Исследование эффективности неинвазивного оценивания скорости звука в ограниченных объектах с неоднородностями при линеаризации данных о фазовых задержках

Abstract

Рассмотрена задача оценивания скорости распространения звука в ограниченных объектах с акустическими неоднородностями, сравнимыми с длиной волны. В качестве информативной характеристики использованы данные о частотной зависимости фазовых задержек сигналов локализованного источника в двух точках приема, координаты которых полагаются известными. На основе линеаризации указанной частотной зависимости разработаны алгоритмы оценивания скорости звука и проведены модельные исследования его эффективности для неоднородной стенки конечной цилиндрической трубы. Проанализированы зависимости ошибок оценивания скорости звука от взаимного расположения источника сигналов, точек приема и границ объекта при разных волновых размерах. Определены рациональные частотные параметры процедур оценивания и схемы расстановки приемников. Для двух вариантов схемы измерений исследовано влияние характерных структур неоднородностей на полученные результаты. Работоспособность предложенных алгоритмов подтверждена экспериментально на примере оценивания скорости звука в паренхиме легких.

Розглянуто задачу оцінювання швидкості поширення звуку в обмежених об'єктах з акустичними неоднорідностями, порівнянними з довжиною хвилі. За інформативну характеристику обрані дані про частотну залежність фазових затримок сигналів локалізованого джерела у двох точках прийому, координати яких вважаються відомими. На основі лінеаризації зазначеної частотної залежності розроблені алгоритми оцінювання швидкості звуку й проведено модельні дослідження його ефективності для неоднорідної стінки скінченної циліндричної труби. Проаналізовано залежності похибок оцінювання швидкості звуку від взаємного розташування джерела сигналів, точок прийому і меж об'єкта при різних хвильових розмірах. Визначено раціональні частотні параметри процедур оцінювання й схеми розстановки приймачів. Для двох варіантів схеми вимірювань досліджено вплив характерних структур неоднорідностей на отримані результати. Працездатність запропонованих алгоритмів підтверджено експериментально на прикладі оцінювання швидкості звуку в паренхімі легенів.

The paper deals with a problem of estimating of sound speed in bounded objects with the acoustic inhomogeneities comparable with the wavelength. The data on frequency dependence of phase delay of the signals received from a localized source in two reception points which coordinates are assumed to be known are used as the informative characteristics. On the basis of linearization of this frequency dependence, the algorithms for estimating of sound speed are developed and model studies of their efficiency are conducted for heterogeneous walls of the finite cylindrical pipe. The estimation errors for sound speed are analyzed depending on relative arrangement of the signal source, reception points and boundaries of the object at different wavelengths. The rational frequency parameters of estimation procedures and schemes of receivers arrangement are determined. For two variants of measurement set-up, the effect of the characteristic irregularities of the structures on the results is investigated. The efficiency of the proposed algorithm is confirmed experimentally on the example of estimating of sound speed in the lung parenchyma.