一种软材料声学参数的测量方法技术

本发明专利技术公开了一种软材料声学参数的测量方法，属于声学测量领域。本发明专利技术的一种软材料声学参数的测量方法，包括步骤S1：向试块发射超声脉冲，并采集试块‑空气界面脉冲回波；而后将待测样品置于试块表面，再向试块发射超声脉冲，并采集试块‑样品界面脉冲回波；步骤S2：采用采集的试块‑空气界面和试块‑样品界面脉冲回波数据，通过线性拟合方法计算试块‑样品界面上的复反射系数；步骤S3：采用复反射系数的幅度谱和相位谱，计算待测样品中声速和声衰减系数。本发明专利技术的目的在于克服现有技术中，不能准确测量软材料中的声速及衰减系数的不足，提供了一种软材料声学参数的测量方法，可以精确测量软材料中声速及衰减系数。

A measurement method of acoustic parameters of soft materials

【技术实现步骤摘要】
一种软材料声学参数的测量方法
本专利技术涉及声学测量领域，更具体地说，涉及一种软材料声学参数的测量方法。
技术介绍
超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，超声波方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等；在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。近年来，超声波在软材料中的传播被广泛应用于光声成像、生物组织打印以及声学微流控芯片等领域。通常情况下，有机高分子物质作为生物亲和性好的材料，在上述领域中可以用来作为光纤涂层、生物组织打印支架或微流控芯片腔道。另外，一个被广泛认同的事实是剪切波在超声波和生物组织间的相互作用中扮演的重要的角色，因此对于生物组织的声学参数测量，无论是横波还是纵波都具有相当大的意义。软材料的声学参数包括声速及衰减系数，传统的声透射测量技术在软材料的声学参数测量中面临两大困难，其一是软材料的声衰减系数通常较大，声波难以在其中传播较长的距离；其二是软材料的声阻抗通常与商用换能器的声阻抗相差较大，因此声波难以耦合到待测样品中。因为上述两个因素的存在，在测量中难以得到在材料中传播的声波的回波信号，也就限制了声透射方法在软材料物质测量上的应用。与此同时，软材料通常具有粘弹性材料的特征，因此其声学参数随频率的变化规律难以通过简单的固体本构关系得到，也就难以通过机械拉伸实验测得的静态模量来推算软材料中的声学参数。也就是说，目前对于超声波在软材料中的传播特性的测量与定征缺乏有效的实验手段。综上所述，如何测量软材料的声速及衰减系数，是现有技术亟需解决的技术问题。
技术实现思路
1.要解决的问题本专利技术的目的在于克服现有技术中，不能准确测量软材料中的声速及声衰减系数的不足，提供了一种软材料声学参数的测量方法，可以精确测量软材料中声速及声衰减系数。2.技术方案为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：本专利技术的一种软材料声学参数的测量方法，包括以下步骤：步骤S1：向试块发射超声脉冲并采集脉冲回波，脉冲回波包括试块-空气界面脉冲回波和试块-样品界面脉冲回波；具体地，先选取超声换能器和试块；再利用超声换能器向试块发射超声脉冲，并采集试块-空气界面脉冲回波，第n个试块-空气界面脉冲回波为将待测样品贴合于试块表面，再利用超声换能器向试块发射超声脉冲，并采集试块-样品界面脉冲回波，第n个试块-样品界面脉冲回波为进一步地，超声换能器包括横波型超声换能器和纵波型超声换能器，分别采用横波型超声换能器和纵波型超声换能器测量待测样品中横波和纵波的声速和声衰减系数。本专利技术通过将超声换能器与试块接触固定即可进行测量，从而大大降低了操作难度，进而提高了测量效率。步骤S2：采用采集的试块-空气界面和试块-样品界面脉冲回波，通过线性拟合方法计算试块-样品界面上的复反射系数；计算试块-样品界面上的复反射系数的具体过程为：(a)选取脉冲序列第n个脉冲为起始点，对每个脉冲信号进行截取并计算每个脉冲信号的幅度谱和相位谱；(b)在和中选取脉冲组合，遍历脉冲组合确定最优拟合脉冲组合；确定最优拟合脉冲组合的具体过程为：在和中选取脉冲组合k≤n≤l，将对n进行线性拟合，得到的斜率记为aA(k，l，f)，每个组合中各个频率点上的线性拟合的决定系数平均值记为在和中选取脉冲组合k≤n≤l，将对n进行线性拟合，得到的斜率记为aφ(k，l，f)，每个组合中各个频率点上的线性拟合的决定系数记为取信噪比大于6dB的前N组脉冲信号，遍历所有k、l的值，得到1≤k＜l≤N范围内的所有aA(k，l，f)、aφ(k，l，f)、当k＝KA，l＝LA时，取最大值，确定对于复反射系数幅值的最优拟合组合为KA-LA；当k＝Kφ，l＝Lφ时，取最大值，确定对于复反射系数相位的最优拟合组合为Kφ-Lφ；(c)根据最优拟合脉冲组合计算复反射系数的幅值以及相位，根据最优拟合组合Kφ和Lφ计算得到aA(KA，LA，f)和aφ(Kφ，Lφ，f)，得到复反射系数的幅度谱为复反射系数的相位谱为φr(f)＝aφ(Kφ，Lφ，f)。通过下列公式计算得到aA(KA，LA，f)和aφ(Kφ，Lφ，f)：其中fM是线性调频z变换中在有效带宽fL-fH内均匀选取的M个频率点。本专利技术通过超声换能器可以获得多次脉冲信号，并且通过上述线性拟合方法对多次脉冲信号数据进行处理得出复反射系数的幅度谱和相位谱，大大提高了待测样品的声速及声衰减系数的测量精度。步骤S3：采用复反射系数的幅度谱和相位谱，计算待测样品中声速和声衰减系数。通过下列公式计算待测样品中的声速：通过下列公式计算待测样品中的声衰减系数：其中，f为频率，φr为复反射系数的相位谱，RII为复反射系数的幅度谱，*代表复变量的共轭运算，cF为试块中的声速，ρF为试块材料的密度，ρP是待测样品的密度。值得说明的是，通过上述步骤即可计算得出待测样品中声速和声衰减系数，即实现了对软材料中声速及声衰减系数的精确测量。进一步地，步骤S2中若和之间存在信噪比大于6dB的脉冲信号，则根据下列步骤计算待测样品中声速及声衰减系数：(1)选取该该信噪比大于6dB的脉冲信号(2)对脉冲信号和分别进行截取，并对截取的脉冲信号进行补零，再对补零后的脉冲信号进行移位得到和以和的正峰值时刻和为中心，分别选取长为W的矩形窗对和进行截取，并对截取的脉冲信号进行补零，补零后的脉冲信号长度为NS，再将补零后的脉冲信号向左进行W/2个点的圆周移位，得到和(3)先通过线性调频z变换或者快速傅里叶变换计算和的幅度谱和相位谱；再根据脉冲信号以及待测样品的厚度计算待测样品的声速及声衰减系数。具体地，利用下列公式计算待测样品中声速：利用下列公式计算待测样品中声衰减系数：其中，DP为待测样品的厚度，和分别为和的幅度谱，和分别为和的相位谱。通过上述步骤即可在待测样品中声学衰减较小的情况下，实现对待测样品的声速和声衰减系数的测量，进一步实现了对软材料的声速及声衰减系数的精确测量。附图说明图1为本专利技术方法的流程示意图；图2为实施例2的待测样品中横波波速和衰减系数示意图；图3为实施例3的待测样品中纵波波速和衰减系数示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例；而且，各个实施例之间不是相对独立的，根据需要可以相互组合，从而达到更优的效果。因此，以下对在附图中提供的本专利技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本专利技术的范围，而是仅仅表示本专利技术的选定实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种软材料声学参数的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤S1：向试块发射超声脉冲并采集脉冲回波，脉冲回波包括试块-空气界面脉冲回波和试块-样品界面脉冲回波；/n步骤S2：采用采集的试块-空气界面和试块-样品界面脉冲回波，通过线性拟合方法计算试块-样品界面上的复反射系数；/n步骤S3：采用复反射系数的幅度谱和相位谱，计算待测样品中声速和声衰减系数。/n

【技术特征摘要】
1.一种软材料声学参数的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：向试块发射超声脉冲并采集脉冲回波，脉冲回波包括试块-空气界面脉冲回波和试块-样品界面脉冲回波；
步骤S2：采用采集的试块-空气界面和试块-样品界面脉冲回波，通过线性拟合方法计算试块-样品界面上的复反射系数；
步骤S3：采用复反射系数的幅度谱和相位谱，计算待测样品中声速和声衰减系数。


2.根据权利要求1所述的一种软材料声学参数的测量方法，其特征在于：步骤S2中若和之间存在信噪比大于6dB的脉冲信号，则根据下列步骤计算待测样品中声速及声衰减系数：
(1)选取该信噪比大于6dB的脉冲信号
(2)对脉冲信号和分别进行截取，并对截取的脉冲信号进行补零，再对补零后的脉冲信号进行移位得到和
(3)先计算和的幅度谱和相位谱；再根据脉冲信号以及待测样品的厚度计算待测样品的声速及声衰减系数。


3.根据权利要求1所述的一种软材料声学参数的测量方法，其特征在于：采集脉冲回波的具体过程为：
利用超声换能器向试块发射超声脉冲，并采集试块-空气界面脉冲回波，第n个试块-空气界面脉冲回波为
将待测样品贴合于试块表面，再利用超声换能器向试块发射超声脉冲，并采集试块-样品界面脉冲回波，第n个试块-样品界面脉冲回波为


4.根据权利要求1所述的一种软材料声学参数的测量方法，其特征在于：计算试块-样品界面上的复反射系数的具体过程为：
(a)选取脉冲序列第n个脉冲为起始点，对每个脉冲信号进行截取并计算每个脉冲信号的幅度谱和相位谱；
(b)在和中选取脉冲组合，遍历脉冲组合确定最优拟合脉冲组合；
(c)根据最优拟合脉冲组合计算复反射系数的幅值以及相位。


5.根据权利要求1所述的一种软材料声学参数的测量方法，其特征在于：通过下列公式计算待测样品中的声速：












通过下列公式计算待测样品中的声衰减系数：



其中，f为频率，φr为复反射系数的相位谱，RⅡ为复反射系数的幅度谱，*代表复变量的共轭运算，cF为试块中的声速，ρF为试块材料的密度，ρP是待测样品的密度。


6.根据权利要求2所述的一种软材料声学参数的测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭霞生，许光耀，章东，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32