声学参数测量装置、方法及系统与流程

本发明涉及检测设备领域，更具体地，涉及一种声学参数测量装置、方法及系统。

背景技术：

标准yy0299-2016《医用超声耦合剂》和gb/t15261-2008《超声仿组织材料声学特性的测量方法》公开了声阻抗、声速、声衰减等声学参数的测量方法。此方法更适用于固体物质的测试，当测量水基凝胶或液体时，需要将水基凝胶或者液体装入管状的容器中，两边封装薄膜，分别制作长和短两个样品，忽略薄膜对结果的影响，沿用固体物质的声速和声衰减系数的计算公式。此方法所需要的样品数量较多，制作麻烦，而且因薄膜无法固定形状导致测量的准确性较差。

技术实现要素：

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种声学参数测量装置、方法及系统。

本发明采取的技术方案是：一种声学参数测量装置，包括超声波发射机构和超声波接收机构；超声波发射机构与超声波接收机构之间存在固定距离d的间隔空间；还包括：样品容器，设有与平面波声束路径垂直的壁面，并包括至少两个内腔厚度不一样的容器部分；所述样品容器与平面波声束路径存在相对运动，用于改变样品容器在平面波声束路径方向上的厚度；其中，相对运动前后，被平面波声束路径穿过的样品容器壁面与平面波声束路径垂直，样品容器在平面波声束路径方向上的壁面厚度总和保持不变。

本发明的声学参数测量装置主要用于测量水基凝胶(如耦合剂)或液体中的声速和声衰减系数，将所述声学参数测量装置放入纯水环境中，样品容器中放置待测样品，使待测样品取代所述间隔空间的部分长度的水，通过样品容器和间隔空间之间的相对运动改变待测样品取代水的长度，借助于脉冲垂直穿过不同厚度的待测样品的接收信号所用时间和幅度变化可计算出待测样品中的声速和声衰减系数。其中，样品容器与间隔空间之间的相对运动包括了样品容器的绝对运动和间隔空间的绝对运动：样品容器运动，或超声波发射机构和超声波接收机构保持固定距离进行同步运动。两种形式均为了使脉冲在相对运动的前后两次分别穿过不同的容器部分，改变样品容器在平面波声束路径方向上的厚度。其中，样品容器在平面波声束路径方向上的厚度包括内腔厚度和壁面总厚度，相对运动改变的是内腔厚度，壁面总厚度在相对运动前后保持不变。样品容器处于间隔空间的位置改变，脉冲垂直穿过样品容器的厚度随之改变，通过厚度变化得到的数据变化而计算得到的待测样品中的声速和声衰减系数更为准确，可消除部分误差。

进一步，还包括定位机构和运动装置；所述运动装置可活动地设于定位机构上；所述样品容器固定于运动装置上，运动装置带动样品容器，使样品容器在固定间隔内运动。

超声波发射机构和超声波接收机构的固定距离等于平面波声束路径的总长，为测量过程的定量，需保持不变，选择通过样品容器的绝对运动改变脉冲垂直穿过样品容器的厚度有利于稳定保持超声波发射机构和超声波接收机构的固定距离d不变，且实现方式更为简单快捷。

进一步，所述运动装置为转动支架，绕其自身中心轴转动；所述样品容器的内腔为长方体，底部与转动支架连接，底部中心处于转动支架的中心轴上，运动装置带动样品容器90°转动，使样品容器被平面波声束路径穿过的厚度在其长度和宽度之间切换。

样品容器的形状需配合其绝对运动的形式，达到改变脉冲穿过样品容器的厚度同时维持脉冲垂直穿过样品容器(即平面波声束路径垂直穿过样品容器)的效果，将样品容器设置为长方体、运动装置带动使其绕自身的几何中心轴转动为优选的技术方案。测量时，样品容器在间隔空间的初始位置与平面波声束路径垂直，限制样品容器的转动角度为90°，使样品容器转动后仍精准保持其壁面与平面波声束路径垂直，并且样品容器由长和高组成的侧面、由宽和高组成的侧面交替面向平面波声束路径，使得脉冲穿过样品容器的内腔厚度在其长度和宽度之间切换，两次待测样品取代所述间隔空间水的长度可直接代入样品容器的长和宽。另一方面，转动的方式使样品容器的活动空间不需过大；长方体形状的样品容器易于加工，测量过程中所需的待测样品体积相对较少。

进一步，所述两个容器部分的内腔厚度的差值在5cm-20cm之间。

为了得到较为明显的数据变化且保证样品容器的尺寸不至过大，样品容器的两个容器部分的内腔厚度的差值宜控制在5cm-20cm之间。

进一步，所述样品容器内的壁面相交处均为圆角。

圆角的壁面相交处对测量声场的影响较小，提高测量准确度。

进一步，所述超声波发射机构和超声波接收机构固定于定位机构上。

将超声波发射机构和超声波接收机构固定于定位机构上进一步稳定样品容器、超声波发射机构和超声波接收机构之间的相对位置，保持平面波声束路径的总长d为定量。

本发明采取的技术方案还包括基于上述声学参数测量装置的一种声学参数测量方法，包括步骤：向样品容器内腔加入待测样品，至充满样品容器内腔的水平截面，且没过平面波声束路径所在的高度；将所述声学参数测量装置放入纯水环境中；第一次启动超声波发射机构；记录超声波接收机构接收到脉冲所用的时间t1，和/或接收到的信号幅度a1；通过运动装置改变样品容器在平面波声束路径方向上的厚度；第二次启动超声波发射机构；记录第二次超声波接收机构接收到超声波所用的时间t2，和/或接收到的信号幅度a2；根据公式(1)得出待测样品中的超声波速度v，和/或根据公式(2)得出待测样品中的声衰减系数α：

其中，d1为第一次启动超声波发射机构后样品容器被平面波声束路径穿过的厚度，d2为第二次启动超声波发射机构后样品容器被平面波声束路径穿过的厚度，cw为纯水中的声速，αw为纯水中的声衰减系数。

公式(1)和(2)为上述声学测量装置的测量原理具体体现，两次测量的平面波声束路径总长d相等作为等式成立的条件，推算出的公式分别包括接收到脉冲所用的时间和信号和信号幅度两个待测量。相减或相除的待测量代入形式消除了包括仪器误差和容器壁厚度的系统误差的影响；同一个待测样品测得的待测量保持了样品性质的一致性，消除了温度和水中含气量等偶然误差的影响。

进一步，所述通过运动装置改变样品容器在平面波声束路径方向上的厚度的运动形式包括：水平面上的平移，和/或垂直水平面上的平移，和/或转动。

本发明采取的技术方案还包括一种声学参数测量系统，包括：上述的声学参数测量装置；控制采集模块，用于控制所述声学参数测量装置对待测样品进行测量，并采集实验数据；数据处理模块，用于处理计算实验数据。

进一步，所述控制采集模块包括信号发射器和数据采集器；所述信号发射器与超声波发射机构和运动装置连接，用于控制超声波发射机构发射超声波，和控制运动装置带动样品容器；所述数据采集器与超声波接收机构连接，用于采集超声波接收机构的数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)使用样品容器对水基凝胶或液体进行封装相较现有薄膜封装方法更加简单快捷，并且封装后固定的待测样品形状更加稳定，具有更平整的表面，可保证超声波脉冲垂直入射至待测样品，减少界面处反射和折射所导致的幅度损失，减少人工封装出现的操作误差；

(2)以相对运动的方式改变脉冲穿过待测样品的厚度，减少待测样品的所需数量，保持样品性质的一致性，消除包括温度、含气量等偶然误差；

(3)基于装置的测量公式改良解决了现有测量方法的非随机性误差，包括超声波仪器的误差以及薄膜厚度误差。

附图说明

图1为本发明的实施例1正视结构示意图。

图2为本发明的实施例1第一次测量示意图。

图3为本发明的实施例1第二次测量示意图。

图4为本发明的实施例2正视结构示意图。

图5为本发明的实施例2第一次测量示意图。

图6为本发明的实施例2第二次测量示意图。

图7为本发明的实施例3正视结构示意图。

图8为本发明的实施例3第一次测量示意图。

图9为本发明的实施例3第一次测量示意图。

图10为本发明的声学参数测量装置结构示意图。

标号说明：超声波发射机构1；超声波接收机构2；样品容器3；定位机构4；运动装置5；信号发射器6；数据采集器7。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1-2所示，本实施例提供一种声学参数测量装置，包括超声波发射机构1和超声波接收机构2；超声波发射机构1与超声波接收机构2之间存在固定距离的间隔空间；还包括：样品容器3，设有与平面波声束路径垂直的壁面，并包括至少两个内腔厚度不一样的容器部分；样品容器3与平面波声束路径存在相对运动，用于改变样品容器3在平面波声束路径方向上的厚度；其中，相对运动前后，被平面波声束路径穿过的样品容器壁面与平面波声束路径垂直，样品容器3在平面波声束路径方向上的壁面厚度总和保持不变。

本实施例的样品容器3与间隔空间之间的相对运动通过样品容器3的绝对运动实现。声学参数测量装置还包括定位机构4和运动装置5；运动装置5可活动地设于定位机构4上；样品容器3固定于运动装置5上，运动装置5带动样品容器3，使样品容器3在固定间隔内运动。

更具体地，本实施例样品容器3的绝对运动形式为转动。运动装置5为转动支架，绕其自身中心轴转动；样品容器3的内腔为长方体，底部与转动支架连接，底部中心处于转动支架的中心轴上，运动装置5带动样品容器90°转动，使样品容器被平面波声束路径穿过的厚度在其长度和宽度之间切换。

本实施例提供的声学参数测量装置主要用于测量水基凝胶(如耦合剂)或液体中的声速和声衰减系数，将声学参数测量装置放入纯水环境中，样品容器中放置待测样品，使待测样品取代间隔空间的部分长度的水，通过样品容器和间隔空间之间的相对运动改变待测样品取代水的长度，借助于脉冲垂直穿过不同厚度的待测样品的接收信号所用时间和幅度变化可计算出待测样品中的声速和声衰减系数。使用样品容器对水基凝胶或液体进行封装相较现有薄膜封装方法更加简单快捷，并且封装后固定的待测样品形状更加稳定，具有更平整的表面，可保证超声波脉冲垂直入射至待测样品，减少界面处反射和折射所导致的幅度损失，减少人工封装出现的操作误差。以相对运动的方式改变脉冲穿过待测样品的厚度，减少待测样品的所需数量，保持样品性质的一致性，消除包括温度、含气量等偶然误差。

定位机构4对声学参数测量装置中超声波发射机构1、超声波接收机构2和样品容器3三个主要组成部件进行严格的位置固定，保持超声波发射机构1与超声波接收机构2之间的固定距离，使超声波发射机构1、超声波接收机构2以及静止时的样品容器3处于同一声轴上。超声波发射机构1发出的脉冲沿着平面波声束路径穿过样品容器3，到达超声波接收机构2。在其他实施方式中，亦可通过吊架等其他定位装置实现声学参数测量装置三个主要部件的相对位置固定，或三个主要部件固定于不同的定位装置上，即实现定位的方式不作限制，达到上述技术效果即可。

本实施例的运动装置5为转动支架，样品容器3通过转动支架固定在定位机构4上，使样品容器3的绝对运动设定为转动。需要说明的是，样品容器3与间隔空间之间的相对运动包括了样品容器3的绝对运动和间隔空间的绝对运动：样品容器3运动，或超声波发射机构1和超声波接收保持固定距离进行同步运动。两种形式均为了改变样品容器3处于间隔空间的位置。因此在其他实施方式中，还包括样品容器静止、间隔空间运动的技术方案，详细见实施例2。并且，在样品容器运动、间隔空间静止的这类实施方式中，样品容器的运动方式亦不唯一，详细见实施例3。本发明设置样品容器与间隔空间之间的相对运动的目的在于：使平面波声束路径保持垂直地穿过样品容器的不同厚度，使待测样品取代间隔空间中不同长度的水，通过厚度变化得到的数据变化准确计算待测样品中的声速和声衰减系数，消除现有技术存在的部分误差。部分误差包括：(1)样品不一致引入的误差。现有技术使用双样品法测量声衰减系数，两个样品虽为同一物质，但在封装时仍存在薄膜厚度、温度、含气量的差别，降低了两个样品的相似性；(2)超声波仪器的误差。现有技术使用单样品法测量声速，仅通过一个样品测量得到的接收超声波所用时间以及样品厚度进行计算声速，其中超声波发射机构与超声波接收机构的延迟均会影响实际接收超声波所用时间，造成测量数据偏离。而本发明的声学参数测量装置通过改变单个待测样品在超声波发射机构与超声波接收机构之间的间隔空间的位置得到两组数据，保持待测样品的一致性，通过超声能量的传播过程分析，推导出结果的计算公式包括两组接收超声波所用时间的差值，消除了超声波仪器延迟引入的误差。(3)样品容器厚度引入的误差。现有技术中的样品容器为薄膜，在声速的测量中包含了脉冲穿过薄膜的厚度，并非所有的替代间隔空间水的长度均为待测样品，故现有技术测声速会存在薄膜的误差，薄膜较小，通常不对薄膜引入的误差进行修正。而本发明的声学参数测量装置，推导出结果的计算公式亦包含了两组数据的脉冲穿过厚度的差值，即使样品容器的壁面厚度比薄膜大，结果与壁面厚度无关，消除了其影响，依然可以适用于声速的测量，并且测量结果更为准确。

故而，样品容器的形状需要配合运动方式，达到保持平面波声束路径垂直穿过样品容器的技术效果，以保证测量准确性。本实施例的样品容器3为长方体，样品容器3静止时平面波声束路径垂直穿过样品容器3由长和高组成的侧面或由宽和高组成的侧面，样品容器3每次运动都绕轴90°转动，保持稳定可控的垂直条件，满足测量要求的同时使脉冲穿过样品容器3的厚度在其长度和宽度之间切换，只要提前得知或测量样品容器3的尺寸，便可在实际使用中快速得到待测样品取代间隔空间水的长度，即脉冲穿过样品容器3的厚度。另一方面，转动的方式使样品容器的活动空间不需过大；长方体形状的样品容器易于加工，测量过程中所需的待测样品体积相对较少。本实施例的样品容器的四个壁面厚度均匀相等，在其他实施方式中，样品容器不必设置均匀壁厚，保证样品容器在平面波声束路径方向上的壁面厚度总和保持不变即可。

本实施例的两个内腔厚度分别等于内腔的长度和厚度。优选地，为了得到较为明显的数据变化，本实施例样品容器的长度和宽度的差值等于5cm。

优选地，为了提高测量准确度，减小壁面相交处对测量声场的影响，本实施例样品容器的壁面相交处为圆角。

优选地，为了进一步稳定样品容器3、超声波发射机构1和超声波接收机构2之间的相对位置，保持平面波声束路径的总长d为定量，本实施例的超声波发射机构1和超声波接收机构2固定于定位机构4上。

实施例2

如图3-4所示，本实施例与实施例1的区别在于由超声波发射机构1和超声波接收机构2保持固定距离进行同步运动，而样品容器3保持静止。

运动装置5为转盘，并被设置为每次转动绕其中心轴偏转90°，转盘的表面圆周上设有两个支架，两个支架的连线穿过转盘的中心轴，分别连接超声波发射机构1和超声波接收机构2。样品容器3通过定位机构4设于转盘的圆心的正上方，转盘的中心轴穿过样品容器3的底部侧面的几何中心，使超声波发射机构1和超声波接收机构2之间的平面波声束路径始终穿过样品容器3。运动装置5同时起到保持定位的作用，使平面波声束路径的总长保持不变，超声波发射机构1和超声波接收机构2以样品容器3为中心进行转动，每次转动停留在正对样品容器3由长和高组成的侧面或由宽和高组成的侧面的位置，转动后仍精准保持样品容器3壁面与平面波声束路径垂直，与实施例1同样地达到使得脉冲穿过样品容器3的厚度在其长度和宽度之间切换的技术效果。因此，选择不同的绝对运动主体以改变脉冲穿过样品容器的厚度(或待测样品取代间隔空间中水的长度)均属于本发明权利要求的保护范围之内。

实施例3

如图5-6所示，本实施例与实施例1的区别在于样品容器3的形状及运动方式。本实施例的样品容器3的水平截面呈“凸”字型，通过平移的方式改变脉冲穿过样品容器3的厚度。

超声波发射机构1和超声波接收机构2设于定位机构4上，定位机构4的中心位置的表面设有两条平行的导轨，引导运动装置5前后移动。运动装置5为两条移动支架，两条移动支架的一端分别与两条导轨连接，另一端和样品容器3的底部固定，样品容器3通过运动装置5的带动做前后往返的运动，平面波声束路径与导轨垂直，亦与样品容器3的壁面垂直。运动装置5平移的停留点固定在两个地方，使超声波发射机构1和超声波接收机构2之间的连线来回切换地穿过“凸”字型样品容器3的两个厚度。本实施例通过其他的样品容器3运动方式及相应的样品容器3形状设置实现了通过厚度变化得到的数据变化准确计算待测样品中的声速和声衰减系数，因此，在保证平面波声束路径垂直样品容器的前提下，对样品容器的运动方式和形状作出修改亦属于本发明权利要求的保护范围之内。

实施例4

本实施例提供一种基于实施例1-3任一项的声学参数测量装置的声学参数测量方法。包括步骤：

s1：向样品容器内腔加入待测样品，至充满样品容器内腔的水平截面，且没过平面波声束路径所在的高度；

s2：将所述声学参数测量装置放入纯水环境中；

s3：第一次启动超声波发射机构；

s4：记录超声波接收机构接收到脉冲所用的时间t1，和/或接收到的信号幅度a1；

s5：通过运动装置改变样品容器在平面波声束路径方向上的厚度；

s6：第二次启动超声波发射机构；

s7：记录第二次超声波接收机构接收到超声波所用的时间t2，和/或接收到的信号幅度a2；根据公式(1)得出待测样品中的超声波速度v，和/或根据公式(2)得出待测样品中的声衰减系数α：

其中，d1为第一次启动超声波发射机构后样品容器被平面波声束路径穿过的厚度，d2为第二次启动超声波发射机构后样品容器被平面波声束路径穿过的厚度，cw为纯水中的声速，αw为纯水中的声衰减系数。

公式(1)和(2)为上述声学测量装置的测量原理具体体现，两次测量的平面波声束路径总长相等作为等式成立的条件，推算出的公式分别包括接收到脉冲所用的时间和信号和信号幅度两个待测量。相减或相除的待测量代入形式消除了包括仪器误差和容器壁厚度的系统误差的影响；同一个待测样品测得的待测量保持了样品性质的一致性，消除了温度和水中含气量等偶然误差的影响。

实施例5

如图10所示，本实施例提供一种声学参数测量系统，包括：实施例1-3任一所提供的声学参数测量装置；控制采集模块，用于控制声学参数测量装置对待测样品进行测量，并采集实验数据；数据处理模块，用于处理计算实验数据。

具体地，本实施例的制采集模块包括信号发射器6和数据采集器7；信号发射器6与超声波发射机构1和运动装置5连接，用于控制超声波发射机构1发射超声波，和控制运动装置5带动样品容器3；数据采集器7与超声波接收机构2连接，用于采集超声波接收机构2的数据。信号发射器6产生激励信号使超声波发射机构1发射超声波脉冲，数据采集器7记录超声波接收机构2接收到的超声波幅度信息以及传播时间，通过预设的公式计算声学参数。其中，公式包括实施例4提供的公式(1)和(2)。

本实施例还提供一种使用该声学参数测量系统的具体方法，包括步骤：

a1：将样品容器和待测样品放入35℃的水槽中加热；

a2：将样品容器取出擦干，测量并记录样品容器内壁的长度和宽度；

a3：装入35℃纯水，称量并记录纯水和样品容器的总重量；

a4：将样品容器擦干，称量并记录样品容器的重量；

a5：装入35℃待测样品，称量并记录样品容器和待测样品的总重量；

a6：封装好样品容器，放入水槽中继续保持35℃一个小时；

a7：将样品容器固定于定位机构(实施例2中为运动装置)；

a8：将信号发生器设置为2.5mhz，burst，1-20cycle，10vpp，输出至超声波发射机构，同步信号连接至数据采集器通道2；

a9：超声波接收机构的bnc接口连接至数据采集器通道1，trigger设置为通道2，数据采集器横向分辨力设置为500-1000ns；

a10：控制运动装置使平面波声束路径垂直穿过样品容器由宽和高组成的侧面；数据采集器自动获取并记录触发信号与声信号之间的时间间隔；

a11：向数据采集器输入上一步获得的时间，数据采集器自动定位至声信号；

a12：系统自动获取并记录声信号幅度值；

a13：控制运动装置使平面波声束路径垂直穿过样品容器由长和高组成的侧面；

a14：将数据采集器横向分辨力设置为500-1000ns，数据采集器自动获取并记录触发信号与声信号之间的时间间隔；

a15：向数据采集器输入上一步获得的时间，数据采集器自动定位至声信号；

a16：系统自动获取并记录声信号幅度值；

a17：将信号发生器设置为5.0mhz，burst，1-20cycle，10vpp；

a18：将数据采集器横向分辨力设置为500-1000ns，数据采集器自动获取并记录触发信号与声信号之间的时间间隔；

a19：数据采集器输入上一步获得的时间，数据采集器自动定位至声信号；

a20：系统自动获取并记录声信号幅度值；

a21：控制运动装置使平面波声束路径垂直穿过样品容器由长和高组成的侧面；

a22：将数据采集器横向分辨力设置为500-1000ns，数据采集器自动获取并记录触发信号与声信号之间的时间间隔；

a23：向数据采集器输入上一步获得的时间，数据采集器自动定位至声信号；

a24：系统自动获取并记录声信号幅度值；

a25：检查前几步获得的数值是否合理；

a26：根据公式代入上述数据计算声学参数。

声学参数测量系统可通过安装主控软件自动实现以上步骤a8-a26。a26中计算声速的公式为公式(1)，计算声衰减的公式为公式(2)，其他如声阻抗等声学参数，可使用本领域常规的计算公式，在此不予赘述。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。