[发明专利]基于非线性参数测量的水中气泡群尺寸分布参数反演方法

说明书

本发明提供的是一种基于非线性参数测量的水中气泡群尺寸分布参数反演方法。通过对待测含气泡水介质发射单频脉冲信号获得非线性系数，利用非线性系数和气泡尺寸分布的关系反演气泡尺寸分布参数。本发明的方法可以剔除与气泡自身特性无关的影响(如边界和其他散射体等)，具有精确度高，计算简便的特点具有较高的应用价值。

技术领域

本发明涉及的是一种水中气泡半径的分布的确定方法，具体地说是一种利用含气泡水介质非线性系数进行气泡群尺寸分布参数声学反演的方法。

背景技术

研究含气泡水介质在各个领域有着广泛的应用意义。例如医学上利用气泡造影剂提高医用超声领域的生理组织成像；工业中用于水下油气田的检漏；水声领域用于提高声参量阵的转换效率；船舶航行时进行尾流气泡的识别等。

气液混合物中气泡的大小、分布和浓度等不仅会影响到混合物的物理特性，还会影响其受到声波激励时呈现的非线性特性。因此，在利用或规避气泡的影响时，对液体中气泡的尺度分布参数的获取颇有必要。然而，由于气泡的尺度通常较小且多处于运动状态，要通过直接的测量手段获取这些参数较为困难，因此一般需要通过其它方式来反演气泡参数。一般可以通过声学和光学的方法进行反演得到气泡参数。光学方法多通过拍摄成像进行尺度的获取，精度高但成本较高；声学的方法具有测量简单、适用性强、测量范围广且成本较低，更适合在复杂环境下应用。

目前，反演气泡群分布参数的主流声学反演方法有以下几种方法：孔隙率法、共振估计法、衰减截面法、声速衰减联合估计法、非线性散射截面法等。下表所示是以上几种方法的主要缺点对比。

表1气泡群分布参数声学反演方法优缺点比较

传统的气泡参数测量方法主要是利用气泡的声衰减、声速频散作为声散射特征，发射声波经过气泡层会使气泡振荡并向外辐射声能量，利用接收到的含有该特征的声学数据与气泡分布之间的关系进行反演，从而可得到气泡的分布特征。以往基于线性理论的气泡参数声学测量方法的一个重要局限性在于，当海洋中存在气泡之外的其它散射体或是接近海面海底等边界时，人们很难将气泡散射信号与其它物体的反射/散射信号进行区分，也无有效手段将其它因素的影响进行滤除。由于除气泡之外的其它散射体或边界的影响均对应于线性散射截面，而利用气泡具有的非线性效应，使得最大程度上克服以上难题成为可能。非线性散射截面法的研究多数未考虑非共振气泡的影响，或在将积分离散化后得不到良好条件数的传递矩阵，反演较为困难，目前尚未应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以剔除与气泡自身特性无关的影响，精确度高的基于非线性参数测量的水中气泡群尺寸分布参数反演方法。

本发明的目的是这样实现的：

(a)在厚度为R的非均匀混合介质样品两侧分别布放发射换能器和接收水听器，发射换能器在x＝0处向待测含气泡水介质中发射单频脉冲，接收水听器沿轴向方向在x＝R处接收该脉冲声压信号；

(b)根据在含气泡水介质中脉冲声波的二次谐波生成规律，分别测量发射频率ω下的基波和二次谐波声压；

(c)根据测量得到的基波声压p₁(ω)和二次谐波声压p₂(ω)计算非线性系数；

(d)根据气泡平衡半径分布函数N(R₀)对应的气泡半径范围，确定声发射频率范围[ω_L,ω_H]和频率数M，在该频率范围内等间隔地调整发射脉冲频率；

(e)根据已测量获得的M组基波和二次谐波声压幅值，建立M×1维非线性系数测量矢量β；

(f)建立气泡分布参数与非线性系数的关联方程；

(g)对传递矩阵进行求逆运算，得到所求的气泡尺寸分布函数N(a)。