1、ICS 19. 120 A 28 道自中华人民共和国国家标准GB/T 29023.1-2012月SO20998. 1 : 2006 超声法颗粒测量与表征第1部分:超声衰减谱法的概念和过程Measurement and characterization of particles by acoustic methods Part 1: Concepts and procedures in ultrasonic attenuation spectroscopy (lSO 20998-1: 2006 , IDT) 2012-12-31发布2013-10-01实施/71 阀混zg; tiJ京层主茸的/中
2、华人民共和国国家质量监督检验检菇总局俗世中国国家标准化管理委员会QC.IJ GB/T 29023.1-2012月8020998. 1 : 2006 目次E且qdqdaaAAdaD叮tn6n6。on3nUFhupo。OTEa-nHU-11iti i 果例民结举谱用术用减.恤技应衰释u告帝项uu解报控)的试与录录录物虑据测量附附附H义照考物HHHH数室测性性性定参样照理器备量减告验是料料料川和和取参H原仪准测衰报实在啤咄咄咄咄咄札围语样法果ALFJHU言言范术取川方UUUMU结uuiE萨和如前引12345附附附参GB/T 29023.1-2012月SO20998.1 : 2006 前AER GB/
3、T 29023超声法颗粒测量与表征分为以下3个部分=第1部分z超声衰减谱法的概念和过程z一一第2部分:线性理论准则z一一第3部分z非线性理论准则。本部分为GB/T29023的第1部分。本部分按照GB/T1. 1-2009给出的规则起草。本部分使用翻译法等同采用ISO20998-1: 2006(超声法颗粒测量与表征第1部分=超声衰减谱法的概念和过程。本部分由全国颗粒表征与分检及筛网标准化技术委员会委员(SAC/TC168)提出并归口。本部分起草单位z上海理工大学、中机生产力促进中心。本部分主要起草人z苏明旭、蔡小舒、余方、薛明华、韩晓林、沈嘉祺、呼剑、陈孝震。I GB/T 29023. 1-20
4、 12/ISO 20998.1 :2006 51 众所周知，超声谱可以用来测量肢体、分散系和乳剂中的颗粒粒径分布6-9。基本原理是当超声波穿过样品时，测量依赖频率变化的超声衰减或者速度。这种衰减是由样品中的颗粒对声波的散射或吸收引起的，分散状态的颗粒粒径分布和浓度确定了声衰减谱10-12。一旦通过经验观测或理论计算确立其联系，原则上就能够由超声波数据确定颗粒粒径分布。超声技术对动态在线测量高浓度浆料和乳剂很有用。在过去，这种检测是在质量控制实验室离线进行的，由于受仪器设计原理的限制，必须对样品稀释后才能检测。而超声谱法可在原始浓度下直接在线测量，元需改变原始样品的状态;并且还可以对动态过程(例
5、如絮凝、分散、研磨等)进行实时在线测量。测试数据可直接用于过程控制从而改进工艺过程和产品性能。E 本标准包括3个部分z第1部分超声衰减谱测量中的术语，概念和流程z第2部分当超声谱是颗粒体积浓度线性函数时，提出根据测量超声谱确定颗粒粒径信息的准则;第3部分当超声谱是颗粒体积浓度非线性函数时，提出确定颗粒粒径的准则。GB/T 29023. 1-20 12/1S0 20998.1 :2006 超声法颗粒测量与表征第1部分:超声衰减谱法的概念和过程1 范围GB/T 29023的本部分规定了超声法测量分散在液体中一种或多种材料的粒径分布的概念和过程，范围包括了肢体、分散系、浆料和乳剂，典型的颗粒粒径大小
6、分析区间为10nm-3 mm，但超出此范围的颗粒也能够被测量。分散相体积浓度的可测范围从0.1%-50%甚至更高，取决于连续介质和分散质的密度对比。本部分适用于监测粒径分布的动态变化，包括高浓度系中的凝聚和絮凝。2 术语和定义2. 1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 下列术语和定义适用于本文件。眼收absorption 超声波通过介质后，除去散射之外的其他声能损失。衰减attenuation i肖声extinction 超声波通过介质后，总的声能损失，包括散射与吸收。注=推荐使用测量单位2分贝(dB).其定义为10倍人射超声波强度与透射超声波强度之比的常用对数或者20倍人射超声波振幅与
7、透射超声波振幅之比的常用对数。亦可选择基于自然对数的奈培(Np)作测量单位，1Np= 8.686 dB. 衰就系鼓attenuation coefficient 消声系鼓extinction coefficient 超声波通过单位长度介质后的声能衰减，单位用dB/cm或Np/cm表示。注2衰减系数有时以频率或者频率平方的形式表示以区分主要的衰减机制.为清楚起见，标准中仅考虑单位长度的衰减(dB/cm)。衰减谱attenuation spectrum 测得的衰减系数表示为频率的函数(以横坐标表示频率，纵坐标表示衰减系数绘制的曲线)。带宽bandwidth 超声信号包含的频率范围，典型地说，在频谱
8、分析仪上衰减3dB点之间的频差。宽带broadband 频带较宽的超声波信号，其特征是带宽不小于中心频率的二分之一。1 GB/T 29023.1-2012月SO20998.1 : 2006 2. 7 数字化digitization 对一个连续信号的数字(量化的)表示。2.8 逾量衰减excess aUenuation 由连续相中颗粒所造成的增量衰减。2.9 傅里叶变换Fourier transform 将时变信号转换成频率成分的一种数学变换，通常由计算机通过快速傅里叶变换(FFT)实现。2. 10 干涉interference 当两个或多个波重叠时，相互削弱或者增强的披动现象。2. 11 固有
9、晌应intrinsic response 超声频谱仪的频响特性。注2不要与样品材料组分的本征吸收泪淆。2. 12 声程path lengtb 在发射换能器和接收换能黯之间的超声波传播距离。2. 13 脉冲pulse 含有宽频段傅里叶分量充分短持续时间酌波。2. 14 反射reflection 超声波从种介质传播到另一种介质的分界面时，一部分或全部声能返回到第一介质内的现象。2. 15 散射scaUering 超声波由于人射披转向的能量转移。2. 16 声谱spectrum 把时间函数的分量按幅倍或相位表示的频率函数的分布图形，波弦正的期t周削阶hurl m为讪仅间声时发续猝持TJ nt 2.1
10、8 换能器transducer 可以把电信号和超声信号相互转换的装置。注z本标准中通常指压电装置.2. 19 遗射transmission 超声波通过样品。2.20 量射谱transmission spectrum 测量的透射值作为频率的画数以频率为横坐标，以透射超声波振幅(或能量)为纵坐标绘制的曲线。GB/T 29023. 1-20 12/ISO 20998.1 :2006 2.21 遭射值transmission value 穿过样品的超声信号(或其中分量)的幅值，用伏或任意单位表示。2.22 超声ultr础。und频率大于20kHz的声波。注g用于颗粒表征的典型声波范围在100kHz-I
11、00 MHz之间。2.23 波wave媒质中传播的扰动。在媒质任意一点，量度扰动的量都是时间的函数，而在同一时刻，任意一点的这个量都是它的位置的画数。任一与传播的扰动具有同样空间时间依赖关系的物理量在同一时刻的空间分布也称为波。2.24 波形wavefonn 波的形状，可以通过示波器或数字设备显示(以时间为横坐标，以超声振幅为纵坐标绘制的曲线)。2.25 波长wavelength 波列中振动相同的相邻两点间的距离。3 取样和参照物3. 1 取样考虑事项3. 1. 1 干栅在测量干粉颗粒的超声衰减谱之前，需要将干粉颗粒分散在液体里。干粉取样要有代表性。推荐取样过程按照ISO14488操作。粉体的
12、分散参照GB/T20099操作。3.1.2 悬浮液和浆料在絮凝或者不良的分散系中，颗粒表现位径受剪切应力的影响而变化。建议在取样做超声分析前将悬浮液和浆料充分地混合，如果悬浮液中存在凝絮物并需要测量其大小或质量时，则不需要充分混合。|悬津液的稳定性将影响分析结果。3. 1.3 乳荆许多现象将影响乳剂的均匀性，包括乳化、液滴聚结和相分离等。这些改变将影响观测的超声衰减声谱。如果测量的被滴颗粒分布本来就是不稳定的，建议在配置乳剂后立即测量。3.2 参照物3.2. 1 参照班参照液用于验证超声谱仪自身是否正常工作。在常温下脱气的净水具有相对低的衰减系数时，因此推荐用脱气的净水作为参照液，确定超声谱仪
13、的频响特性。净水脱气的制作过程参照IEC62127-1. 3.2.2 参比样晶推荐使用参比样品来校验利用超声衰减谱得到的颗粒粒径分布是否准确。但是至今尚无已确定可GB/T 29023.1-2012月8020998.1 : 2006 通用的参比样品。用户可以确定一种稳定的比较好表征的物质作为标准参比样品来监测颗粒粒径分布变化。4 方法4. 1 原理当超声波通过悬浮液、浆料、肢体或乳剂时，被分散颗粒相散射和吸收，导致透射声强度的衰减，衰减系数是超声波频率的函数，并取决于颗粒系的成分和物理状态。可以利用测量到的衰减谱计算颗粒的粒径分布及其浓度。测量仪器在4.2中阐述。测量到的总的衰减由连续液相的本征
14、吸收，分散相的本征吸收、热损失、勃性损失和散射损失引起6，71，这些损失机制的相对重要性取决于材料体系。这些机制的理论或经验模型可用于将观测到的数据换算成颗粒粒径或颗粒粒径分布。目前还没有一个通用程序能够单独地利用衰减频谱确定颗粒粒径信息。参照15020998-2中描述，对不同的模型和程序的使用取决于样品特性和应用。只要信噪比足够大，那么就可以测量出超声衰减谱。然而，由于缺少分散或连续相的知识，可能并不存在一种可演绎的理论模型。在没有合适的理论或经验模型来描述超声和所关心系统间的相互作用时，衰减谱仍然可以用来推断颗粒粒径的相对变化，1抖。超声谱可以用多种方法测量(参见附录的。其中一些方法已经实
15、现了实验室仪器应用，一些已经用于工业应用。超声谱技术已用于测量多种材料的颗粒粒径。酣录B中列出了应用例子。4.2 仪器4.2. 1 概要最基本的超声谱仪，包括激励源、超声换能器、样品池(或用于在线测量的流动样品池前置放大器和接收器(信号采集器)。以上的各个部分都可根据实际需要做适当调整。4.2.2 激励源激励源产生的电信号通过换能器转换为超声波。激励源产生的电信号的频率决定了超声信号的频率。激励源可产生单一颇率的连续波也可以产生扫频信号、猝发声(可含有多个频率、阶跃脉冲或宽带脉冲。激励源的频率响应(带宽)和输出阻抗应与换能器匹配。换能器输出的电压信号大小，取决于激励源输出电压和换能器类型，其范
16、围可从几伏特到数百伏特。4.2.3 换能器超声换能器将激励源产生的电信号转换为超声波。通常换能器内部的振动元件由压电材料(如铁酸钮或压电高分子膜如聚偏氟乙烯PVDF)制成。当电信号激励时，压电元件压缩和膨胀，发出声纵波穿过材料表面并传播到分散系中。换能器前端的缓冲板起保护作用。传感器的构造会影响频率响应。例如背衬材料能强烈地衰减晶片的振动，使简谐振动变为阻尼振动，频率响应将展宽。在透射法(参见附录A)中，第二个换能器用来检测透射声波，并将其转换为电信号。根据可逆法则，换能器既可用作接收也可用于发射。在脉冲回波法中，同一个换能器既发射又接收超声脉冲。在上述两种方式中，换能器的同轴性很重要，频率量
17、级在10MHz或更高时尤为重要。通过调整换能器的角度，使超声信号带宽和信号强度最大。这样可以有效地便发射和接收信号的指向性保持同轴，但可能与换能器的机械轴有一倾角。如果同轴性不好，接收器的边缘会产生有害干涉，使信号失真。GB/T 29023.1-2012月SO20998.1 :2006 4.2.4 样晶池样品池用以盛装样品，并与换能器同轴布置。这种元件是可选的，如一些设备被设计成探针式直接插入处理管道中，此时，换能器置于探测器内。使用样品池时，分散样品要循环或搅拌以防止沉淀。对于稳定的悬浮液，其中的颗粒不会沉淀，可不必循环搅拌。对于在线测量，如果使用流动样品池，应确保从人口到出口全程通畅，以防
18、流经样品堵塞此样品池。4.2.5 前置放大器前置放大器是一种可选元件，用来放大接收换能器探测到的微弱信号。通常，其增益为20dB 60 dB。前置放大器的带宽和输入阻抗要与换能器匹配。4.2.6 接收器(信号采集器)信号接收器用于超声信号的强度测量。根据声发射信号的不同分为连续信号接收器、脉冲信号接收器、扫频和猝发声技术等(参见附录A)。对于连续波信号，接收器可看成一个调谐电路，测量该频率下的信号强度。其输出与一个低速数字化仪连接来捕捉透射信号。扫频和猝发声技术也使用调谐接收器，调整接收器中心频率以适应超声信号。脉冲系统使用高速数字化仪来捕捉整个接收脉冲的波形。典型的数字化率设为待测最高频率成
19、分的数倍(通常情况下10MHz 1 GHz) 0之后被形通过快速傅里叶变换或其他离散傅里叶变换算法转换到频率成分。所得复数组的幅值即为透射脉冲的能谱。4.3 准备4.3. 1 样晶要求为实现超声理论和实验观测尽可能的一致，建议将样品均匀分散且不含气泡，因气泡会散射和衰减超声波。推荐的样品要求蒙古度低(0.03Pa s以下以使样品中的气体逸出。样品要足以充满整个样品池。当样品置于样品池时，小心确保没有气泡附着在换能器表面，对于特定应用(例如监测絮状物尺寸的装置)，样品不需要完全地分散。在一些情况下，如确保能接收到足够强超声信号，即使从含有气泡的样品系统中也可能获得有用数据。痕量且分散良好的微小气
20、泡对总衰减有贡献。在一些情况下可选择频率范围以便从颗粒散射衰减中识别气泡的超声共振6.1日。单个的大气泡能破坏超声信号，但对于脉冲测量系统，能检测到数据的损失，并通过获取更多的数据进行补偿。4.3.2 样品准备4.3.2. 1 实验室应用(离钱应用4.3.2. 1. 1 悬浮液为了避免多重散射和其他非线性的浓度影响，应制备固体体棋浓度不超过5%的初始分析样品。如果这样无法获得足够的衰减信号，必须增加浓度。非线性效应出现的浓度，由固体颗粒和分散介质的密度差以及波长与颗粒直径的比率决定。一般情况，低密度固体颗粒可以制备的浓度更高。对于大粒径，高密度颗粒，推荐对样品作搅拌或循环流动以保持颗粒的悬浮。
21、值得注意的是分散较差或絮凝的材料应被视作更大的颗粒，但是监测絮状物尺寸的能力有实际应用。实际的分散方法取决于样品的材料。如粉体，它的分散要按照GB/T20099执行。5 GB/T 29023. 1-20 12/ISO 20998.1 :2006 如需要，可制备浓度更高或更低的样品。浆料就是高浓度(体积浓度超过10%)的颗粒悬浮液。此类样品中多重散射和颗粒相互作用导致非线性的影响，所以在此情况下，直接应用线性理论是不恰当的。这种情况下，有用的数据仍可得到并可根据经验观测解释。浆料的制备应尽量减少气体含量。推荐搅拌或循环流动浆料以保持颗粒悬浮。4.3.2. 1.2 乳剂对于包含了直径大约为10m或
22、更大液滴的乳剂，即使在分散相浓度很高时(体积浓度50%及以上)线性散射理论仍然适用于测量衰减谱口，13。对于包含了小于1m液滴，在更低浓度时(20%体积浓度)就不再吻合。样品的制备应尽量去除所含气体。4.3.2.2 在线应用超声谱法的在线应用是指连续地检测工业生产液流，所以无需制备样品，但必须要确保测量区样品具有代表性。4.3.3 温度温度影响悬浮液中的材料性质，从而影响超声波的传播闷。因此，建议离线测量在可控温样品池中施行。样品的温度要在分析前后分别测定和记录。如果前后温差超过2C，需重新测量。对于在线应用，也须同步测量温度。4.3.4 换能器布置传感器应该机械同轴以使透射谱在时域和频域都达
23、到最佳。对于可调声程情况，换能器布置应作优化使得在换能器移动的终点和中点取得最佳透射谱。4.3.5 系统检查在开始新一轮测量前，应通过在预先确定的声程下对合适的检测样品进行测量，以检查实验声谱系统。脱气净水可用作检测样品。对同一样品在每个频率(覆盖仪器的有效带宽)下的测量信号的重复测量误差在5%以内。如果要基于超声衰减谱测量颗粒粒径分布，系统检查应包括对3.2.2中定义的标准参比样品进行颗粒粒径分布测量。颗粒的中位径结果应与之前相同标准参比样品的测量误差在5%以内。超声谱仪系统用于在线应用时应在安装前作检查。4.3.6 背景测量采用固定声程(如固定探头)的方法要求测量超声谱仪的固有频率响应以确
24、定其衰减。这种情况下，一种合适的低声衰减的标定液体(如水被注人样品池以获得透射声谱。该谱通常用作后续计算的背景信号。系统检查时的透射声谱可用作背景。对于在线应用应依藏于超声谱仪的工业标定，除非可以获得标定流体并在定期维护过程中测量固有频率响应。对于采用可变声程的方法，如果样品相对于背景信号有明显衰减且换能器能产生一个指向性集中的波，可不要求测量背景信号。但是，由于换能器有限的直径而导致明显的超声波柬扩散，从而造成到接收器的超声能量的损失，导致衰减系数被高估。因此建议在每个拟采用的间隔处进行背景测量来评估波的发散并计算作为频率函数的表现衰减系数。如果在选择的范围内的任一频率下的衰减系数超过3.2
25、.2中的标准参比样品的表现衰减系数5%，建议作背景测量。GB/T 29023.1-2012月SO20998.1 :2006 4.4 测量4.4. 1 慨要仪器在使用前应开启至少10min以使电子系统达到稳定。在加人样品后，要有足够的时间让系统达到热平衡。获取超声频谱的程序取决于换能器之间的声程(间距)是否保持恒定。4.4.2 可调声程系统的测量4.4.2. 1 适射数据的收集测量包括以下步骤zd 将分散的样品放入样品池。样品必须完全覆盖传感器表面。对于实验室中的应用，建议擦拭换能器表面以除去所有气泡。b) 确保池内样品的充分循环(如果必要)。c) 调整到一个预定的间距后在期望的频率范围内测量透
26、射谱。d) 调整声程至第二个预定的间距，在期望的频率范围内测量透射谱。e) 调整声程至其余间距并在每个声程下测量期望频率范围内透射谱(可选)。f) 通过计算20倍的透射值对数将所有透射值转换至对数坐标中。g) 彻底地清空和清洁样品池并重复系统检查测试(推荐。4.4.2.2 衰减谱的确定4.4.2.2. 1 二间距法通过将短间距处测得信号的对数值减去长间距处测得信号的对数值后再除以二者的声程差(cm), 计算每个频率的衰减系数。类似地，衰减系数还可通过短间距处信号值与长间距处信号值之间比值的常用对数除以声程差获得。如果波束扩散要考虑，根据4.3. 6中描述，结果应减去相当于此二间距下20倍背景信
27、号比值的对数除以声程差的值。4.4.2.2.2 多间距法对于每个频率，计算作为声程(cm)函数的透射信号对数值的线性回归，回归的斜率被定义为衰减，单位dB/cmo如果考虑披的扩散，根据4.3.6中描述，线性回归中采用的透射值应该通过在这些间距上读取背景信号来提高。4.4.3 固定声程系统的测量4.4.3. 1 避射数据的收集测量包括以下步骤zd 把分散的样品放入样品池。必须用样品完全覆盖传感器表面。对于实验室中的应用，建议擦拭换能器表面以除去所有气泡。b) 确保池内样品的充分循环(如果必要)。c) 通过计算20倍的透射值对数将所有透射值转换至对数坐标中。d) 彻底地清空和清洁样品池并重复系统检
28、查测试(推荐)。7 GB/T 29023.1-2012月SO20998.1 :2006 4.4.3.2 衰减谱的确定用20乘以背景信号的对数值减去透射信号的对数值之差，再除以声程差(cm)计算每个频率的衰减系数。类似地，衰减系数还可通过背景信号与透射信号比值的常用对数除以声程获得。根据4.3.6中波的扩散的讨论，这个值略高于实际值。采用固定声程会由于换能器灵敏度的改变造成数据的偏差。因此推荐定期检查背景信号。4.5 衰威数据的解释4.5. 1 衰威谱衰减谱是对超声波与分散系相互作用的基本测量。不同的超声技术对于一种给定的分散良好的样品是相当的，给出相同衰减谱。在低浓度时，在任意频率下衰减随固体
29、颗粒浓度呈线性的变化。在一些应用中，观察到衰减谱变化就能为一种样品或过程提供足够的信息E其他应用需要颗粒粒径分布的定量信息，此信息必须由衰减谱中提取出。4.5.2 颗粒粒径分布(可选)颗粒粒径分布可以根据理论模型分析声衰减谱算得。该模型可以是经验性的或基于第一性原理建立的。在附录C中介绍了如何使用理论模型从衰减谱中计算出颗粒粒径分布。还没有一个模型能够单独适合于所有的应用场合，但是在同一应用中可以使用不止一个模型求解。5 结果报告5. 1 实验室测试报告报告应包括:8 一-GBjT29023. 1-2012; 测量装置名称:测量日期;-报告证明z一一操作员编号;一一使用的仪器型号;一一测量方法
30、z一二测量样品编号z一一声程z一一操作的频率范围;一一悬浮用液及温度、密度和蒙古度z分散质及浓度、密度和薪度(如果是液体); 一一分散剂和用量z一一悬浮液的分散方法，包括分散时间z一一影响结果的其他因素z一一衰减谱F一一-颗粒粒径分布(ParticleSize Distribution，PSD)。如果计算了颗粒粒径分布，报告应包括模型拟合和观测值符合程度的内容。还应包括计算中用到的所有材料性质参数值(可选。 , GB/T 29023. 1-20 12/ISO 20998. 1 : 2006 5.2 在钱测量与控制应用结果对于在线测量和控制应用，一份独立的报告是不够的。测量系统应为控制系统或操作
31、员提供下列输出z一一一个或多个频率的衰减系数值(dB/cm); 一一中位径(微米)(可选); 一一粒径分布宽度(微米)(可选); 一一测量所得固体相浓度(可选)。9 GB/T 29023.1-2012/ISO 20998.1 :2006 A.1 概述附录A(资料性附录技术为了测量超声衰减谱，需要发射超声波至样品中并测量透射波。超声换能器通常用于发射和探测压缩超声波，可将电信号转换为压力脉动，反之亦然。获得期望的超声谱信息有多种方式，一般地，可以按照激励波方式、声程改变与否和测量方案的差异来划分。虽然这些技术能够提供等同的测量，但实用中，对于特定应用选择某一技术比之其他技术可能更适合。A.2激励
32、A. 2.1 连续波(频率不变声程变，变程干涉仪原理)连续波激励方式用于窄带单一频率)换能器。射频振荡器的输出产生固定频率信号，作用在超声换能器上。信号是固定幅值且作用的时间周期足够长，这样持续时间可认为是无限的。产生的声信号在样品中传播，被样品池对面反射板反射;所以信号能重复地在样品池两端再反射。经历足够长的时间后，透射波信号达到稳定值。样品池的长度决定了反射波的相对相位，从而产生了不同程度的相长干涉和相消干涉。接收信号循环地随着距离而变化，在波长整数倍距离上产生最大值。为了在接收换能器，可能也是发射换能器上获得最大信号值，必须调整声程。见图A.1.Y 说明zX一一声程，单位为毫米(mm);
33、Y一一幅值。固A.1连续波激励的相长干涉和相消干涉10 X A.2.2 频率扫描(声程不变，频率变，定程干涉仪原理A. 2. 2.1 连续(模拟频率扫描GB/T 29023.1-2012月SO20998.1 : 2006 使用慢斜波调制电压控制射频正弦披振荡器，从而产生频率随时间线性递增的射频信号。该信号作用在发射超声换能器上。超声波在经过样品后被接收换能器接收，可以使用相敏探测器解调信号。探测器输出包含了透射信号和人射(发射)信号比值的幅值和相位信息。样品中的反射导致相长干涉和相消干涉，所以谱具有在谐频率上的一系列峰值的特征。这些峰的幅值能给出样品透射谱信息。A.2.2.2 离散(数字)频率
34、扫描(混合型干涉仪)频率扫描是一种伪连续波方法。为了得到样品声场中非常接近稳定状态的条件，每个频率上需要足够长的持续时间，在此时间段测量声波的幅值和相位，如图A.2所示。说明zX一一时间sY一一透射频率E10一一起始频率z11一一停止频率za一一频率步距zb一一操作时间zc一一扫频时间.Y J; X c 固A.2离散频率扫描在一定频段范围，频率连续递进，每次操作时间结束前记录幅值和相位。在扫频结束之后，组合每个频率的信息合成频谱。利用傅里叶反变换可以将频谱转换到时域。时域中的幅值响应包含了一系列的尖峰，每个尖峰表示样品中的一个回波，见图A.3.由于第一个峰值表示了直接穿透信号，所以对时域信号取
35、门限隔离第一个峰值。门限时间之外的数据可以忽略不计z采用快速傅里叶变换可以确定第一个峰的频谱。11 GB/T 29023.1-20 12/ISO 20998.1 : 2006 说明zX一一一时间zY一一时域响应sto 起始时间stl一-结束时间;t.一一第一次到达时间sa一一搜寻框。A.2.3 猝发声Y t、t a 1 | a I X 固A.3谱的时域表示用以隔离直接透射信号猝发声的方法建立在离散频率扫描之上，取门限后的连续射频信号可以产生一个短的脉冲群。所取的门限控制输出信号包络线及谱成分。典型地，在每个频率(11，12，1.)上的应用时间至少要等于最低待测频率的五个周期，见图A.4。每次猝
36、发声必须少于样品的传播时间以防止与反射信号叠加。说明za一一-脉神幅值zb一一脉冲时间pc一一-重复时间。c 图A.4猝发声激励方法基频的猝发声信号必须由具有足够带宽的接收器接收。测量猝发声的幅值和相移。在一段频率范围内连续应用可以建立完整谱信息。GB/T 29023. 1-2012月SO20998. 1 : 2006 A.2.4脉冲脉冲方法运用持续时间非常短(典型的，10-8S 10-6 s)的电压信号，在一个宽的频带范围内激励宽带换能器。换能器输出一个高阻尼的正弦声信号。声信号的带宽与激励脉冲的宽度成反比。声脉冲在样品中传播后到达接收换能器。原始脉冲的回波在换能器表面和具有不连续声学阻抗的
37、界面之间(例如缓冲线反射得到。见图A.5。图A.5典型宽带脉冲的时间幅值图高速棋数转换器可以黯接收信号采样。处理采样信号可以确定原始脉冲的到达时间，随后的脉冲回波可以被忽略。利用快速傅里叶变换或者相似的算法可以将时域数据转换至频谱。对多个脉冲信号数据进行平均可以提高信噪比。初始电脉冲信号的重复率必须足够低以便提供足够回被耗散的时间。A.3 声程A. 3.1 固定声程声谱仪对于换能器间隔在测量持续时间内保持固定的声谱计，声程的精确数值对确定绝对衰减系数是非常必要的。最便捷的方法是测量声脉冲的传播时间。固有时间延迟，比如与延迟线相关的时间，应该从观测的传播时间中减去。样品应该作温度控制和易于作声速
38、表征。典型的，可以使用25c的除气蒸馆水。声程可以通过传播时间乘以已知的样品声速计算。A.3.2 变声程声谱计可移动换能器的声谱计在初始声程作第一次测量，然后移动换能器至一个距离已知的位置，在最终的声程作第二次测量。利用透射信号之差除以声程差确定衰减系数。此方法的一个变化是在一系列的换能器间距下测量透射波信号，计算其披形图的斜率。A.4 模式A. 4.1 锺射透射模式使用不同的发射和接收换能器。信号发射模块与发射换能器连接，有时需通过功率放大器。接收换能器与测量系统连接，通常使用前置放大器。换能器的对中相当重要。如果声波不共线，将会产生相消干涉现象。见图A.6。13 GB/T 29023.1-
39、2012月SO20998.1 : 2006 说明z1一一信号发生器p2 换能器z3一一样品54一一延迟线z5一一探测器zd一一间隔。A.4.2 脉冲回波3 d 图A.6适射模式信号采集5 在单边或称脉冲回波模式中，同一个换能器兼顾发射和接收功能。绝大多数条件下，这种模式最常采用脉冲波激励。如果峰值电压超过约10V，那么必须屏蔽激励脉冲以保护接收换能器。宽带射频定向藕合器可实现此功能。见图A.7。说明21一一信号发生器$2一一接收器s3一一换能器$4一一延迟线55一一样品s6一一反射器sd一一间隔.14 5 6 d 2 圈A.7脉冲回波模式信号采集附录B(资料性附录应用举例GB/T 29023.
40、 1-20 12/ISO 20998. 1 : 2006 超声衰减谱方法被用来测量固体颗粒、结晶体、液滴的尺寸大小。表B.1列出了一些应用实例。这些例子表明对一些物质已经进行了成功测量。表B.1并未指出上述应用的局限性，也并非意味着赞同将这些样品作为参比材料。测量过程的详细介绍可见参考文献。表B.1 超声凿酒量颗粒系尺寸例子材料中位径/皿浓度(体积)/%参考文献Alz03浆料0.3 10 17J TiOz分散系0.1-0.3 5 18J19J TiOz浆料0.3 42 13J20J 尿素晶体10-900 6 21J 一二一一一一向日葵油乳!0.510 30 22J 15 GB/T 29023.
41、1-2012月SO20998. 1 : 2006 C.1 理论模型(正问题附录C(资料性附录)衰减谱反演理论模型用于预测样品中依赖频率变化的超声衰减，它是浆料中物性参数(已知)和颗粒粒径分布的函数。预测一种已知颗粒粒径分布样品的声衰减称作正问题。一旦合适的理论确定意即预测得到实验验证)，则问题可做反演(反运算)，以使得所测超声衰减谱可用于颗粒粒径分布预测。反演问题在C.2中讨论。一个广泛接受的理论模型是Epstein-Carhart-Allegra-Hawley(ECAH)理论，它是基于稀释悬浮液或气溶胶中纵波，剪切波和热波的波动和散射建立的11，12。该模型是线性的(即，单散射模型)，因此不
42、能正确预测高浓度浆料中的声学特性尽管能很好地对许多乳剂作出预测)。本质上，ECAH模型考虑一个平面压缩波人射到一个球体颗粒);产生的压缩波，剪切波和热波可由3个具有各自复波数的波动方程描述。这些波在流体和颗粒中具有不同的波函数，可以按照分波形式展开。展开过程中在球体表面应用边界条件并利用基函数的正交性，获得一组具有6个未知数的6个藕合方程，每一项均为分波展开形式。除了颗粒粒径外，通用ECAH模型使用16个物性参数(液体和颗粒各8个)，其中很多是随温度变化的。这些物性参数是声速，密度，剪切蒙古度，热导率，热容，比热比，声本征吸收和热膨胀系数。幸运的是，大部分的真实体系都不需要这样完整的输入参数。
43、例如，尺寸小于1微米的刚性颗粒如硅、铝、金红石、其他氧化物、颜料等只需密度参数即可被表征，因为热物性变化不会明显影响衰减。许多乳剂，微乳液和晶格中声衰减与秸度和密度元关。其他简化还可以用在一些特定例子中。尽管此处是以ECAH理论为例，但对于特定的应用可能需要其他模型，尤其是在高浓度浆料的情形，此时颗粒相互作用变得重要16-18。颗粒相互作用是否重要的体积浓度值的界定取决于具体应用，但在所有情况下当衰减谱不再是体权浓度的线性画数时它就会发生。如果不能获得一个合适的理论模型，经验观察可以用以建立颗粒粒径和声衰减谱之间的近似关系。但对这种启发式方法的使用应谨慎，因为它可能导致颗粒粒径预测中的明显不确
44、定性。C.2 颗粒粒径分布的重建(反演问题)反演问题通过观测衰减数据估计模型参数(例如颗粒粒径);在模型参数已知同时衰减可以预测时它参证了正问题。对于稀释悬浮液，颗粒间相互作用可以忽略。此时，声谱由个体、不相关事件的叠加形成，问题是线性的。在此情况下，模型、颗控和衰减谱之间的联系可以按照线性代数关系表示。不过，直接的线性反演通常产生非物理解(例如，负的尺寸份额。该反演问题是一类常见的病态问题，解非唯一。通常衰减数据中小量的测量噪声就会导致解的数值不稳定。即使数据被完全准确的测量，也不能传递足够的信息。在此情况下，观察衰减谱的频率范围应精心选择。一种稳健的超声数据反演方法是采用迭代法(例如最小二
45、乘拟合)来最小化计算衰减谱基于特定模型和预估颗粒粒径分布和测量衰减谱之差。此方法即使在存在噪声或数据不完整情况仍可能给出合理的结果。消除噪声干扰的另一种改进是假设特定的颗粒粒径分布来加强单个尺寸份额之间的联系。许多颗粒系可以被描述为对数正态分布，但其他函数也可以使用。颗粒粒径分布函数的采用可以大大的降低待定变量的个数z对于单个对数正态分布的情况，需要确定的变量仅有浓度、中位径和分布宽度。16 GB/T 29023. 1-20 12/ISO 20998.1 :2006 一个简单的超声数据反演算法包含如下步骤za) 设定模型变量的初始猜想值3b) 按照假设分布函数计算颗粒粒径分布zc) 对此颗粒粒
46、径分布按模型计算估计谱;d) 比较计算和观测谱，作收敛判断Fe) 如果未收敛，更新估计模型参数并转至步骤b)。声谱数据的偏差将带人此反演过程，并在一些测量中影响颗粒粒径分布的估计值。可能的偏差源包括z一一颗粒分散不充分F一一温度变化z一一换能器对中不当z一一对本征响应的估计错误。应注意避免上述或其他不确定性来源，因为它们直接影响最终解的可靠性。偏差同样可能源自反演中的数学处理或采用了不恰当的物理模型。ISO 20998-2中给出了通过衰减谱求解颗粒粒径的明确的示例。17 G/T 29023.1-20 12/ISO 20998.1 : 2006 参考文献lJ SO 9276-1: 1998 Re
47、presentation of results of particle size analysis Part 1: Graphical rep resentation and Technical corrigendum Cor. 1 :2004 2J ISO 14488 Particulate materials-Sampling and sample splitting for the determination of particulate properties 3J GB/T 20099 样品制备粉末在液体中的分散方法(GB/T20099-2006 ,ISO 14887 :2000, I
48、DT) 4J ISO 14887 Sample preparation-Dispersing procedures for powders in liquids 5J ISO 20998亿Measurementand characterization of particles by acoustic methods-Part 2: Guidelines for linear theory 6J IEC 62127-1 Ultrasonics-Hydrophones-Part 1: Measurement and characterization of medical ultrasonic fi
49、elds up to 40 MHz using hydrophones 7J DUKHIN, A. S. and GOETZ, P. J. Ultrasound for Characterizing Colloids. Particle Sizing. Zeta Potential, Rhelogy, Elsevier (2002) 8 J POVEY, M. J. W. . Ultrasonic Techniques for Fl山dCharacterization,Academic Press (1997) 9J McCLEMENTS, D. J. Ultrasonic Characterization of Emulsions and Suspensions. Adv. Colloid Int. Sci. ,3
