[发明专利]一种水中单气泡声特性的测量装置及测量方法

权利要求书

1.一种水中单气泡声特性的测量装置，其特征在于，所述装置包括空气压缩机(1)、时间同步设备(2)、前放及采集电路(3)、数据存储单元(4)、气枪、标准水听器(6)、高速摄像机(7)和处理器，

气枪的喷嘴(5)和标准水听器(6)均布设在水池(8)中，

时间同步设备(2)用于向空气压缩机(1)和前放及采集电路(3)同时输出时间同步信号，使空气压缩机(1)和前放及采集电路(3)同时工作，

空气压缩机(1)用于压缩气枪内的空气，气枪将压缩的空气从气枪喷嘴(5)喷出，使该空气在水中产生气泡，

标准水听器(6)用于采集气泡声信号，前放及采集电路(3)用于采集标准水听器(6)的气泡声信号，并将该信号进行前置放大处理，处理后的信号送入数据存储单元(4)进行存储，

高速摄像机(7)用于采集气泡图像，

处理器，用于根据同一时刻下采集的气泡图像和放大的气泡声信号，获得不同尺寸气泡所对应的气泡声的声级，从而实现对水中单气泡声特性的测量；

气泡声的声级过程为：

将声信号s(t)通过一个通带为10Hz-5kHz的512阶巴特沃兹滤波器进行滤波后，得到滤波后的声信号x(t)，根据该信号x(t)得到功率谱P_x：

式中，T为气枪信号持续的时间长度，

根据公式：

SL_x＝10lgP_x-A-M_v-20lg R/r_ref 公式2，

获得气泡声的声级SL_x，

式中，A为标准水听器接收端前放及采集电路的放大倍数，M_v为标准水听器灵敏度，R为气枪位置与标准水听器的距离，r_ref＝1m。

2.根据权利要求1所述的一种水中单气泡声特性的测量装置，其特征在于，水池(8)的侧壁为透明侧壁。

3.根据权利要求2所述的一种水中单气泡声特性的测量装置，其特征在于，它还包括摄像机支架，摄像机支架用于支撑高速摄像机(7)，摄像机支架固定在水池(8)外侧壁上。

4.根据权利要求1所述的一种水中单气泡声特性的测量装置，其特征在于，它还包括电子开关，电子开关用于同时控制气枪发射和高速摄像机(7)工作。

5.根据权利要求1所述的一种水中单气泡声特性的测量装置实现的测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、在水槽中布放标准水听器(6)和气枪，当气枪内压缩的空气从气枪喷嘴(5)喷出时，由标准水听器(6)采集在水中产生的气泡声信号，并由高速摄像机(7)同步采集气泡图像信息；

步骤二、根据气泡声信号获得气泡声的声级，根据气泡图像信息提取气泡尺寸；

步骤三、根据同一时刻下的气泡声的声级和气泡尺寸，得到不同时刻下，不同气泡尺寸的气泡声的声级，从而实现对水中单气泡声特性的测量；

步骤二中，根据气泡声信息获得气泡声的声级过程为：

将声信号s(t)通过一个通带为10Hz-5kHz的512阶巴特沃兹滤波器进行滤波后，得到滤波后的声信号x(t)，根据该信号x(t)得到功率谱P_x：

式中，T为气枪信号持续的时间长度，

根据公式：

SL_x＝10lgP_x-A-M_v-20lg R/r_ref 公式2，

获得气泡声的声级SL_x，

式中，A为标准水听器接收端前放及采集电路的放大倍数，M_v为标准水听器灵敏度，R为气枪位置与标准水听器的距离，r_ref＝1m。

6.根据权利要求5所述的一种水中单气泡声特性的测量装置实现的测量方法，其特征在于，步骤二中，根据气泡图像信息提取气泡尺寸的过程为：

首先通过图像预处理滤除气泡图像信息中的噪声，然后利用阈值法分割去噪后的气泡图像得到二值图像，该二值图像经缺陷修补处理后进行轮廓提取得到图像的边界点，通过轮廓跟踪算法将轮廓存储为链码表示的格式，最后从链码表示的格式中选取轮廓的最大距离，记为气泡尺寸r_bubble。