一種改進(jìn)超聲衰減譜原理測量固體顆粒粒徑和濃度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種超聲檢測技術(shù)，特別涉及一種基于超聲衰減譜原理測量顆粒粒徑 和濃度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 顆粒是指在一定尺寸范圍內(nèi)具有特定形狀、處于分割狀態(tài)的幾何體，可以是固體、 液體，也可以是氣體。兩相體系中固體顆粒粒徑和濃度對現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)如能源、環(huán)境、材料、 生物、化工等領(lǐng)域有極其重要的意義。生產(chǎn)過程中具有合適粒徑和濃度的顆粒不僅可以提 高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，還可以節(jié)約能源，減少污染排放。
[0003] 超聲檢測技術(shù)是利用超聲波來進(jìn)行各種檢測和測量的技術(shù)。超聲波在由連續(xù)相和 離散顆粒相組成的顆粒兩相體系中的傳播規(guī)律與顆粒物的粒徑和濃度有關(guān)，所以可用作顆 粒粒徑和濃度的測量。相比于其它原理的顆粒測量方法如電感應(yīng)法、圖像法、光散射法等測 量方法，超聲波具有強(qiáng)的穿透力，可在光學(xué)不透明的物質(zhì)中傳播并具有測量速度快，容易實(shí) 現(xiàn)測量和數(shù)據(jù)的自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，超聲波換能器價(jià)格低且耐污損，測量系統(tǒng)簡單方便。目前常 規(guī)的超聲波測量顆粒濃度方法是利用聲衰減譜原理進(jìn)行測量，在測量過程中需要通過假設(shè) 理論模型計(jì)算理論超聲衰減譜，并將其和實(shí)驗(yàn)超聲衰減譜進(jìn)行吻合度比較并據(jù)此確定顆粒 粒徑和濃度。粒徑可以用顆粒半徑的方式表示，濃度用體積濃度表示。但現(xiàn)有模型僅僅考慮 了介質(zhì)對于超聲波的吸收和散射作用造成的超聲衰減，忽略了超聲接收換能器尺寸大小對 于超聲接收的影響，并造成了理論和實(shí)驗(yàn)超聲衰減譜的誤差，本發(fā)明通過蒙特卡羅方法進(jìn) 行理論模型計(jì)算結(jié)果的修正，從而發(fā)明一種改進(jìn)的超聲衰減譜測量顆粒粒徑和濃度方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是針對現(xiàn)有超聲波測量顆粒濃度方法存在的問題，對于具體已知超聲波換 能器幾何尺寸的情況，提出了一種通過蒙特卡羅方法進(jìn)行理論模型改進(jìn)，計(jì)算超聲衰減譜， 進(jìn)而對原有理論預(yù)測結(jié)果進(jìn)行修正，從而改進(jìn)超聲衰減譜測量顆粒粒徑和濃度的方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于超聲衰減原理測量顆粒粒徑和濃度的方法，具體 包括如下步驟：
[0006] 1)、如圖1所示，超聲波發(fā)射換能器，在激勵(lì)電路作用下激發(fā)出一束脈沖超聲波， 在距離其L布置超聲波接收換能器，超聲波發(fā)射換能器到接收換能器區(qū)域即測量區(qū)。在測 量區(qū)中不含顆粒情況下，忽略連續(xù)介質(zhì)聲吸收，超聲波通過純介質(zhì)后由超聲波接收換能器 記錄，信號(hào)強(qiáng)度為I%，在測量區(qū)中有顆粒系，顆粒平均半徑為R，顆粒的體積濃度為C v，當(dāng) 有超聲波信號(hào)通過顆粒兩相體系時(shí)，超聲波接收換能器記錄超聲波強(qiáng)度信號(hào)Ile，對于超聲 脈沖波，通過快速傅里葉變換獲得多個(gè)頻率下信號(hào)強(qiáng)度譜，對應(yīng)不同頻率分別用式α = In 計(jì)算即獲得超聲波衰減譜a (f)，單位奈培/米，f為超聲波頻率；
[0007] 2)、通過下述公式計(jì)算消聲系數(shù)Kext，得到：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種改進(jìn)的基于超聲衰減譜原理測量固體顆粒粒徑和濃度的方法，包括如下步驟： 1) 在測量區(qū)中有平均半徑為R，體積濃度為(；的固體顆粒系的情況下，計(jì)算獲得超聲 波衰減譜a (f)，其單位奈培/米，其中f為超聲波頻率； 2) 計(jì)算消聲系數(shù)Krart; 3) 判斷聲子是否被吸收或者是散射； 4) 計(jì)算聲子散射出射角； 5) 對目標(biāo)函數(shù)求解，獲得顆粒平均半徑R和體積濃度Cv。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的基于超聲衰減譜原理測量固體顆粒粒徑和濃度的 方法，其中步驟1)具體為： 在激勵(lì)電路作用下超聲波發(fā)射換能器Tl發(fā)出一束脈沖超聲波，在距離其L布置超聲波 接收換能器Rl，超聲波發(fā)射換能器到接收換能器區(qū)域即測量區(qū)； 在測量區(qū)中不含顆粒情況下，忽略連續(xù)介質(zhì)聲吸收，超聲波通過純介質(zhì)后由超聲波接 收換能器記錄，信號(hào)強(qiáng)度為I%，如測量區(qū)中有平均半徑為R，體積濃度為Cv的固體顆粒系， 超聲波信號(hào)通過顆粒兩相體系時(shí)，超聲波接收換能器記錄超聲波強(qiáng)度信號(hào)I le; 對于超聲脈沖波，通過快速傅里葉變換獲得多個(gè)頻率下信號(hào)強(qiáng)度譜，對應(yīng)不同頻率分 另_式〇=111(1(^/116)/21^計(jì)算即獲得超聲波衰減譜（ 1江)，單位奈培/米4為超聲波頻 率。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種改進(jìn)的基于超聲衰減譜原理測量固體顆粒粒徑和濃度的 方法，其中步驟2)具體為： 通過下述公式計(jì)算消聲系數(shù)Krait:
其中，k為聲波波數(shù)，〇 = π R2為顆粒投影面積，Re()為取實(shí)部運(yùn)算，An稱為第η階散 射系數(shù)，通過Alex Ε. Hay和Douglas G. Mercer方法計(jì)算。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種改進(jìn)的基于超聲衰減譜原理測量固體顆粒粒徑和濃度的 方法，其中步驟3)具體為： 采用蒙特卡羅方法描述聲波動(dòng)，將聲波能量以聲子的形式離散，建立概率模型通過每 個(gè)聲子的行為描述聲波被每個(gè)顆粒散射、吸收，或者在顆粒間傳播過程，根據(jù)建立的概率模 型，當(dāng)一個(gè)聲子與顆粒發(fā)生碰撞時(shí)，通過線性同余法產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)判斷它是否被吸收或者 是散射，通過消聲系數(shù)K rait和[0，1]區(qū)間服從均勻分布隨機(jī)數(shù)ξ ^勺大小比較進(jìn)行判斷，
如果聲子被吸收，則不能被接收換能器接收，如果聲子被散射，則需要判斷聲子的散射 的出射方向。
5. 如權(quán)利要求4所述的一種改進(jìn)的基于超聲衰減譜原理測量固體顆粒粒徑和濃度的 方法，其中步驟4)具體為： 根據(jù)步驟3)聲子遇到顆粒后的散射方向按照散射聲壓分布概率模型計(jì)算：
式中：Θ是散射角；f( θ ))是歸一化散射聲壓，ρ( θ )是顆粒表面散射聲壓分布函數(shù)， 由Faran理論計(jì)算：
式中：義和^分別是第一類球Besse 1函數(shù)和第二類球Besse 1函數(shù)，k為入射聲波波 數(shù)，r為接收點(diǎn)距離，取顆粒半徑的100倍；Pn(cos Θ )是勒讓德多項(xiàng)式，散射系數(shù)^由Faran 理論公式計(jì)算； 為確定散射方向，將可能的散射角Θ從〇到360°劃分為360份，即將散射角度劃分 為360個(gè)區(qū)間，通過另一個(gè)[0，1]區(qū)間均勻分布隨機(jī)數(shù)|2與歸一化聲壓分布函數(shù)f(0)比 較，如果
則聲子散射出射角就為Θ M1，Ml取值范圍為1~360。
6.如權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的基于超聲衰減譜原理測量固體顆粒粒徑和濃度的 方法，其中步驟5)具體為： 根據(jù)步驟4)，進(jìn)一步追蹤聲子的運(yùn)動(dòng)軌跡，其在兩個(gè)顆粒間的傳播距離L1通過線性同 余法產(chǎn)生的[0, 1]區(qū)間均勻分布隨機(jī)數(shù)ξ 3和消聲系數(shù)確定，即L 1= -1η( ξ 3)/Kext ;聲子 在顆粒介質(zhì)中的傳輸過程通SL1、碰撞類型以及散射角Θ獲?。蝗绻鲎差愋褪俏?，則 傳播過程終止；反之過程繼續(xù)，第η+1次碰撞的位置坐標(biāo)為： Xn+1= Xn+L1 · COS θ η yn+i= Υ n+Li * sin Θ n 其中別是第n次聲波在顆粒兩相體系中散射的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)位置；Θ "是 第η次散射角；LjP當(dāng)前兩顆粒間的傳播距離； 統(tǒng)計(jì)最終到達(dá)接收換能器的聲子數(shù)目，記為Nd，當(dāng)接收換能器直徑D不同，則Nd也不一 樣即衰減變化不一樣，這樣可以計(jì)算得到修正后的聲衰減a m: a m= -In (Nd/Nt) /L 式中：Nd是探測器接收的聲子數(shù)目；Nt是聲子樣本容量，取10萬至100萬個(gè)；L即為前 面定義的超聲發(fā)射換能器與接收換能器之間距離； 同樣，針對不同的超聲波頻率進(jìn)行計(jì)算，也可以得到修正后的超聲衰減譜am(f); 在實(shí)際測試條件下，已知接收超聲波換能器直徑，則在對顆粒粒徑和濃度求解過程中 采用修正超聲衰減譜和實(shí)驗(yàn)超聲衰減譜構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)： J = min Cv)]2 M 其中，fi為已知頻率，R和C ν為待定參數(shù)； 通過對目標(biāo)函數(shù)J進(jìn)行優(yōu)化求解，獲得顆粒粒徑R和體積濃度Cv。
【專利摘要】一種改進(jìn)的基于超聲衰減譜原理測量氣體或液體介質(zhì)中固體顆粒粒徑和濃度的方法，包括如下步驟：1)在測量區(qū)中有平均半徑為R，體積濃度為Cv的固體顆粒系的情況下，計(jì)算獲得超聲波衰減譜α(f),單位奈培/米，f為超聲波頻率；2)計(jì)算消聲系數(shù)Kext；3)判斷聲子是否被吸收或者是散射；4)計(jì)算聲子散射出射角5)對目標(biāo)函數(shù)求解，獲得顆粒平均半徑R和體積濃度Cv。
【IPC分類】G01N15-06, G01N15-02
【公開號(hào)】CN104833619
【申請?zhí)枴緾N201510214798
【發(fā)明人】蘇明旭, 蔡小舒, 郭盼盼
【申請人】上海理工大學(xué)
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年4月29日