一种改进超声衰减谱原理测量固体颗粒粒径和浓度的方法技术

一种改进的基于超声衰减谱原理测量气体或液体介质中固体颗粒粒径和浓度的方法，包括如下步骤：1)在测量区中有平均半径为R，体积浓度为Cv的固体颗粒系的情况下，计算获得超声波衰减谱α(f),单位奈培/米，f为超声波频率；2)计算消声系数Kext；3)判断声子是否被吸收或者是散射；4)计算声子散射出射角5)对目标函数求解，获得颗粒平均半径R和体积浓度Cv。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超声检测技术，特别涉及一种基于超声衰减谱原理测量颗粒粒径 和浓度的方法。
技术介绍
颗粒是指在一定尺寸范围内具有特定形状、处于分割状态的几何体，可以是固体、 液体，也可以是气体。两相体系中固体颗粒粒径和浓度对现代工业生产如能源、环境、材料、 生物、化工等领域有极其重要的意义。生产过程中具有合适粒径和浓度的颗粒不仅可以提 高生产效率，保证产品质量，还可以节约能源，减少污染排放。 超声检测技术是利用超声波来进行各种检测和测量的技术。超声波在由连续相和 离散颗粒相组成的颗粒两相体系中的传播规律与颗粒物的粒径和浓度有关，所以可用作颗 粒粒径和浓度的测量。相比于其它原理的颗粒测量方法如电感应法、图像法、光散射法等测 量方法，超声波具有强的穿透力，可在光学不透明的物质中传播并具有测量速度快，容易实 现测量和数据的自动化等优点，超声波换能器价格低且耐污损，测量系统简单方便。目前常 规的超声波测量颗粒浓度方法是利用声衰减谱原理进行测量，在测量过程中需要通过假设 理论模型计算理论超声衰减谱，并将其和实验超声衰减谱进行吻合度比较并据此确定颗粒 粒径和浓度。粒径可以用颗粒半径的方式表示，浓度用体积浓度表示。但现有模型仅仅考虑 了介质对于超声波的吸收和散射作用造成的超声衰减，忽略了超声接收换能器尺寸大小对 于超声接收的影响，并造成了理论和实验超声衰减谱的误差，本专利技术通过蒙特卡罗方法进 行理论模型计算结果的修正，从而专利技术一种改进的超声衰减谱测量颗粒粒径和浓度方法。
技术实现思路
本专利技术是针对现有超声波测量颗粒浓度方法存在的问题，对于具体已知超声波换 能器几何尺寸的情况，提出了一种通过蒙特卡罗方法进行理论模型改进，计算超声衰减谱， 进而对原有理论预测结果进行修正，从而改进超声衰减谱测量颗粒粒径和浓度的方法。 本专利技术的技术方案为：一种基于超声衰减原理测量颗粒粒径和浓度的方法，具体 包括如下步骤： 1)、如图1所示，超声波发射换能器，在激励电路作用下激发出一束脉冲超声波， 在距离其L布置超声波接收换能器，超声波发射换能器到接收换能器区域即测量区。在测 量区中不含颗粒情况下，忽略连续介质声吸收，超声波通过纯介质后由超声波接收换能器 记录，信号强度为I%，在测量区中有颗粒系，颗粒平均半径为R，颗粒的体积浓度为C v，当 有超声波信号通过颗粒两相体系时，超声波接收换能器记录超声波强度信号Ile，对于超声 脉冲波，通过快速傅里叶变换获得多个频率下信号强度谱，对应不同频率分别用式α = In 计算即获得超声波衰减谱a (f)，单位奈培/米，f为超声波频率； 2)、通过下述公式计算消声系数Kext，得到：【主权项】1. 一种改进的基于超声衰减谱原理测量固体颗粒粒径和浓度的方法，包括如下步骤： 1) 在测量区中有平均半径为R，体积浓度为(；的固体颗粒系的情况下，计算获得超声 波衰减谱a (f)，其单位奈培/米，其中f为超声波频率； 2) 计算消声系数Krart; 3) 判断声子是否被吸收或者是散射； 4) 计算声子散射出射角； 5) 对目标函数求解，获得颗粒平均半径R和体积浓度Cv。2. 如权利要求1所述的一种改进的基于超声衰减谱原理测量固体颗粒粒径和浓度的 方法，其中步骤1)具体为： 在激励电路作用下超声波发射换能器Tl发出一束脉冲超声波，在距离其L布置超声波 接收换能器Rl，超声波发射换能器到接收换能器区域即测量区； 在测量区中不含颗粒情况下，忽略连续介质声吸收，超声波通过纯介质后由超声波接 收换能器记录，信号强度为I%，如测量区中有平均半径为R，体积浓度为Cv的固体颗粒系， 超声波信号通过颗粒两相体系时，超声波接收换能器记录超声波强度信号I le; 对于超声脉冲波，通过快速傅里叶变换获得多个频率下信号强度谱，对应不同频率分 另_式〇=111(1(^/116)/21^计算即获得超声波衰减谱（ 1江)，单位奈培/米4为超声波频 率。3. 如权利要求2所述的一种改进的基于超声衰减谱原理测量固体颗粒粒径和浓度的 方法，其中步骤2)具体为： 通过下述公式计算消声系数Krait:其中，k为声波波数，〇 = π R2为颗粒投影面积，Re()为取实部运算，An称为第η阶散 射系数，通过Alex Ε. Hay和Douglas G. Mercer方法计算。4. 如权利要求3所述的一种改进的基于超声衰减谱原理测量固体颗粒粒径和浓度的 方法，其中步骤3)具体为： 采用蒙特卡罗方法描述声波动，将声波能量以声子的形式离散，建立概率模型通过每 个声子的行为描述声波被每个颗粒散射、吸收，或者在颗粒间传播过程，根据建立的概率模 型，当一个声子与颗粒发生碰撞时，通过线性同余法产生的随机数判断它是否被吸收或者 是散射，通过消声系数K rait和区间服从均匀分布随机数ξ ^勺大小比较进行判断，如果声子被吸收，则不能被接收换能器接收，如果声子被散射，则需要判断声子的散射 的出射方向。5. 如权利要求4所述的一种改进的基于超声衰减谱原理测量固体颗粒粒径和浓度的 方法，其中步骤4)具体为： 根据步骤3)声子遇到颗粒后的散射方向按照散射声压分布概率模型计算：式中：Θ是散射角；f( θ ))是归一化散射声压，ρ( θ )是颗粒表面散射声压分布函数， 由Faran理论计算：式中：义和^分别是第一类球Besse 1函数和第二类球Besse 1函数，k为入射声波波 数，r为接收点距离，取颗粒半径的100倍；Pn(cos Θ )是勒让德多项式，散射系数^由Faran 理论公式计算； 为确定散射方向，将可能的散射角Θ从〇到360°划分为360份，即将散射角度划分 为360个区间，通过另一个区间均匀分布随机数|2与归一化声压分布函数f(0)比 较，如果则声子散射出射角就为Θ M1，Ml取值范围为1~360。6.如权利要求1所述的一种改进的基于超声衰减谱原理测量固体颗粒粒径和浓度的 方法，其中步骤5)具体为： 根据步骤4)，进一步追踪声子的运动轨迹，其在两个颗粒间的传播距离L1通过线性同 余法产生的区间均匀分布随机数ξ 3和消声系数确定，即L 1= -1η( ξ 3)/Kext ;声子 在颗粒介质中的传输过程通SL1、碰撞类型以及散射角Θ获取；如果碰撞类型是吸收，则 传播过程终止；反之过程继续，第η+1次碰撞的位置坐标为： Xn+1= Xn+L1 · COS θ η yn+i= Υ n+Li * sin Θ n 其中别是第n次声波在颗粒两相体系中散射的横坐标和纵坐标位置；Θ "是 第η次散射角；LjP当前两颗粒间的传播距离； 统计最终到达接收换能器的声子数目，记为Nd，当接收换能器直径D不同，则Nd也不一 样即衰减变化不一样，这样可以计算得到修正后的声衰减a m: a m= -In (Nd/Nt) /L 式中：Nd是探测器接收的声子数目；Nt是声子样本容量，取10万至100万个；L即为前 面定义的超声发射换能器与接收换能器之间距离； 同样，针对不同的超声波频率进行计算，也可以得到修正后的超声衰减谱am(f); 在实际测试条件下，已知接收超声波换能器直径，则在对颗粒粒径和浓度求解过程中 采用修正超声衰减谱和实验超声衰减谱构造目标函本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的基于超声衰减谱原理测量固体颗粒粒径和浓度的方法，包括如下步骤：1)在测量区中有平均半径为R，体积浓度为CV的固体颗粒系的情况下，计算获得超声波衰减谱α(f),其单位奈培/米，其中f为超声波频率；2)计算消声系数Kext；3)判断声子是否被吸收或者是散射；4)计算声子散射出射角；5)对目标函数求解，获得颗粒平均半径R和体积浓度Cv。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：苏明旭，蔡小舒，郭盼盼，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31