基于超声多重反射法测量高衰减流体媒质声阻抗及浓度

    0 引 言

    在食品、化工以及制药工业中，利用媒质的声学特性进行媒质识别、浓度测量、聚合反应程度以及化学腐蚀过程的监测已得到广泛研究及应用[1-2]。媒质的声学特性主要包括声速、声衰减和声阻抗。但若媒质中存在的大量气泡或其它散射粒子，以及界面处的反射透射、声速的扩散等均可导致声衰减很大，甚至无法接收到回波信号，另外探头参数随时间的改变也会导致系统漂移，使得声速和声衰减的应用得到一定限制。而利用容器壁中的多次反射回波测定流体媒质声阻抗的检测技术无需声波穿透被测媒质，可用于高衰减媒质声阻抗的检测。

    在声阻抗检测中，可以从阻抗的定义出发，采用直接测量声压和体积振速求取声阻抗，如管路柔性元件声阻抗的检测[3-4]；也可以通过测定声波在固-液界面的反射系数进而计算声阻抗[5-11]，但测定精度很难达到 0.1%[12]，远低于声速测量精度 10-4%～10-5%[13]。测试中，固体媒质的阻抗与被测媒质的阻抗越接近，检测灵敏度越高，测量越准确。倘若利用声波在容器壁内的单次反射回波对媒阻抗进行检测，会大大降低检测的灵敏度；而利用声波在容器壁内发生多次反射形成的多次反射回波进行阻抗检测，可有效提高检测灵敏度。

    在超声用于在线浓度检测的工业应用中[14-17]，很多容器和管道壁都是金属材质的，相对于其内部的流体，金属材料的声阻抗明显大于流体媒质（＞10 倍），导致声波大部分被反射，而透入流体的很少，当流体媒质的衰减系数或是容器、管道的直径较大时，声波很可能不能穿透被测媒质，而导致接收探头不能接收到回波信号，流体媒质的声学特性（声速和声衰减）无法测定。此时宜采用容器壁内的多重反射回波测量被测媒质的声学特性（声阻抗），进而计算其浓度。

    本文研究以钢材料为容器壁，通过检测容器壁内的多次反射回波测定被测媒质在固-液界面的反射系数，计算其声阻抗，并对检测系统进行精度检验、及对溶液浓度的测定。需指出，平面换能器（flat transducer）适合于容器壁为平面的情况，而曲面换能器（curved transducer）适合于柱面壁情况；同时应通过采用宽带探头、适当的容器壁厚等措施保证容器壁中产生尽可能多的回波，且不发生混叠，以确保检测顺利进行。由于 2 种换能器的检测原理相同，本文以前者进行讨论。

    1 声阻抗检测系统的建立

    1.1 反射系数与阻抗的检测

    1.1.1 检测原理

    声波由固体材料入射到固-液分界面时，部分声波发生透射，部分发生反射，声压反射系数如（1）式所示。