CN108801439A - 一种声场测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种声场测量装置，将激光器发射光线依次经过发射透镜、准直透镜、半透半反镜、声学换能器生成的声场以及反射镜反射后再次沿原路经过声场，由分光镜将光束偏转90°后，经过傅里叶变换透镜，在傅里叶变换透镜的后焦面上进行空间滤波处理，可实现声场成像，移动图像传感器至变换透镜后焦面并接收衍射光斑，可根据光斑间距计算声速，根据光斑强度分布计算声压；在声场和分光镜之间设置光阑，可用于测量部分声场区域的声压，本发明可实现透明流体中各种形式声场的成像，可定量测量平面声场、近似平面声场和声场中近似平面声场区域的强度，以及换能器校准，可实现脉冲波和连续行波平面声场或近似平面声场的测量，由于采用反射镜使光两次通过声场，提高了成像和测量的灵敏度。

Description

一种声场测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及一种声场测量装置及测量方法，属于超声技术领域。
背景技术
声场的成像和测量广泛存在于应用于超声检测和超声医疗，尤其是超声诊断中，声压需要严格限制，不能超过规定值，为此，相关规定要求相关设备在使用前和使用中定期进行声场分布测量和声场强度定量测量，所以测量声场强度分布和准确定量测量声压显得尤为重要。
传统的测量方法都具有一定的局限性，常见的测量方法有：
(1)水听器法：适用于各种流体中声场的测量。但该方法属于侵入式测量方法，且水听器要预先校准；水听器的引入使原来的声场发生变化，此法测量误差较大，尤其是高频声场的定量测量，且测量声压分布时效率较低；
(2)基于辐射力天平测量的方法：连续声波垂直入射于反射靶，测量靶上接收到的声辐射力，计算声功率。该方法只能测量平面活塞换能器和圆孔径球面聚焦超声换能器辐射连续声波的声功率，而线聚焦声场声功率的测量目前还没有辐射压力和声压的定量关系，也不能用于精确测量脉冲声场的声功率和声压，不能用于测量声压分布。
(3)量热法测量声功率：超声对高吸收物质作用后产生的热量引起温度升高，测量温升，经校准和计算，得到声功率，温度变化还可以通过测量声速来确定。
(4)自易法和互易法：对于互易的电声换能器，其接收灵敏度和发送响应之比为一常数，即为互易常数，分别测量若干对发射换能器-接收换能器排列对的换能器转移阻抗，应用互易常数可计算得到换能器的发送响应。进而理论计算出声场强度，很明显，该方法是一种换能器校准方法，不适合用于定量测量声场。
(5)Michelson干涉条纹法：声场引起媒质折射率的变化进而影响Michelson 干涉条纹的变化，通过分析干涉条纹的变化，计算声压；或者通过Michelson干涉仪测量声辐射面的振幅估算换能器辐射声压。但是该方法只适合于50KHz以下的低频超声场的测量，0.3MHz以上的高频声场的定量测量比较困难。
(6)Schlieren方法：光束一次通过声场，可以进行声场的定量测量，但灵敏度相对较低，对于声光作用距离较短或声压较小的声场，测量灵敏度不高，经常无法测量。
我们知道，在医学超声诊断和应用中，所用的超声波频率一般为兆赫兹量级，对于平面波声场，声场的衍射光分布呈一系列的亮点，亮点间距与声波长有关，光强度与声强有关，当相邻两个点能清楚区分时就可以对声场进行定量测量，而对于聚焦声场，其焦斑可以近似为平面波，也可以进行定量测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种反射式高灵敏度的声场成像和测量的装置与方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种声场测量装置，包括数据处理器、信号发生器、信号放大器、声学换能器、激光器、发射透镜、准直透镜、分光镜、反射镜、傅里叶变换透镜、空间滤波器、成像透镜以及图像传感器，所述数据处理器依次与所述信号发生器、所述信号放大器以及所述声学换能器连接，用于发射声波，产生声场，所述数据处理器与所述图像传感器连接，用于发射以及接收信号，所述激光器发射光线依次经过所述发射透镜、所述准直透镜、所述分光镜、所述声场以及所述反射镜后再次沿原路经过所述声场至所述分光镜将光束偏转90°后，再经过所述傅里叶变换透镜以及位于所述傅里叶变换透镜后焦面上的所述空间滤波器后，经过所述成像透镜，在所述图像传感器上形成声场的像，所述声学换能器辐射的声波传播方向与光传播方向垂直，光两次通过声场总的声光作用距离其中，λa为声波波长，λray为光波波长，声场成像后，将所述图像传感器移动至所述傅里叶变换透镜后焦面上用于接收待测声场的衍射光斑，所述数据处理器根据接收的衍射光斑对声场进行测量。
还包括光阑，用于测量所述声场部分区域，在声场成像时，将所述光阑设置在所述分光镜以及所述反射镜之间，调整所述光阑位置和大小，使得仅待测量部分的声场被光通过。
声场位于透明液体介质中时，还包括液体槽以及位于所述液体槽底部的声吸收体。
一种声场测量方法，所述测量方法基于上述的一种声场测量装置，包括以下步骤：
(1)打开所述激光器，调节所述空间滤波器位置和大小至所述傅里叶变换透镜后焦点上，要求所属空间滤波器足够小，使所述图像传感器此时刚好为暗场；
(2)所述数据处理器同时向所述信号发生器发送激励信号以及向所述图像传感器发送延时曝光信号，激励信号激励所述信号发生器发射声波激励信号，经所述信号放大器放大后激励所述声学换能器发射声波，延时曝光信号激励所述图像传感器感光快门打开，进行感光成像；
(3)根据不同的延时，得到不同时刻的声场的像，用于观测声场的动态变化；
(4)将所述图像传感器移至所述空间滤波器所在平面，接收待测量区域声场的衍射光斑，然后根据衍射光斑的间距计算出声场在透明流体中的声速，根据衍射光斑的强度计算出声场的声压值。
所述声压具体计算方法如下：
根据获取的衍射光斑图像的光斑间距计算得到声速c＝faλrayf/Δu，式中，c表示声速，Δu表示光斑间距，fa为声频率，f为所述傅里叶变换透镜的焦距，λray为所述激光器发射的光线的波长；
根据获取的衍射光斑图像的光斑强度和声速计算得到声压沿光路的积分其中，Im为第m阶干涉光强，m大于等于1，αp为压光系数，ρ0为声场所在介质的密度，ps为光路上不同点的声压，由此可以计算出其中，L0为所述声学换能器沿光路方向的长度，psp为声压最大值， f(psp)表示声压最大值与声压沿光路的积分之间的关系，通过f(psp)求出psp，然后求出声场辐射分布函数，即可求出任意一点的声压。
当测量声场中部分区域的声压时，在声场成像时，将所述光阑放置在所述分光镜和所述声场之间，调整其位置与大小，使得仅待测量部分声场被光通过，根据衍射光斑的间距计算出声场在透明流体中的声速，根据衍射光斑的强度计算出待测量区域声场的声压值。
调节所述信号发生器的激励电压，接收不同激励电压下声场的衍射光斑，计算不同电压激励下的声场声压，得到激励电压和声压强度的关系，从而实现对所述声学换能器的校准。
本发明所达到的有益效果：本发明利用反射镜使光波两次通过声场，可以提高2倍成像灵敏度；经过傅里叶变换透镜，在傅里叶变换透镜的后焦面上进行空间滤波处理，可实现声场成像，移动图像传感器至变换透镜后焦面并接收衍射光斑，可根据光斑间距计算声速，根据光斑强度分布计算声压；在声场和分光镜之间设置光阑，可用于测量部分声场区域的声压，本发明可实现透明流体中各种形式声场的成像，可定量测量平面声场、近似平面声场和声场中近似平面声场区域的强度，以及换能器校准，可实现脉冲波和连续行波平面声场或近似平面声场的测量。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明使用过程中结构示意图；
附图标记说明：104用于发射声波的声学换能器；105激光器；106发射透镜；107准直透镜；108分光镜；109光阑；117液体槽；116声场示意图；115 声吸收体；111傅里叶变换透镜；112滤波器；113成像透镜；114用于接收光信号的CCD；110反光镜；102信号发生器；103激励信号放大器；101控制电脑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种声场测量装置，包括电脑101、信号发生器102、信号放大器103、声学换能器104、液体槽117、位于液体槽底部的声吸收体115、激光器105、发射透镜106、准直透镜107、分光镜108、光阑109、反射镜110、傅里叶变换透镜111、空间滤波器112、成像透镜113以及CCD114，电脑101 依次与信号发生器102、信号放大器103以及声学换能器104连接，用于发射声波，在液体槽117内产生声场116，如果是气体中声场的测量，则不需要该槽，电脑101与CCD114连接，用于发射以及接收信号，激光器105发射光线依次经过发射透镜106、准直透镜107、分光镜108、光阑109、声场116以及反射镜110后再次沿原路经过声场116、光阑109至分光镜108将光束偏转90°后，再经过傅里叶变换透镜111以及位于傅里叶变换透镜111后焦面上的空间滤波器 112后，经过成像透镜113，在CCD114上形成待测区域声场的像，通过调整光阑109的位置和大小，可用于不同区域声场测量，需要测量全部区域时，可以调节光阑109大小使光全部通过声场或去掉光阑即可，声学换能器104辐射的声波传播方向与光传播方向垂直，光两次通过声场总的声光作用距离其中，λa为声波波长，λray为光波波长，可产生多级衍射，声场成像后，将CCD114 移动至傅里叶变换透镜111后焦面上用于接收待测声场的衍射光斑，如图2所示，电脑101根据接收的衍射光斑的间距计算出声场在透明流体中的声速，根据衍射光斑的强度计算出测量区域声场声压值。
具体声场测量方法，包括以下步骤：
(1)打开激光器105，装置如图1所示，调节空间滤波器112位置和大小至傅里叶变换透镜111后焦点上，空间滤波器112足够小，使CCD112此时刚好为暗场；
(2)电脑101同时向信号发生器102发送激励信号以及向CCD112发送延时曝光信号，激励信号激励信号发生器102发射声波激励信号，经信号放大器103放大后激励声学换能器104发射声波，延时曝光信号激励CCD112感光快门打开，进行感光成像；
(3)根据不同的延时，得到不同时刻的声场的像，用于观测声场的动态变化；
(4)调整光阑109的位置和大小，使仅待测部分声场被光通过；
(5)将CCD112移至空间滤波器112所在平面，装置如图2所示，接收待测量区域声场的衍射光斑，然后根据衍射光斑的间距计算出声场在透明流体中的声速，根据衍射光斑的强度计算出声场的声压值；
声压具体计算方法如下：
根据获取的衍射光斑图像的光斑间距计算得到声速c＝faλrayf2/Δu，式中，c 表示声速，Δu表示光斑间距，fa为声频率，f2为傅里叶变换透镜111的焦距，λray为激光器105发射的光线的波长；
根据获取的衍射光斑图像的光斑强度和声速计算得到声压沿光路的积分其中，Im为第m阶干涉光强，m大于等于1，αp为压光系数，ρ0为声场所在介质的密度，ps为光路上不同点的声压，由此可以计算出其中，L0为声学换能器104沿光路方向的长度，psp为声压最大值， f(psp)表示声压最大值与声压沿光路的积分之间的关系，通过f(psp)求出psp，然后求出声场辐射分布函数，即可求出任意一点的声压。对于确定换能器，相关函数均是已知的。
(6)调节信号发生器102的激励电压，接收不同激励电压下声场的衍射光斑，计算不同电压激励下的声场声压，可以得到激励电压和声压强度的关系，从而实现对声学换能器104的校准。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种声场测量装置，其特征是，包括数据处理器(101)、信号发生器(102)、信号放大器(103)、声学换能器(104)、激光器(105)、发射透镜(106)、准直透镜(107)、分光镜(108)、反射镜(110)、傅里叶变换透镜(111)、空间滤波器(112)、成像透镜(113)以及图像传感器(114)，所述数据处理器(101)依次与所述信号发生器(102)、所述信号放大器(103)以及所述声学换能器(104)连接，用于发射声波，产生声场(116)，所述数据处理器(101)与所述图像传感器(114)连接，用于发射以及接收信号，所述激光器(105)发射光线依次经过所述发射透镜(106)、所述准直透镜(107)、所述分光镜(108)、所述声场(116)以及所述反射镜(110)后再次沿原路经过所述声场(116)至所述分光镜(108)将光束偏转90°后，再经过所述傅里叶变换透镜(111)以及位于所述傅里叶变换透镜(111)后焦面上的所述空间滤波器(112)后，经过所述成像透镜(113)，在所述图像传感器(114)上形成声场的像，所述声学换能器(104)辐射的声波传播方向与光传播方向垂直，光两次通过声场总的声光作用距离其中，λa为声波波长，λray为光波波长，声场成像后，将所述图像传感器(114)移动至所述傅里叶变换透镜(111)后焦面上用于接收待测声场的衍射光斑，所述数据处理器(101)根据接收的衍射光斑对声场进行测量。
2.根据权利要求1所述的一种声场测量装置，其特征是，还包括光阑(109)，用于测量所述声场(116)部分区域，在声场成像时，将所述光阑(109)设置在所分光镜(108)以及所述反射镜(110)之间，调整所述光阑(109)位置和大小，使得仅待测量部分的声场被光通过。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种声场测量装置，其特征是，声场位于透明液体介质中时，还包括液体槽(117)以及位于所述液体槽(117)底部的声吸收体(115)。
4.一种声场测量方法，其特征是，所述测量方法基于权利要求3所述的一种声场测量装置，包括以下步骤：
(1)打开所述激光器(105)，调节所述空间滤波器(112)位置和大小至所述傅里叶变换透镜(111)后焦点上，要求所属空间滤波器(112)足够小，使所述图像传感器(112)此时刚好为暗场；
(2)所述数据处理器(101)同时向所述信号发生器(102)发送激励信号以及向所述图像传感器(112)发送延时曝光信号，激励信号激励所述信号发生器(102)发射声波激励信号，经所述信号放大器(103)放大后激励所述声学换能器(104)发射声波，延时曝光信号激励所述图像传感器(112)感光快门打开，进行感光成像；
(3)根据不同的延时，得到不同时刻的声场的像，用于观测声场的动态变化；
(4)将所述图像传感器(112)移至所述空间滤波器(112)所在平面，接收待测量区域声场的衍射光斑，然后根据衍射光斑的间距计算出声场在透明流体中的声速，根据衍射光斑的强度计算出声场的声压值。
5.根据权利要求4所述的一种声场测量方法，其特征是，所述声压具体计算方法如下：
根据获取的衍射光斑图像的光斑间距计算得到声速c＝faλrayf2/Δu，式中，c表示声速，Δu表示光斑间距，fa为声频率，f2为所述傅里叶变换透镜(111)的焦距，λray为所述激光器(105)发射的光线的波长；
根据获取的衍射光斑图像的光斑强度和声速计算得到声压沿光路的积分其中，Im为第m阶干涉光强，m大于等于1，αp为压光系数，ρ0为声场所在介质的密度，ps为光路上不同点的声压，由此可以计算出其中，L0为所述声学换能器(104)沿光路方向的长度，psp为声压最大值，f(psp)表示声压最大值与声压沿光路的积分之间的关系，通过f(psp)求出psp，然后求出声场辐射分布函数，即可求出任意一点的声压。
6.根据权利要求4所述的一种声场测量方法，其特征是，当测量声场中部分区域的声压时，在声场成像时，将所述光阑(109)放置在所述分光镜(108)和所述声场(116)之间，调整其位置与大小，使得仅待测量部分声场被光通过，根据衍射光斑的间距计算出声场在透明流体中的声速，根据衍射光斑的强度计算出待测量区域声场的声压值。
7.根据权利要求4所述的一种声场测量方法，其特征是，调节所述信号发生器(102)的激励电压，接收不同激励电压下声场的衍射光斑，计算不同电压激励下的声场声压，得到激励电压和声压强度的关系，从而实现对所述声学换能器(104)的校准。
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