[发明专利]一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法

权利要求书

1.一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立液体柱模型，推导出液体一维非线性波动方程；

2)根据边界条件，通过微扰法推导出二次谐波传播时的声波振动压强解；

3)通过仿真软件对声波振动压强解的信号函数进行傅里叶变化，得到振幅谱，从而得到压强频谱曲线图即液体理论频谱图；

4)在液体柱模型中加入泥沙形成MC泥沙模型，对MC泥沙模型进行二次谐波传播时的声波振动压强解分析，通过仿真软件仿真得到理论上MC泥沙模型的频率飘移图，该MC泥沙模型的频率飘移图表示了通过理论计算得到的理论频率飘移量与理论泥沙含量的对应关系；

5)通过实际仪器测量得到实际测量频谱图，将实际测量频谱图与液体理论频谱图作对比得到实测频率飘移量；

6)参照MC泥沙模型的频率飘移图，将实测频率飘移量与理论频率飘移量相对应，从而得到与理论频率飘移量相对应的理论泥沙含量即为实测泥沙含量。

2.根据权利要求1所述的一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，其特征在于：所述步骤1)的建立液体柱模型，推导出液体一维非线性波动方程，具体为，

建立液体柱模型

其中，ρ为有声扰动时介质密度，υ为介质质点速度，t为时间，x为传播距离，p为声压，η'和η”为流体的粘滞系数，c₀为声波速度，P为压力，P₀为压力的静态值，ρ₀为无声扰动时的介质密度，γ为介质的非线性系数；

令ρ＝ρ₀+ρ'，ρ'为有声扰动时介质密度的变化量；

则公式(1)、(2)、(3)推导为，

将公式(6)代入公式(4)，得公式(7)，

基于流体做无旋运动，则令其中φ是势函数；且在非线性项中，关于ρ'和υ的关系取线性近似并对所有项只准确到二级近似，则得到在考虑到粘滞效应之后的介质中声波传递的非线性波动方程为公式(8)，

其中，a＝c₀(γ-1)/2。

3.根据权利要求2所述的一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，其特征在于：所述步骤2)的根据边界条件，通过微扰法推导出二次谐波传播时的声波振动压强解，具体为，

采用微扰法求出非线性波动方程的一级近似解φ₁和二级近似解φ₂，

令非线性波动方程的解为φ＝φ₁+φ₂，将一级近似解φ₁和二级近似解φ₂代入非线性波动方程，并令具有同数量级的各项相等，得到，

一级近似方程为

二级近似近似方程为

根据边界条件：在x＝0处即在简谐声源处，应该满足υ₂＝0的条件，即声源处不存在二次谐波的；在x＝l处即声波在介质传播的终点处，应满足和的条件，即声波速度的变化连续；υ₁为基波速度，υ₂为二次谐波的速度；

结合边界条件，由代入近似方程求得声波振动压强解为p₁和p₂，

其中，k＝ω/c₀；j为虚数，ω为声波的角频率，υ₀为介质质点初始速度；

求得的声波振动压强解为二次谐波压强和传播波数的关系表达式。

4.根据权利要求1所述的一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，其特征在于：所述仿真软件为Matlab软件。

5.根据权利要求1所述的一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，其特征在于：所述MC泥沙模型的频率飘移图为MC泥沙模型下不同泥沙含量于不同泥沙颗粒粒径下的频率飘移图；所述理论频率飘移量为理论上二次谐波的频率与理论泥沙含量不同时二次谐波传播时的频率的差值。

6.根据权利要求1所述的一种基于二次谐波频率飘移的泥沙含量检测方法，其特征在于：所述实际仪器为泥沙含量检测装置，其用二次谐波频谱特性对泥沙含量进行检测；

所述泥沙含量检测装置包括超声波激发模块、信号接收模块和容置有悬浮液的水槽，所述超声波激发模块包括依次相连的信号发生器和换能器，所述信号接收模块包括依次相连的水听器和频谱分析仪，所述悬浮液为液体和泥沙的混合液，所述水槽位于换能器和水听器之间；

所述信号发生器用于产生电信号，所述换能器用于将电信号转化为声信号作用于水槽，所述水听器用于将经水槽传播过来的声信号转化为电信号，频谱分析仪用于分析从水听器接收到的电信号得到实际测量频谱图。