CN115165078A - 基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测结构及方法，该探测结构整体为一中空的正方形筒体，位于筒体下部的边界探测器由自下而上交替设置的多个窄谐振腔和多个宽谐振腔构成，位于最下层的窄谐振腔的截面尺寸小于位于其上方的窄谐振腔的截面尺寸。与现有技术相比，本发明具有宽频带高分辨率等优点。
Description
技术领域
本发明涉及物理声学成像领域，尤其是涉及一种基于捕获共振(TrappedResonances)实现宽频带高分辨率的声学边界探测结构及方法。
背景技术
声学成像在各种应用中都有重要的潜力，比如：无损探测、医疗超声诊断、和光声成像等。对于任何基于波的成像***，成像分辨率都要受到衍射极限的限制，由于高空间频率沿波传播方向呈指数衰减，成像物体的精细特征或者小于半波长的细节无法在最终图像中恢复，为了克服这种衍射极限，目前存在各种实现超分辨率成像的方法，包括但不限于超透镜、时间反转技术、Fabry-Perot-type型共振和声学负折射，在一些实际成像情况中，有时只需要提取物体的边缘信息，因为在这些边缘携带着物体的关键信息，这样也会使得需要处理的数据量大大减少。
通过激发不同大小腔体中的共振捕获模式，在该情境下，倏逝波可以与捕获模式耦合并转换为传播波，结构周期性所带来的平面波模式的带隙可以去除较低的空间频率信息。然而，以往基于这种捕获模式的边缘检测技术面临着带宽较窄的问题，而且并没有说明这种探测器件的哪些因素对成像分辨率具有较大影响，这在一定程度上限制了该边界成像技术的应用价值。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测结构及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测结构，该探测结构整体为一中空的正方形筒体，位于筒体下部的边界探测器由自下而上交替设置的多个窄谐振腔和多个宽谐振腔构成，位于最下层的窄谐振腔的截面尺寸小于位于其上方的窄谐振腔的截面尺寸。
该探测结构的可探测最小宽度略小于最下层的窄谐振腔的截面尺寸。
通过扩展位于最下层窄谐振腔上方的窄谐振腔的截面尺寸大小以拓宽该探测结构的探测频带带宽。
该探测结构还包括在筒体上部两相对侧壁上开设放置有声探头的探测小孔、与最下层窄谐振腔紧密接触的待探测器件以及位于待探测器件下方的声源。
所述的待探测器件以步进方式沿探测方向移动。
所述的边界探测器由自下而上设置的第一窄谐振腔、第一宽谐振腔、第二窄谐振腔、第二宽谐振腔和第三窄谐振腔构成，所述的第一窄谐振腔、第二窄谐振腔和第三窄谐振腔的结构尺寸分别为w1×w1×l、w2×w2×l、w3×w3×l，且w1<w2，w1<w3，所述的第一宽谐振腔和第二宽谐振腔的结构尺寸均为W×W×L，且l<L，w1、w2、w3均小于W，W为正方形筒体内部正方形空腔的边长。
所有谐振腔的中心均位于同一条轴线上。
所述的声探头具体采用麦克风，所述的声源具体采用扬声器。
一种声学边界探测方法，包括以下步骤：
1)搭建无回声环境：将待探测器件、探测结构和声源置于一个箱子内，并在箱内壁铺满吸声棉，将待探测器件固定在步进机上，使探测结构紧贴待探测器件；
2)通过步进机以进动方式按照设定的步长移动待探测器件，并记录两个探测小孔的声压；
3)获取两个探测小孔的声压曲线中两个峰值间的距离，并以此作为待探测器件的边界长度。
当测量待探测器件的二维边界时，在完成一维边界的探测后将测量待探测器件旋转90度进行探测，完成另一维边界的探测。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明是一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测方法，该方法通过非对称的宽窄谐振腔体耦合实现了声学边界探测，该探测器件的横截面是宽窄不一的正方形，通过周期排列这些宽窄谐振腔体，能够在设定条件下激发捕获共振，本发明通过缩小第一个横截面的大小，在一定程度上提高该器件的边界成像分辨率，并且扩大后两个窄谐振腔的横截面的面积，进而拓宽边界探测的测量带宽，通过这种窄宽谐振腔体的并联设计，打破结构周期性，能够同时获得高分辨率和宽频带测量的特性。
附图说明
图1为本发明的探测结构、原理和成像过程的示意图。
图2为本发明一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测方法中宽频带模式转化示意图，其中，图(2a)为结构参数为w1＝6.5mm、w2＝6.5mm、w3＝6.5mm的宽频带模式转化示意图，图(2b)为结构参数为w1＝6.5mm、w2＝10mm、w3＝10mm的宽频带模式转化示意图。
图3为本发明一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测方法中的待探测器件的结构图，其中，图(3a)为侧视图，图(3b)为剖视图。
图4为本发明一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测方法中待探测的一维结构。
图5为本发明一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测方法中的实验放置示意图。
图6为本发明一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测方法中固定于步进机上紧贴着探测器件且移动方向向左的5mm宽的被探测结构。
图7为本发明一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测方法中一维结构边界探测的实验结果，其中，图(7a)为5mm宽的一维结构边界探测的实验结果，图(7b)为6.5mm宽的一维结构边界探测的实验结果，图(7c)为10mm宽的一维结构边界探测的实验结果。
图8为本发明一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测方法中5mm宽的一维结构在不同频率处数据各自归一化的边界探测实验和仿真对比图，其中，图(8a)为5mm宽的一维结构在7790Hz处数据各自归一化的边界探测实验和仿真对比图，图(8b)为5mm宽的一维结构在8046Hz处数据各自归一化的边界探测实验和仿真对比图，图(8c)为5mm宽的一维结构在8837Hz处数据各自归一化的边界探测实验和仿真对比图。
具体实施方式
为了使发明实现的技术手段、创造特征、达成目的和功效易于明白了解，下结合具体图示，进一步阐述本发明。
实施例
本发明提供了一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测结构及方法，兼顾了成像分辨率、成像质量和成像带宽，在本发明中，给出了捕获模式的特性和对倏逝波捕获效率的关键影响因素，通过增大边界检测器的窄谐振腔与宽谐振腔的边长比，能够扩大检测带宽，通过打破结构的周期性，收缩第一个窄谐振腔，将成像分辨率提高到0.11λ，理论上可在7400Hz-9400Hz的频带范围内实现一维二维物体边界探测，只要存在模式转化，该频率即可用来进行边界探测，实际情况中，考虑到损耗、打印误差和测量误差，边界成像效果对于模式转换强度有一定要求。在实验上，本发明能够在频带宽度范围7400HZ-9400Hz内实现900Hz的可测量带宽和实现最小5mm的物体边界识别，为后续利用捕获共振机制实现边界探测提供了更高效的方法。
本发明的原理示意或者边界成像过程示意如图1所示，该结构由几个截面尺寸不同的方形谐振腔构成：窄截面包括三个窄谐振腔t＝wi×wi(i＝1,2,3)，宽截面包括两个宽谐振腔T＝W×W，宽窄谐振腔的厚度分别用L和l表示，相应的结构参数为W＝22.5mm，L＝5mm，w1＝6.5mm，w2＝10mm，w3＝10mm，l＝1.5mm，本例中所要成像的物体是三维树脂打印的几个一维板，其宽度用参数s表示，如图1所示，物体经声波入射产生的高、低空间频率信息分别用衰减线和波浪线表示，该边界探测器将携带高频空间信息的倏逝波转换为携带低频空间信息的可传播波，另一方面，低频空间信息会被转换为高频空间信息，并在边界探测器内逐渐衰减，在每一次探测中，被探测物体需要在在消声室中进行，将边界探测器放置在距离物体一定距离的地方，以直观的呈现模式转换和模式滤波的过程，在实际应用中，将边界探测器与被探测物体紧密接触，以提高倏逝波提取效率，通过步进电机将被探测物体在边界探测器前移动，沿y方向步进移动，步进步长为0.5mm，由于在本发明中使用的边缘检测的物理机制是捕获共振，根据捕获共振的特性，能够利用宽谐振腔体中的第一反对称模式，即(1,0)模式来表示物体的边缘信息，如图1右上角所示的宽度s。
探测结构的模式转化谱线可以表示器件的宽频带特性，在图2中，传输系数T(m,n)(m',n')表示入射模式(m,n)下的模式(m',n')透射系数，所有这些模式都是相对于宽谐振腔的波导模式，值得注意的是，波导模式(3,0)(5,0)(7,0)在频率范围为7400Hz～9400Hz的宽谐振腔上都是倏逝波，在透射特性的数值计算中，在尺寸为w1×w1的窄谐振腔前仅1mm激励不同宽截面波导模式，在距最后一个窄谐振腔(w3×w3)65.5mm后设置测点检测宽波导截面吸收不同的模态，如果宽波导入射截面与第一窄谐振腔入射截面(w1×w1)之间的距离过长，由于倏逝波沿传播方向呈指数衰减，很难实现从高空间频率信息到低空间频率信息的模式转换，根据这一特点，第一窄谐振腔与物体之间的距离对模式转换的效率至关重要。因此，边界检测器的输入孔径设计为窄谐振腔，而不是宽谐振腔，如图1的结构顶端设计为窄波导截面(w1×w1)，这样的设计打破了结构的周期性。
在仿真中发现模式转换的带宽对窄谐振腔的边长(wi)敏感，而不是其它结构参数，图(2a)和(2b)显示了(0,0)(1,0)(3,0)(5,0)(7,0)模式入射的透射谱，两个结构的参数分别为w1＝6.5mm，w2＝6.5mm，w3＝6.5mm(现有技术)以及w1＝6.5mm，w2＝10mm，w3＝10mm(本发明)，可见，结构参数为w1＝6.5mm、w2＝10mm、w3＝10mm具有较宽的模式转化频带和较宽的成像频率范围，由于三窄谐振腔和宽谐振腔之间的捕获共振耦合，反对称波导模的激发下具有三个透射峰，平面波的过滤主要由于整个结构的带隙造成的，对比图(2a)和(2b)，模式转换的带宽由窄谐振腔长度wi和宽谐振腔长度W的比值决定，然而，随着图(2b)中窄谐振腔(w2,w3)的拓宽，平面模(0,0)由于其强散射，尽管有带隙效应，但更容易传播，这可以解释为wi和W之间的对比度降低，这导致了平面波散射能力的降低。此外，热粘滞损失将进一步减少这种散射，在模拟中发现参数w2＝10mm和w3＝10mm提供了一个很好的宽频带和平面波抑制之间的权衡，但是对于尺寸小于边界检测器输入孔径的物体，在整个检测过程中无法对窄口进行半遮挡，这种情况下，捕获共振的质量下降，导致物体边缘附近的倏逝波与反对称波导本征模之间的耦合较差，这表明，如果缩小输入孔径处的窄谐振腔(w1)的大小，使其与物体相当，就可以获得一些较小物体的边缘信息，通过数值优化，选取了w1＝6.5mm，w2＝10mm，w3＝10mm参数，以平衡较好的成像分辨率与宽频带之间的关系。
本例中，边界探测器含有三个共振窄谐振腔和两个共振宽谐振腔，它们的尺寸如图1所示，共振窄谐振腔的中心和共振宽谐振腔的中心位于同一条轴线上。
通过拓宽后两个窄谐振腔的宽度，能够拓宽模式转化的带宽，模式的转化表示了该探测器件的可测量的频带范围。
本实施例中应用该探测结构进行边界探测的方法包括以下步骤：
步骤1：首先需要搭建测试平台的无回声环境，将待探测器件(如图4所示，底端四个孔便于安装在步进机上，最上端的窄条的宽度是5mm)、探测结构(结构如图3所示，待探测器件的前端多出一个矩形平面，该平面可以减少窄口附近其它声波模式影响，提高成像质量)和扬声器(声源)置于一个箱子内，扬声器和探测器件处于同一高度，距离是330mm，如图5所示，箱内壁铺满吸声棉，吸声棉吸收反射波和直达波以提供无回声环境，由于探测精度较高，可将待探测器件固定在步进机上，步进距离是0.5mm，如图6所示，注意，探测结构必须紧贴需要被成像的探测器件，如果没有满足这一条件，成像质量将会降低，也无法实现最小5mm宽的一维结构边界探测，将声探头置于探测结构的两个探测小孔内(两个探测点距离最上方窄谐振腔的距离是65.5mm。)，并保证探测小孔良好的密封性，否则可能会对测量结果有较大误差。
步骤2：在搭建好测试平台的基础上，通过步进机以进动的方式移动需要成像的待探测器件，步长是0.5mm，并记录两个探测小孔的声压，当待探测器件从待探测器件的一端移动到结构的另一端即可完成探测；
步骤3：利用公式(1)：
即可得到待探测器件相对探测器件位置的(1,0)模式强度a(1,0)，p1和p2为图1中Mic.1和Mic.2(麦克风)处的声压，该探测点距离第三个窄谐振腔体w3×w3的上端横截面65.5mm位置处，该模式的强度谱的峰峰间距能够表示物体的边界信息，同理，可将物体旋转90度进行测量即可得到成像物体另一方向上的边界信息，即可完成二维物体的边界探测。
本例中仅展示一维物体的成像结果，如图7所示，本例测量了三个一维物体，宽度分别为5mm、6.5mm和10mm，本发明对于这些一维物体具有较好的分辨能力，且可成像带宽约为900Hz，相较于现有技术中的不打破对称性的结构，成像分辨率和带宽均有一定提升，在图8中，更清楚显示了最小结构5mm的边界测量结果，在图2的三个模式转化透射峰附近，挑选了三个频率7790Hz、8046Hz和8837Hz的边界成像，并将实验和仿真得到的数据各自归一化，证明了该探测结构具有宽频带边界探测的能力，且实验与仿真符合较好。
Claims (10)
1.一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测结构，该探测结构整体为一中空的正方形筒体，位于筒体下部的边界探测器由自下而上交替设置的多个窄谐振腔和多个宽谐振腔构成，其特征在于，位于最下层的窄谐振腔的截面尺寸小于位于其上方的窄谐振腔的截面尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测结构，其特征在于，该探测结构的可探测最小宽度略小于最下层的窄谐振腔的截面尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测结构，其特征在于，通过扩展位于最下层窄谐振腔上方的窄谐振腔的截面尺寸大小以拓宽该探测结构的探测频带带宽。
4.根据权利要求1所述的一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测结构，其特征在于，该探测结构还包括在筒体上部两相对侧壁上开设放置有声探头的探测小孔、与最下层窄谐振腔紧密接触的待探测器件以及位于待探测器件下方的声源。
5.根据权利要求4所述的一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测结构，其特征在于，所述的待探测器件以步进方式沿探测方向移动。
6.根据权利要求1所述的一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测结构，其特征在于，所述的边界探测器由自下而上设置的第一窄谐振腔、第一宽谐振腔、第二窄谐振腔、第二宽谐振腔和第三窄谐振腔构成，所述的第一窄谐振腔、第二窄谐振腔和第三窄谐振腔的结构尺寸分别为w1×w1×l、w2×w2×l、w3×w3×l，且w1<w2，w1<w3，所述的第一宽谐振腔和第二宽谐振腔的结构尺寸均为W×W×L，且l<L，w1、w2、w3均小于W，W为正方形筒体内部正方形空腔的边长。
7.根据权利要求1所述的一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测结构，其特征在于，所有谐振腔的中心均位于同一条轴线上。
8.根据权利要求4所述的一种基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测结构，其特征在于，所述的声探头具体采用麦克风，所述的声源具体采用扬声器。
9.一种应用如权利要求1-8任一项所述宽频带高分辨率声学边界探测结构的声学边界探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)搭建无回声环境：将待探测器件、探测结构和声源置于一个箱子内，并在箱内壁铺满吸声棉，将待探测器件固定在步进机上，使探测结构紧贴待探测器件；
2)通过步进机以进动方式按照设定的步长移动待探测器件，并记录两个探测小孔的声压；
3)获取两个探测小孔的声压曲线中两个峰值间的距离，并以此作为待探测器件的边界长度。
10.根据权利要求9所述的一种声学边界探测方法，其特征在于，当测量待探测器件的二维边界时，在完成一维边界的探测后将测量待探测器件旋转90度进行探测，完成另一维边界的探测。
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| CN202210711962.2A CN115165078A (zh) | 2022-06-22 | 2022-06-22 | 基于捕获共振的宽频带高分辨率声学边界探测结构及方法 |
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| CN (1) | CN115165078A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116026586A (zh) * | 2023-01-31 | 2023-04-28 | 东华大学 | 一种谐波减速器出厂合格性判定方法及装置 |
-
2022
- 2022-06-22 CN CN202210711962.2A patent/CN115165078A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116026586A (zh) * | 2023-01-31 | 2023-04-28 | 东华大学 | 一种谐波减速器出厂合格性判定方法及装置 |
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