CN102279044A - 超声声场测量中水听器自动准直方法 - Google Patents

超声声场测量中水听器自动准直方法 Download PDF

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徐春广
肖定国
孔涛
周世圆
郝娟
赵新玉
潘勤学
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Abstract

本发明提供的是一种在超声换能器声场测量中水听器与声轴自动准直的方法。在利用水听器测量换能器的轴向声压时，需要对水听器和换能器轴向进行准直，使换能器几何轴线与水听器接收方向轴线重合，通常都是采用手工调整，目测信号准直的方法。本发明依据近换能器表面水听器接收到的边缘波对径向离轴位置非常敏感，可以通过该边缘波的幅值实现声轴的精确对准，并结合相应的控制***及准直判据可以实现水听器与声轴的自动准直。

Description

超声声场测量中水听器自动准直方法
一、技术领域
本发明提供的是一种在超声换能器声场测量中水听器与声轴自动准直的方法。依据近换能器表面水听器接收到的边缘波对径向离轴位置非常敏感，通过边缘波的幅值判据并结合相应的控制***可以实现水听器与声轴的自动精确准直。
二、技术背景
在用水听器测量换能器声场过程中，水听器置于被测换能器前，其接收指向性需和换能器声束轴向准直，这个过程在几乎所有换能器声场测量标准里均以“使水听器轴向与换能器轴向处于一条直线上”简单概括，实际上这个调整过程一般是手工进行的，其准直原则也是使得水听器接收信号最强。这个过程既费时费力又不容易准确，对于较宽的声束，水听器在偏离声轴很小距离时，其波形幅值与声束轴线上幅值相比变化并不大，不容易通过视觉判定该信号是否为“最强”信号，往往给测量带来不小的误差。
三、发明内容
本发明的目的是为了克服在水听器测量超声换能器声场时，水听器与声轴对准方法存在的不足，而提供一种基于换能器近场边缘波峰值的水听器准直方法，为换能器声场的精确测量提供了理论支持。
本发明的目的是这样实现的：从理论上分析，以圆形换能器为例，通常分析其脉冲声场时，都引入平面波和边缘波的概念。平面波是视超声换能器辐射面为无限大时所产生的声波，而边缘波是由实际超声换能器辐射面的有限性所引起，二者在时间上分开，分开的时间间隔视测量点位置而定，并且二者符号相反。在正对辐射面的柱形区内，首先到达测量点的是平面波，此后才是边缘波，而辐射面前柱形区域外则只有边缘波存在。在换能器的远场，这两种波在时域上相互叠加无法区分，但是在换能器近场，平面波与边缘波可以完全分离。边缘波只有在换能器声束轴线上时幅值最大，而且对离轴位置非常敏感。所以可以通过该边缘波的幅值并结合相应的控制***实现声轴的精确对准。
四、附图说明
图1是换能器空间坐标；
图2是计算得到的轴线上不同距离处换能器辐射声压时域波形；
图3是计算得到的距离换能器表面5mm处不同离轴距离上的时域波形；
图4是0.2mm水听器实验测量的不同离轴距离上的时域波形；
图5是水听器自动准直过程控制流程；
五、具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：
结合图1，所示为本发明中的空间坐标设置，以被测换能器的孔径中心为原点，与换能器表面垂直且指向声束发射方向的为Z轴；
结合图2，所示为计算得到的轴线上不同距离处换能器辐射声压时域波形。其中(a)图中第一波群为直达波，第二波群为边缘波。从(b)图可以看出距离换能器表面较远时这两种波在时域上相互叠加无法区分，但是在换能器近场，平面波与边缘波可以完全分离。
结合图3，当场点位于声束轴线上(x＝0mm)时，边缘波幅值与平面直达波幅值差距不大，但随着离轴距离的不断扩大边缘波迅速衰减，当离轴距离0.3mm时边缘波已经衰减为轴线上时的10％左右。可见边缘波只有在换能器声束轴线上时幅值最大，但此时的平面直达波的幅值变换不大，也就是说，相对于平面波，边缘波对于离轴位置更加敏感。这正是该自动准直法的理论基础。
结合图4，为了验证该方法的可行性，给出了水听器的实验测量结果，测量结果与理论分析完全一致，近换能器表面水听器接收到的边缘波对径向离轴位置非常敏感，可以通过该边缘波的幅值实现声轴的精确对准。利用该原理便可以实现水听器的自动准直，当然还需要硬件和软件上的设置，对于运动控制算法可以通过软件程序模块实现。
结合图5，准直过程的控制流程分为粗略扫描和精确扫描两个步骤，粗略扫描的目的是快速定位声轴的大***置，然后设置较小的扫描步距进行精细扫描。在精细扫描过程中无需进行二维扫描，只需要在换能器的两个径向垂直轴上进行扫查即可，例如X轴和Y轴。精确扫描过程需要实时进行波形特征值的计算，跟踪第二波群(边缘波)幅值的变换情况，找出两个扫描轴上边缘波的峰值位置，该位置即是声轴的真正中心。

Claims (5)

1.一种在超声换能器声场测量中水听器与声轴自动准直的方法。其特征在于：依据近换能器表面水听器接收到的边缘波对径向离轴位置非常敏感，通过边缘波的幅值判据并结合相应的控制***可以实现水听器与声轴的自动精确准直。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在换能器的远场，这两种波在时域上相互叠加无法区分，但是在换能器近场，平面波与边缘波可以完全分离。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：边缘波只有在换能器声束轴线上时幅值最大，但此时的平面直达波的幅值变换不大，边缘波对于离轴位置更加敏感。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：通过边缘波的幅值变化并结合相应的控制***实现声轴的精确对准，对于运动控制算法可以通过控制流程实现。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：控制流程分为粗略扫描和精确扫描两个步骤，粗略扫描的目的是快速定位声轴的大***置，然后设置较小的扫描步距进行精细扫描。
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