝0處向待測含氣泡水介質中發射單頻脈沖，接收水聽器沿軸向方向在x＝R處接收該脈沖聲壓信號；

(b)根據在含氣泡水介質中脈沖聲波的二次諧波生成規律，分別測量發射頻率ω下的基波和二次諧波聲壓；

(c)根據測量得到的基波聲壓p₁(ω)和二次諧波聲壓p₂(ω)計算非線性系數；

(d)根據氣泡平衡半徑分布函數N(R₀)對應的氣泡半徑范圍，確定聲發射頻率范圍[ω_L,ω_H]和頻率數M，在該頻率范圍內等間隔地調整發射脈沖頻率；

(e)根據已測量獲得的M組基波和二次諧波聲壓幅值，建立M×1維非線性系數測量矢量β；

(f)建立氣泡分布參數與非線性系數的關聯方程；

(g)對傳遞矩陣進行求逆運算，得到所求的氣泡尺寸分布函數N(a)。