[发明专利]一种液体介质中超声波声速的测量方法与装置

摘要

本发明公开了一种液体介质中超声波声速的测量方法与装置，通过改变超声信号反射板与超声探头之间的距离，得到不同声程的超声信号，采用信号处理技术获得不同声程时超声信号的时频信号，进一步获得不同单一频率超声波在已知超声传播距离内的传播时间，进一步得到不同单一频率超声波在所测量液体介质中的声速，一种用于实现所述一种液体介质中超声波声速的测量方法的装置，包括变声程装置、连接超声探头的超声信号发射与接收仪器、连接计算机信号放大单元、A/D转换单元和信号处理单元；本发明克服了传统的声速测量方法的不足，能准确测量出液体介质中的不同单一频率超声波声速。

主权项

1.一种液体介质中超声波声速的测量方法，其特征在于，方法步骤为：（1）获得超声探头与超声信号反射板两个不同距离时的超声反射信号：在储有液体介质的槽中相隔一定距离放置有由发射与接收在一起的超声探头和信号反射板，由超声探头测出并记录当时距离的超声反射信号，移动超声信号反射板，改变其与超声探头之间的距离，记录下新的超声反射信号；（2）对获得的超声反射信进行信号处理得到不同频率对应的超声波声速：将获得超声探头与超声信号反射板两个不同距离时的超声反射信号通过信号放大单元输入到连接计算机的高速A/D转换单元以及信号处理单元，信号处理为加窗后的快速傅里叶变换，其中窗函数由下式表示：(1)式中，为窗函数宽度，为时间单位，其数值为有效超声信号持续时间的1.5倍，出现小数，则四舍五入取整；采集获得的超声信号通过A/D转换，变为一系列以时间为横坐标，电压幅值为纵坐标的离散点以行向量表示；设有效信号点的个数为n，该信号的起始位置从向量中第位开始，至位截止，即为所需处理的超声信号；窗函数的宽度则为1.5n；设A/D转换的采样频率为，创建一个频率向量，其中，的定义为所有大于1.5n的2的整数次方中的最小值；将式(1)中的以1.5n代替，得到长度为1.5n的行向量，1.5n出现小数则四舍五入取整，以表示，为了实现两行向量的点乘，将超声有效信号向量中不足1.5n的部分用0补充，即，将向量与点乘，即相对应元素分别相乘，得到新的向量，以表示；不同频率的超声波幅值计算由下式给出：（2）式中，的定义同上，，为取模，大于1.5n，则向量中超过的元素以0补足，移动窗函数，待处理信号向量从开始，不足部分用0补足，此时待处理信号向量变为，同样将该信号向量与频率向量点乘，然后利用公式（2）求取，以此类推，直至待处理信号向量变为，并与频率向量点乘后利用公式（2）求取，当取向量中的不同值，即不同频率的情况时，就决定了n个不同的与相对应，所得到的结果为某一特定频率的超声波幅值在时间轴上的变化趋势，为一单峰曲线；将信号反射板前后两次不同位置所获得的信号置于同一时间轴之上作频率为的超声波在不同传播时刻的幅值随时间变化的趋势示意图；按照上述信号处理方法所得到的结果就是频率为的超声波在不同传播时刻的幅值随时间变化的趋势图，此时，分别选取频率为的超声波在不同传播时刻的幅值随时间变化的趋势图上前后两列单峰曲线的峰值点设为A₁与A₂，前列单峰曲线的峰值点与后列单峰曲线的峰值点所各自对应的时间横坐标设为与，则所表示的时间差就是频率为的超声波在已知传播距离内的传播时间，超声信号反射板前后两次不同位置之间的距离设为,则频率为的超声波在液体介质中的声速通过下式求出：(3)所测超声波为一脉冲超声波，由于脉冲超声波可看成无穷列不同单一频率的正弦波或者余弦波组成，通过该方法，得到一系列不同单一频率超声波在被测液体介质中的传播声速。