CN110595607B - 一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备及其使用方法 - Google Patents
一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备及其使用方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110595607B CN110595607B CN201910915377.2A CN201910915377A CN110595607B CN 110595607 B CN110595607 B CN 110595607B CN 201910915377 A CN201910915377 A CN 201910915377A CN 110595607 B CN110595607 B CN 110595607B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- photoacoustic
- water
- transducer
- immersed
- point source
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 7
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000013480 data collection Methods 0.000 claims 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- 238000010895 photoacoustic effect Methods 0.000 description 2
- 238000001028 reflection method Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000005290 field theory Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 238000005316 response function Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
- G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
- G01H9/002—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means for representing acoustic field distribution
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
- G01H9/008—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means by using ultrasonic waves
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备及其使用方法，所述设备包括光斑聚焦和成像光路、超声信号采集存储机构、高精度位移台和水箱，超声信号采集存储机构的超声水浸换能器浸入水箱，聚焦成像光路将光声信号传输到换能器，信号被放大后送入示波器进行数据采集，最后把所有数据传给电脑。所述使用方法包含以下步骤：a、调整物镜高度，使光声仿体处于物镜焦平面上；b、激光在光声仿体上产生一个脉冲的点声源；c、选择光声点源为原点，调整换能器位置并标记；d、测量光声点源的脉冲信号；e、在高精度位移台的带动下，换能器到新的坐标位置，重复步骤d测量不同坐标位置的空间冲激响应。本发明简单方便，检测精度高。
Description
技术领域
本发明属于换能器表征领域，具体为一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备及其使用方法。
背景技术
水浸换能器作为一种超声发射，接收设备，在超声成像，无损检测，超声定位等方面有着重要的应用。尽管水浸换能器的声场理论预测跟实际对比已经有了较好的吻合，但是实际测量声场的分布仍然是检测水浸换能器质量不可缺失的一项。
现有的超声水浸换能器声场测量主要有两种方法，分别是球反射法和水听器测量法。球反射法利用换能器发射一个连续超声波或者脉冲声波到水里，假设球体具有光滑的表面，那么发射的超声波仅在小球表面与发射声波垂直方向被原路反射，其他偏离垂直点都会被反射到其他方向，沿原路反射的声波再次被换能器接收到，其响应刚好等于小球反射点处的响应。但是实际中存在以下几个缺点：(1)球体本身表面不可能理想的光滑；(2)换能器孔径存在一定大小，从球体非垂直点上反射的超声波依然会被换能器接收到。水听器测量也存在以下问题：(1)比如水听器的尖端直径比较大，不能高分辨率的测量换能器在水中产生的声场；(2)水听器造价昂贵，自身带宽限制了对宽带声场的表征。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种简单方便、测量精度高的基于光声点源的水浸换能器声场表征设备，本发明的另一目的是提供一种适用于高频率聚焦超声换能器声场分析的基于光声点源的水浸换能器声场表征方法。
技术方案：本发明所述的一种基于光声点源的水浸换能器，包括光斑聚焦和成像光路、超声信号采集存储机构、高精度位移台和水箱。超声信号采集存储机构包括超声水浸换能器、前置放大器、示波器和电脑，超声水浸换能器浸入水箱，通过高精度位移台控制超声水浸换能器运动，激光激发的超声波信号以球面波的形式在去气泡的水中传播，光斑聚焦和成像光路将激光对焦到光声仿体上形成一个“点”，该“点”激发出光声信号传输到超声水浸换能器，信号被前置放大器放大后送入示波器进行数据采集，最后把所有数据传给电脑。
光斑聚焦和成像光路包括纳秒脉冲激光器、平凹透镜、平凸透镜、光反射镜、分束镜、套筒透镜、双凸透镜、光电探测器(PD)、电荷耦合摄像机和物镜，脉冲激光器射出脉冲激光，经过平凹透镜和平凸透镜光束被扩大到3倍，再被分束镜分为两束，一部分反射光(占总能量的8％)经双凸透镜聚焦后被光电探测器探测用于能量校准，另一部分透射光(占总能量92％)经过物镜(20X，NA＝0.4)在焦点聚焦形成光斑，光线被散射后经过物镜，再被分束镜反射经过套筒透镜，并被套头透镜焦平面上的电耦合摄像机(CCD)成像，当成像点最小时光斑聚焦最小。光电探测器的信号被示波器采集并传给电脑，电耦合摄像机(CCD)采集的图像也会传给电脑。
高精度位移台通过连杆与超声水浸换能器刚性连接，三台高精度位移台分别负责x、y、z三个方向的位移，带动水浸换能器运动做扫场实验。水箱包括箱体和充满红墨水的光声仿体。箱体内的水经过脱气处理。光声仿体红墨水的厚度为2～2.5mm，优选为2mm。
本设备不限于水浸超声换能器声场的表征，把红墨水仿体替换成薄钢板也可以用于空气环境下扬声器声场的表征。
上述基于光声点源的水浸换能器声场表征方法，包含以下步骤：
(a)调整好物镜高度，使得光声仿体刚好处于物镜的焦平面上，光声仿体上表面刚好浸没在箱体的水中；
(b)激光经物镜聚焦成一个点，照射到光声仿体上产生一个脉冲的点声源；
(c)选择光声点源作为三维空间坐标的原点O(0，0，0)，以地理正东为x轴，以地理正南为z轴，以垂直于水浸换能器中轴线的方向为y轴，调整待分析水浸换能器的位置，并标记所在坐标r1＝(x1，y1，z1)；
(d)使用待测水浸换能器测量光声点源的脉冲信号，此即是换能器相对声源的空间冲激响应h(r1，t)；
(e)在高精度位移台的带动下，待分析超声水浸换能器到达新的坐标位置ri＝(xi，yi，zi)(i＝1，2，3...N)，重复d步骤测量不同坐标位置的空间冲激响应h(ri，t)。
测出换能器的空间冲激响应h(ri，t)之后可以得到声场分布p(ri，t)的表达式为：
其中，ρ0为介质的密度，υn为超声水浸换能器(21)表面的振动速度。
工作原理：本方法的核心思想是换能器对脉冲点源的空间冲激响应，在空间一个微小区域，只要这个区域的尺度小于超声水浸换能器中心波长的一半的时候就可以认为该区域产生的声场为点源；由于激光器的脉冲时间很短，产生的超声信号带宽可以达到几百兆以上。综上，光声效应激发出来的声源可以认为是理想的冲击点声源。超声水浸换能器产生的电信号就可以反映换能器对该点的空间冲击响应。变化点源与超声水浸换能器空间相对位置，得到超声水浸换能器相对脉冲点源的空间冲击响应。根据声学的对易理论可以知道，知道超声水浸换能器的空间冲击响应之后，就可以知道不同激励信号产生的声场分布。不同激励信号的声场分布都可以由超声水浸换能器激励信号与超声水浸换能器的空间冲击响应函数卷积得到。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、因为激光光斑聚焦点在5μm左右，产生的光声信号带宽在200MHz左右，所以换能器的空间冲激响应测量精度高；
2、不需要高频超声发射电路，硬件设备简单易于实现。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的测试原理图。
具体实施方式
实验设备如图1，在箱体41内加入去空气的水，水温控制在室温(25℃)，把待测声场的超声水浸换能器21浸没到水里。纳秒脉冲激光器11产生532nm、脉冲长度为4-6ns的脉冲激光，光斑直径3mm，单个激光的脉冲能量为100μJ。为了尽可能得到小的聚焦光斑，需要扩大入射到物镜内的光斑直径，所以激光依次通过焦距为-30mm的平凹透镜12和焦距为120mm的平凸透镜13。光斑扩大4倍，直径达到12mm。随后激光依次经过光反射镜14、分束镜15。
激光经过分束镜15之后，8％入射光被分束镜15反射，后经双凸透镜17入射到光电探测器18上，用于校准激光能量的波动。92％透射光经过20X、NA＝0.4的物镜110，最后聚焦到一层厚度约为2mm的红墨水上表面，墨水的光密度(Optical Density)约为2.5。红墨水吸收激光产生宽带、点源的超声信号。经过水体传播到超声水浸换能器21上，得到相对位置的空间冲击响应。
为了确定光斑大小，激光被红墨水散射微弱光线经过物镜110和套筒透镜16之后成像到电荷耦合摄像机19(CCD相机)上，就可以看出光斑的大小。超声水浸换能器21接收到超声信号之后，首先经过前置放大器22放大到39dB，然后被示波器23采集。同时示波器23还得采集光电探测器18的信号。最后示波器23把采集的超声水浸换能器21波形数据和光电探测器18的光强数据传输到电脑24上保存。与此同时电脑24跟电荷耦合摄像机19连接，接收光斑的图像信息。电脑24还会跟高精度位移台3连接，控制其移动。
实施步骤如下：
(1)按照图1组装各个设备，调整好物镜110高度，使得红墨水与空气接触的上表面刚好处于物镜110的焦平面上；
(2)调整高精度位移台3，使得超声水浸换能器21处于初始点位置，初始位置的选择以超声水浸换能器21中轴线位置，且靠近超声水浸换能器21最为合适；
(3)产生的激光在第一个位置r1＝(x1，y1，z1)获取空间响应h(r1，t)和激光强度I(r1)数据；其物理含义可以理解为如图2，在r1位置使用光声效应激发一个宽带、点源脉冲超声波，在r2位置放置一个待测超声水浸换能器21。超声水浸换能器21产生的电信号就可以反映换能器对该点的空间冲击响应；
(4)通过电脑24控制高精度位移台3带动换能器在空间不同位置ri＝(xi，yi，zi)获得空间响应h(ri，t)和激光强度I(ri)。最后把感兴趣区域扫描结束就可以知道超声水浸换能器21的空间冲击响应，通过空间冲激响应可以计算声场的强度和峰值强度等信息。
其声压的计算如下式所示：
其中ρ0为介质的密度，υn为驱动信号作用下超声水浸换能器21表面的振动速度。
Claims (8)
1.一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备，其特征在于：包括光斑聚焦和成像光路（1）、超声信号采集存储机构（2）、高精度位移台（3）和水箱（4），所述超声信号采集存储机构（2）包括超声水浸换能器（21）、前置放大器（22）、示波器（23）和电脑（24），所述超声水浸换能器（21）浸入水箱（4），通过高精度位移台（3）带动超声水浸换能器（21）运动，所述光斑聚焦和成像光路（1）将激光对焦到光声仿体（42）上形成一个点，该点激发出光声信号传播到超声水浸换能器（21），信号被前置放大器（22）放大后送入示波器（23）进行数据采集，最后把所有数据传给电脑（24）；
所述光斑聚焦和成像光路（1）包括纳秒脉冲激光器（11）、平凹透镜（12）、平凸透镜（13）、光反射镜（14）、分束镜（15）、套筒透镜（16）、双凸透镜（17）、光电探测器（18）、电荷耦合摄像机（19）和物镜（110），所述脉冲激光器（11）射出脉冲激光，经过平凹透镜（12）和平凸透镜（13）后光束被扩大，激光光束扩大之后再被分束镜（15）分为两束，一部分反射光经双凸透镜（17）聚焦后被光电探测器（18）探测用于单个脉冲激光能量校准，另一部分透射光经过物镜（110）在焦平面上聚焦形成“点”光斑，“点”光斑被散射后经过物镜（110），再被分束镜（15）反射经过套筒透镜（16），并被套筒透镜（16）焦平面上的电荷耦合摄像机（19）成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备，其特征在于：所述光电探测器（18）的信号被示波器（23）采集并传给电脑（24），所述电荷耦合摄像机（19）采集的图像也会传给电脑（24）。
3.根据权利要求1所述的一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备，其特征在于：所述高精度位移台（3）通过连杆与超声水浸换能器（21）刚性连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备，其特征在于：所述水箱（4）包括箱体（41）和充满红墨水的光声仿体（42）。
5.根据权利要求4所述的一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备，其特征在于：所述箱体（41）内的水经过脱气处理。
6.根据权利要求4所述的一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备，其特征在于：所述光声仿体（42）红墨水的厚度为2~2.5mm。
7.根据权利要求1~6任一所述的一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备使用方法，其特征在于包含以下步骤：
（a）调整好物镜（110）高度，使得光声仿体（42）刚好处于物镜（110）的焦平面上，光声仿体上表面刚好浸没在箱体（41）的水中；
（b）激光经物镜聚焦成一个点，照射到光声仿体上产生一个脉冲的点声源；
（c）选择光声点源作为三维空间坐标的原点，调整待分析超声水浸换能器的位置，并标记所在坐标r1 = (x1, y1, z1)；
（d）使用待分析超声水浸换能器测量光声点源的脉冲信号，此即是换能器相对声源的空间冲激响应h(r1, t)；
（e）在高精度位移台的带动下，待分析超声水浸换能器到达新的坐标位置ri = (xi,yi, zi)（i = 1, 2, 3…N），重复d步骤测量不同坐标位置的空间冲激响应h(ri, t)。
8.根据权利要求7所述的一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备使用方法，其特征在于，根据所述空间冲激响应h(ri, t)可以得到声场分布p(ri,t)的表达式为：
其中，
为介质的密度，
为超声水浸换能器（21）表面的振动速度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910915377.2A CN110595607B (zh) | 2019-09-25 | 2019-09-25 | 一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备及其使用方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910915377.2A CN110595607B (zh) | 2019-09-25 | 2019-09-25 | 一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备及其使用方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110595607A CN110595607A (zh) | 2019-12-20 |
| CN110595607B true CN110595607B (zh) | 2020-11-24 |
Family
ID=68863415
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910915377.2A Active CN110595607B (zh) | 2019-09-25 | 2019-09-25 | 一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备及其使用方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110595607B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012126983A1 (de) * | 2011-03-22 | 2012-09-27 | Atlas Elektronik Gmbh | Optoakustischer wandler sowie hydrophonanordnung mit derartigem oder derartigen wandlern |
| CN105212898A (zh) * | 2015-08-31 | 2016-01-06 | 睿芯生命科技（深圳）有限公司 | 一种反射式光声显微成像*** |
| CN108888238A (zh) * | 2018-05-11 | 2018-11-27 | 南京大学深圳研究院 | 一种基于带孔超声反射板的光声显微镜及成像法 |
| CN109567758A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-04-05 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种跨尺度光声成像*** |
| CN110146450A (zh) * | 2019-06-05 | 2019-08-20 | 南京大学 | 一种光声超声双模显微成像装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9163980B2 (en) * | 2010-09-17 | 2015-10-20 | Seno Medical Instruments, Inc. | Light output calibration in an optoacoustic system |
-
2019
- 2019-09-25 CN CN201910915377.2A patent/CN110595607B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012126983A1 (de) * | 2011-03-22 | 2012-09-27 | Atlas Elektronik Gmbh | Optoakustischer wandler sowie hydrophonanordnung mit derartigem oder derartigen wandlern |
| CN105212898A (zh) * | 2015-08-31 | 2016-01-06 | 睿芯生命科技（深圳）有限公司 | 一种反射式光声显微成像*** |
| CN108888238A (zh) * | 2018-05-11 | 2018-11-27 | 南京大学深圳研究院 | 一种基于带孔超声反射板的光声显微镜及成像法 |
| CN109567758A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-04-05 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种跨尺度光声成像*** |
| CN110146450A (zh) * | 2019-06-05 | 2019-08-20 | 南京大学 | 一种光声超声双模显微成像装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 层状材料热传导性质的理论和实验研究;颜学俊;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20180215(第02期);B020-6 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110595607A (zh) | 2019-12-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8453509B2 (en) | Method for the non-destructive testing of a test object by way of ultrasound and apparatus therefor | |
| US8714018B2 (en) | Method for the non-destructive testing of a test object by way of ultrasound and corresponding device | |
| JP5402046B2 (ja) | 超音波計測装置及び超音波計測方法 | |
| CN103808802B (zh) | 一种材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法 | |
| CN101281172A (zh) | 激光声表面波应力测试*** | |
| CN106333650A (zh) | 一种多尺度光声显微成像装置及其方法 | |
| CN111323480A (zh) | 一种手持式自动对焦激光超声无损检测*** | |
| JPH0136584B2 (zh) | ||
| CN105842248B (zh) | 一种光学元件表面损伤阈值测试***及其测试方法 | |
| CN105319272B (zh) | 一种基于角域信号重构的水浸超声检测方法 | |
| CN102854142A (zh) | 基于光束扫描的光学分辨式光声显微镜 | |
| CN104792884B (zh) | 超声检测中激光笔与超声探头相对位置的标定装置与方法 | |
| CN108606777A (zh) | 基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像*** | |
| CN103822971A (zh) | 一种超声显微镜分辨力测试及校准方法 | |
| CN103471998A (zh) | 超声材料反射和透射系数激光测量*** | |
| Rebling et al. | Optoacoustic characterization of broadband directivity patterns of capacitive micromachined ultrasonic transducers | |
| CN110146450A (zh) | 一种光声超声双模显微成像装置 | |
| CN106236145A (zh) | 一种基于全反射的超声探测和光声成像装置及其方法 | |
| CN104792885B (zh) | 超声检测中摄像头与超声探头相对位置的标定方法 | |
| CN107490627B (zh) | 超声聚焦探头参数标定方法 | |
| CN215375237U (zh) | 一种基于光束整形提高激光超声波信号的无损检测*** | |
| CN109781241B (zh) | 一种基于光声效应测量超声场分布的装置及方法 | |
| CN106691377A (zh) | 一种光声显微成像自适应扫描***及方法 | |
| CN110595607B (zh) | 一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备及其使用方法 | |
| CN109612940A (zh) | 一种激光阵列对生成超声快速控制的无损检测***及无损检测方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |