CN104359972A - 检测物体物理属性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种检测物体物理属性的方法和装置，其中方法为：发射固定频率、固定幅度的超声波和低频声波的复合声波至目标物体；接收超声波的反射波；对比超声波的发射波和反射波的相位变化和幅度变化，由此分析目标物体的物理属性。所述装置包括控制器、分析器、超声波接收器、低频声波发生器和超声波发生器；所述控制器连接超声波发生器和低频声波发生器，并控制超声波发生器和低频声波发生器的发射；所述超声波接收器连接分析器，并接收超声波的反射波，将反射波转化为电信号发送至分析器，分析器对比超声波的发射波和反射波的相位变化和幅度变化，分析目标物体的物理性属性。本发明方法简单，计算量小，结果准确，而装置，结构简单，价格便宜。

Description

检测物体物理属性的方法和装置

技术领域

本发明涉及到超声波应用领域，特别是涉及到检测物体物理属性的方法和装置。  

背景技术

超声波传输过程中遇到界面会发生反射和折射，反射波的强弱与界面的密度、硬度等物理属性密切相关，可以通过一定的方法如多普勒效应对超声波的发射波和反射波进行分析，从而得到界面物体的物理属性。现有技术中，如果声源与目标物体相对静止，那么根据超声波的反射波很难定量分析目标物体的弹性等物理属性，而利用多普勒效应也仅仅限于目标运动速度的分析，很难用于目标物的弹性等物理属性的定量分析，并且设备价格高昂。  

发明内容

本发明的主要目的为提供一种通过超声波快速、简单测量目标物物理属性的方法和装置。 

为了实现上述发明目的，本发明实施例中，首先提出一种检测物体物理属性的方法，包括步骤： 

发射固定频率、固定幅度的超声波和低频声波的复合声波至目标物体；

接收超声波的反射波；

对比超声波在叠加于低频波不同相位反射波的相位变化和幅度变化，分析目标物体的物理属性。

进一步地，所述发射固定频率、固定幅度的超声波和低频声波的复合声波至目标物体的实现方式包括： 

通过将超声波发生器附着在低频声波发生器上进行超声波发射。

进一步地，所述超声波的频率为1兆赫兹到50兆赫兹；所述低频声波的频率为10赫兹到10000赫兹。 

进一步地，所述复合声波的发源地至目标物体的距离为：2毫米至200毫米。 

进一步地，所述发射固定频率、固定幅度的超声波和低频声波的复合声波至目标物体的步骤包括： 

以脉冲的形式发射固定频率、固定幅度的超声波，在测试期间以连续的方式发送固定频率和幅度的低频声波。

 本发明实施例中，还提供一种检测物体物理属性的装置，包括控制器、分析器、超声波接收器、低频声波发生器和超声波发生器； 

所述控制器连接超声波发生器和低频声波发生器，并控制超声波发生器和低频声波发生器的发射固定频率、固定幅度的超声波和低频声波的形成复合声波至目标物体；

所述超声波接收器连接分析器，并接收超声波的反射波，将反射波转化为电信号发送至分析器，分析器对比叠加在低频声波不同相位所发出超声波的反射波的相位变化和幅度变化，分析目标物体的物理性属性。

进一步地，所述超声波发生器附着于低频声波发生器，并且发射端朝向相同； 

所述超声波发生器的发射端位于低频声波发生器的前方，或者位于低频声波发生器的侧方。

进一步地，所述超声波发射器为压电薄膜传感器或压电陶瓷传感器。 

进一步地，所述低频声波发生器为压电陶瓷扬声器。 

进一步地，所述低频声波发生器发射声波的频率为10赫兹到10000赫兹；所述超声波发生器发射超声波的频率为1兆赫兹到50兆赫兹。 

进一步地，所述控制器控制超声波发生器以脉冲的形式发射固定频率、固定幅度的超声波，以连续的方式在测试期间发送固定频率和幅度的低频声波。 

进一步地，所述超声波发生器至目标物体的距离为2毫米至200毫米。 

 本发明的检测物体物理属性的方法，通过低频声波对目标物体进行挤压和拉扯，而超声波在被挤压和拉扯的目标物体上发生反射后，反射波会因为这种挤压和拉扯形成相位变化，而且超声波的发射波幅度也会因为这种挤压与拉扯产生幅度变化，根据所述的相位变化和幅度变化，就可以非直接接触地定量的分析目标物体的硬度、弹性等物理属性，方法简单，计算量相对于现有算法更简单，结果更加的准确；而且这种检测物体物理属性的装置结构简单，价格便宜。  

附图说明

图1 是本发明检测物体物理属性的方法的流程框图； 

图2 是本发明检测物体物理属性的装置的结构示意图；

图3 是本发明检测物体物理属性的装置的压电薄膜传感器与压电陶瓷扬声器的组合结构示意图。

 本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。  

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，本发明实施例提供一种检测物体物理属性的方法，包括步骤： 

S1、发射固定频率、固定幅度的超声波和低频声波的复合声波至目标物体；所述的复合声波为超声波和低频声波的混合波，低频声波在目标物体中传播的时候，会对目标物体的组织形成挤压和拉扯，从而使得超声波在目标物体上的反射波因为这种挤压与拉扯产生相位和幅度变化。发射固定频率的超声波和低频声波，低频声波挤压和拉扯目标物体的频率固定，使超声波的反射波呈现周期性改变，方便分析超声波的反射波的相位与幅度变化。在本实施例中，超声波的发射一般使用超声波发生器发射，而低频声波使用电致伸缩器发射，而在这一具体实施例中，将超声波发生器附着在电致伸缩器上，得到方向和声源位置相同的复合声波，而且可以减小发射超声波和低频声波设备的体积。为了后期定量分析时的简单，通常超声波的幅度和低频声波的幅度的比值是一个常数；

S2、接收超声波的反射波；

S3、对比超声波在叠加的低频声波不同相位反射波的相位变化和幅度变化，分析目标物体的物理属性。因为超声波的发射频率为固定频率和固定幅度，那么，根据目标物体在低频声波的挤压和拉扯下形成反射波，反射波的相位会随低频声波产生周期性的变化；反射的超声波也会由于这种低频的挤压与拉扯产生周期性的幅度的变化，那么根据测量到的相位变化和幅度变化，就可以对目标物体的一些物理属性进行定量的分析，得到目标物体的硬度、弹性等分析结果。即目标物体由于低频声波的影响会出现对超声波形成低频正声压的反射和低频负声压下的反射以及无声压下的反射，三种不同的反射情况根据低频声波的频率重复出现，超声波的反射波的幅度变化和相位变化与目标物体的物理属性密切相关，进而通过特定的算法可以得到目标物的物理特性进行量化。比如在分析过程中，可以以低频声波零相位时的超声波的反射波信号作为基准，对低频声波的正声压波峰时超声波的反射波的幅度和相位跟低频声波的负声压波谷时超声波的反射波的幅度和相位进行比较，可以定量分析目标物的弹性，即超声波的反射波的幅度变化与目标物体的弹性成正相关，超声波的反射波和发射波的相位变化与目标物体的弹性成负相关。

本实施例的检测物体物理属性的方法，通过低频声波对目标物体进行挤压和拉扯，而超声波在被挤压和拉扯的目标物体上发生反射后，反射波会因此形成相位变化，而且超声波的发射波幅度也会因此形成幅度变化，根据所述的相位变化和幅度变化，就可以定量的分析目标物体的硬度、弹性等物理属性，方法简单，计算量相对于现有算法更简单，结果更加的准确。 

本发明实施例中，上述超声波的频率为1兆赫兹到50兆赫兹；上述低频声波的频率为10赫兹到10000赫兹；上述复合声波的发源地至目标物体的距离为：2毫米至200毫米。超声波的频率、低频声波的频率和复合声波的发源地至目标物体的距离可以根据测量不同的目标物而对应的频率和距离等。 

在一具体实施例中，对人体的肝脏进行检测，选择超声波发生器附着在电致伸缩器（一种低频声波发生器）上的形式发射复合声波，因为肝脏位于人体的内部较深位置，所以选择可以透射到肝脏位置的频率的超声波，应当注意的是，如果频率过高可能会传递不到肝脏，如果频率太低，大部分全部透射过肝脏，使得反射波太少，所以本实施例中选择超声波的频率为3.5兆赫兹，低频声波的频率为500赫兹，而声源位于肝脏的距离约为100毫米，超声波与低频声波的幅度比为常数。超声波发生器发射频率为3.5兆赫兹的超声波至肝脏，电致伸缩器震动发射频率为500赫兹的低频声波至肝脏，500赫兹的低频声波对肝脏接收到声波的部位进行有规律的挤压和拉扯，使频率为3.5兆赫兹的超声波在经过肝脏的挤压和拉扯部位反射，超声波的反射波与发射波的对比产生相位变化和幅度变化，通过指定的算法进行定量分析肝脏被测位置的硬度，从而判断肝脏是否存在肝硬化的病变等。 

在另一具体实施例中，对人体颈动脉进行检测，选择超声波发生器附着在电致伸缩器上的形式发射复合声波，因为颈动脉位于人体的浅表部位，所以选择可以透射到颈动脉位置的频率的超声波即可，所以选择超声波的频率为10.0兆赫兹，低频声波的频率为500赫兹。500赫兹的低频声波对颈动脉接收到声波的部位进行有规律的挤压和拉扯，使频率为10.0兆赫兹的超声波在经过颈动脉的挤压和拉扯部位反射，经过滤波等处理后，超声波的反射波由于500赫兹低频声波对颈动脉的影响而产生相位变化和幅度变化，通过指定的算法进行定量分析颈动脉被测位置的硬度，从而判断颈动脉是否存在硬化的病变等，当然，也可以依据校准后的硬度推导出颈动脉表面张力的变化，从而连续测量颈动脉的血压等。 

本发明在一实施例中，以脉冲的形式发射固定频率、固定幅度的超声波，同时以连续波的方式发送固定频率和幅度的低频声波。发射超声波的设备可以作为接收超声波的设备存在，大大简化了***本身，也降低了检测设备的成本。比如在一具体实施例中，发射超声波和接收超声波的反射波的设备均为同一个压电薄膜，而发射低频声波的设备为压电陶瓷片，成本低，性能稳定。如果发射超声波和接收超声波的反射波的设备为同一设备时，需要注意发射超声波和接收超声波的时间间隔，防止在接收超声波的反射波的时候超声波的发射波还在发射而相互影响，影响检测的结果。 

 参照图2，本发明实施例,还提供一种检测物体物理属性的装置，包括控制器30、分析器40、超声波接收器50、低频声波发生器20和超声波发生器10；所述控制器30连接超声波发生器10和低频声波发生器20，并控制超声波发生器10和低频声波发生器20的发射复合声波；所述超声波接收器50连接分析器40，并接收超声波的反射波，将超声波的反射波转化为电信号发送至分析器40，分析器40对比叠加在低频声波不同相位所发出超声波的反射波的相位变化和幅度变化，分析目标物体的物理性属性，在分析器40中还会进行滤波等处理，将无关的杂波过滤掉。 

在一实施例中，上述控制器30控制超声波发生器10和低频声波发生器20的发射固定频率、固定幅度的超声波和低频声波的复合声波至目标物体；低频声波在目标物体中传播的时候，会对目标物体的组织形成挤压和拉扯，从而使得超声波在目标物体上的反射波产生相位变化。发射固定幅度的超声波和低频声波 ，低频声波挤压和拉扯目标物体的施力相同，使目标物的变形存在规律，从而使超声波的反射波呈现规律变化。在本实施例中，低频声波使用电致伸缩器发射，而在一具体实施例中，将超声波发生器10附着在电致伸缩器上，得到方向和声源位置相同的复合声波，而且可以减小发射超声波和低频声波设备的体积。为了后期定量分析时的简单，通常超声波的幅度和低频声波的幅度的比值是一个常数。所述超声波接收器50连接分析器40，并接收超声波的反射波，将反射波转化为电信号发送至分析器40，分析器40对比超声波的反射波的相位变化和幅度变化，分析目标物体的物理性属性，因为超声波的发射频率为固定频率和固定幅度，那么超声波的发射波根据目标物体在低频声波的挤压和拉扯下形成反射波，反射波的相位会因为这种挤压与拉扯产生相位变化；发射波的幅度也会因为这种挤压与拉扯产生幅度变化，那么根据测量到的相位变化和幅度变化，就可以对目标物体进行定量的分析，得到目标物体的硬度、弹性等物理属性。即目标物体由于低频声波的影响会出现对超声波形成低频正声压的反射和低频负声压下的反射以及无声压下的反射，三种不同的反射情况根据低频声波的频率重复出现，超声波的反射波的幅度变化和相位变化与目标物体的物理属性密切相关，进而通过指定的算法可以得到目标的物理属性。比如在分析过程中，可以以低频声波0相位时的超声波的反射波信号作为基准，对低频声波的正声压波峰时超声波的反射波的幅度和相位跟低频声波的负声压波谷时超声波的反射波的幅度和相位进行比较，可以定量分析目标物的弹性，即超声波的发射波和反射波的幅度差与目标物体的弹性成正相关，超声波的反射波和发射波的相位差与目标物体的弹性成负相关。 

本发明一实施例中，上述超声波发生器10附着于低频声波发生器20，并且发射端朝向相同；所述超声波发生器10的发射端位于低频声波发生器20的前方，或者位于低频声波发生器20的侧方。也就是说，没有障碍物遮挡超声波发生器10的发射方向，否者会影响超声波的发射，影响最终的检测结果。本发明一实施例中，上述超声波发射器为压电薄膜传感器，不同的压电薄膜传感器可以产生不同频段的超声波；上述低频声波发生器20为压电陶瓷片21，也可以是动圈扬声器等低频振动部件。在一具体实施例中，压电薄膜附着于压电陶瓷片的震动部件上，通过不同的激励，就可以得到超声波和低频声波的复合声波，结构简单，生产成本低廉，发射声波的频率和幅度稳定，可方便地获取最终检查的结果。如图3所示，低频声波发生器20为压电陶瓷扬声器21，压电陶瓷扬声器21安装在金属片22上，而超声波发生器为压电薄膜传感器11，压电薄膜传感器11覆盖安装在压电陶瓷扬声器21的外表面上，在使用的时候，同时激励压电陶瓷扬声器21和压电薄膜传感器11，得到复合声波；本实施例中，所述的压电薄膜传感器11可以替换为压电陶瓷传感器。 

本发明一实施例中，上述低频声波发生器20发射声波的频率为10赫兹到10000赫兹；所述超声波发生器10发射超声波的频率为1兆赫兹到50兆赫兹。超声波的频率、低频声波的频率和复合声波的发源地至目标物体的距离可以根据测量不同的目标物而对应的频率和距离等，通常超声波发生器至目标物体的距离为2毫米至200毫米。 

在一具体实施例中，对人体的肝脏进行检测，选择压电薄膜11附着与压电陶瓷片21的震动部件上发射复合声波，因为肝脏位于人体的内部较深位置，所以选择可以透射到肝脏位置的频率的超声波，应当注意的是，如果频率过高可能会传递不到肝脏，如果频率太低，大部分全部透射过肝脏，使得反射波太少，所以本实施例中选择超声波的频率为3.5兆赫兹，低频声波的频率为500赫兹，而声源位于肝脏的距离约为100毫米，一般为紧贴人体皮肤，超声波与低频声波的幅度比为常数。压电薄膜11发射频率为3.5兆赫兹的超声波至肝脏，压电陶瓷片发射频率为500赫兹的低频声波至肝脏，500赫兹的低频声波对肝脏接收到声波的部位进行有规律的挤压和拉扯，使频率为3.5兆赫兹的超声波在经过肝脏的挤压和拉扯部位反射，超声波的反射波与发射波的对比产生相位变化和幅度变化，通过指定的算法进行定量分析肝脏被测位置的硬度，从而判断肝脏是否存在肝硬化的病变等。 

在另一具体实施例中，对人体颈动脉进行检测，选择压电薄膜附着与压电陶瓷片的震动部件上发射复合声波，因为颈动脉位于人体的浅表部位，所以选择可以透射到颈动脉位置的频率的超声波即可，所以选择超声波的频率为10.0兆赫兹，低频声波的频率为500赫兹。500赫兹的低频声波对颈动脉接收到声波的部位进行有规律的挤压和拉扯，使频率为10.0兆赫兹的超声波在经过颈动脉的挤压和拉扯部位反射，经过滤波等处理后，超声波的反射波由于500赫兹低频声波对颈动脉的影响而产生相位变化和幅度变化，通过指定的算法进行定量分析颈动脉被测位置的硬度，从而判断颈动脉是否存在硬化的病变等，当然，也可以依据校准后的硬度推导出颈动脉表面张力的变化，从而连续测量颈动脉的血压等。 

本发明一实施例中，所述控制器30控制低频声波发生器20和超声波发生器10以脉冲的形式发射固定频率、固定幅度的超声波和低频声波，发射超声波的设备可以作为接收超声波的设备存在，大大简化了***本身，即所述超声波发生器10与超声波接收器50一体设计，进一步的节约检测设备的生产成本。比如在一具体实施例中，发射超声波和接收超声波的反射波的设备均为同一个压电薄膜，而发射低频声波的设备为压电陶瓷片，成本低，性能稳定。如果发射超声波和接收超声波的反射波的设备为同一设备时，需要注意控制发射超声波和接收超声波的时间间隔，防止在接收超声波的反射波的时候超声波的发射波还在发射而相互影响，影响检测的结果。 

本发明的检测物体物理属性的装置，控制器30控制低频声波发生器20发射低频声波至目标物体，低频声波会对目标物体进行挤压和拉扯；控制器30控制超声波发生器10发射的超声波在被挤压和拉扯的目标物体上发生反射，反射波会与发射的超声波形成相位差，而且超声波的发射波幅度也会减弱与发射波形成幅度差，分析器40根据所述的相位差和幅度差，就可以定性的分析目标物体的硬度、弹性等物理属性，方法简单，计算量相对于现有算法更简单，结果更加的准确。 

 以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。 

Claims (12)

1.一种检测物体物理属性的方法，其特征在于，包括步骤：

发射固定频率、固定幅度的超声波和低频声波的复合声波至目标物体；

接收所述超声波从目标物体上所反射回来的反射波；

对比超声波在叠加的低频声波不同相位反射波的相位变化和幅度变化，分析目标物体的物理属性。

2. 根据权利要求1所述的检测物体物理属性的方法，其特征在于，所述发射固定频率、固定幅度的超声波和低频声波的复合声波至目标物体的实现方式包括：

通过将超声波发生器附着在低频声波发生器上进行超声波发射。

3. 根据权利要求1所述的检测物体物理属性的方法，其特征在于，所述超声波的频率为1兆赫兹到50兆赫兹；所述低频声波的频率为10赫兹到10000赫兹。

4. 根据权利要求1所述的检测物体物理属性的方法，其特征在于，所述复合声波的发源地至目标物体的距离为：

2毫米至200毫米。

5. 根据权利要求1-4中任一项所述的检测物体物理属性的方法，其特征在于，所述发射固定频率、固定幅度的超声波和低频声波的复合声波至目标物体的步骤包括：

以脉冲的形式发射固定频率、固定幅度的超声波；同时，在测试期间以连续的方式发送固定频率和幅度的低频声波。

6. 一种检测物体物理属性的装置，其特征在于，包括控制器、分析器、超声波接收器、低频声波发生器和超声波发生器；

所述控制器连接超声波发生器和低频声波发生器，并控制超声波发生器和低频声波发生器的发射固定频率、固定幅度的超声波和低频声波的形成复合声波至目标物体；

所述超声波接收器连接分析器，并接收超声波的反射波，将反射波转化为电信号发送至分析器，分析器对比叠加在低频声波不同相位所发出超声波的反射波的相位变化和幅度变化，分析目标物体的物理属性。

7. 根据权利要求6所述的检测物体物理属性的装置，其特征在于，所述超声波发生器附着于低频声波发生器，并且发射端朝向相同；

所述超声波发生器的发射端位于低频声波发生器的前方，或者位于低频声波发生器的侧方。

8. 根据权利要求6所述的检测物体物理属性的装置，其特征在于，所述超声波发射器为压电薄膜传感器或压电陶瓷传感器。

9. 根据权利要求6所述的检测物体物理属性的装置，其特征在于，所述低频声波发生器为压电陶瓷扬声器。

10. 根据权利要求6所述的检测物体物理属性的装置，其特征在于，所述低频声波发生器发射声波的频率为10赫兹到10000赫兹；所述超声波发生器发射超声波的频率为1兆赫兹到50兆赫兹。

11. 根据权利要求6-10中任一项所述的检测物体物理属性的装置，其特征在于，所述控制器控制超声波发生器以脉冲的形式发射固定频率、固定幅度的超声波，以连续的方式在测试期间发送固定频率和幅度的低频声波。

12. 根据权利要求11所述的检测物体物理属性的装置，其特征在于，所述超声波发生器至目标物体的距离为2毫米至200毫米。