超聲聲場測量中水聽器自動準直方法
2023-05-04 02:21:46 3
專利名稱：超聲聲場測量中水聽器自動準直方法
技術領域：
本發明提供的是一種在超聲換能器聲場測量中水聽器與聲軸自動準直的方法。依據近換能器表面水聽器接收到的邊緣波對徑向離軸位置非常敏感，通過邊緣波的幅值判據並結合相應的控制系統可以實現水聽器與聲軸的自動精確準直。
背景技術：
在用水聽器測量換能器聲場過程中，水聽器置於被測換能器前，其接收指向性需和換能器聲束軸向準直，這個過程在幾乎所有換能器聲場測量標準裡均以「使水聽器軸向與換能器軸向處於一條直線上」簡單概括，實際上這個調整過程一般是手工進行的，其準直原則也是使得水聽器接收信號最強。這個過程既費時費力又不容易準確，對於較寬的聲束， 水聽器在偏離聲軸很小距離時，其波形幅值與聲束軸線上幅值相比變化並不大，不容易通過視覺判定該信號是否為「最強」信號，往往給測量帶來不小的誤差。
發明內容
本發明的目的是為了克服在水聽器測量超聲換能器聲場時，水聽器與聲軸對準方法存在的不足，而提供一種基於換能器近場邊緣波峰值的水聽器準直方法，為換能器聲場的精確測量提供了理論支持。本發明的目的是這樣實現的從理論上分析，以圓形換能器為例，通常分析其脈衝聲場時，都引入平面波和邊緣波的概念。平面波是視超聲換能器輻射面為無限大時所產生的聲波，而邊緣波是由實際超聲換能器輻射面的有限性所引起，二者在時間上分開，分開的時間間隔視測量點位置而定，並且二者符號相反。在正對輻射面的柱形區內，首先到達測量點的是平面波，此後才是邊緣波，而輻射面前柱形區域外則只有邊緣波存在。在換能器的遠場，這兩種波在時域上相互疊加無法區分，但是在換能器近場，平面波與邊緣波可以完全分離。邊緣波只有在換能器聲束軸線上時幅值最大，而且對離軸位置非常敏感。所以可以通過該邊緣波的幅值並結合相應的控制系統實現聲軸的精確對準。
四
圖1是換能器空間坐標；圖2是計算得到的軸線上不同距離處換能器輻射聲壓時域波形；圖3是計算得到的距離換能器表面5mm處不同離軸距離上的時域波形；圖4是0. 2mm水聽器實驗測量的不同離軸距離上的時域波形；圖5是水聽器自動準直過程控制流程；
五具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明作更詳細的描述結合圖1，所示為本發明中的空間坐標設置，以被測換能器的孔徑中心為原點，與換能器表面垂直且指向聲束髮射方向的為Z軸；結合圖2，所示為計算得到的軸線上不同距離處換能器輻射聲壓時域波形。其中 (a)圖中第一波群為直達波，第二波群為邊緣波。從(b)圖可以看出距離換能器表面較遠時這兩種波在時域上相互疊加無法區分，但是在換能器近場，平面波與邊緣波可以完全分離。結合圖3，當場點位於聲束軸線上(χ = Omm)時，邊緣波幅值與平面直達波幅值差距不大，但隨著離軸距離的不斷擴大邊緣波迅速衰減，當離軸距離0. 3mm時邊緣波已經衰減為軸線上時的10%左右。可見邊緣波只有在換能器聲束軸線上時幅值最大，但此時的平面直達波的幅值變換不大，也就是說，相對於平面波，邊緣波對於離軸位置更加敏感。這正是該自動準直法的理論基礎。結合圖4，為了驗證該方法的可行性，給出了水聽器的實驗測量結果，測量結果與理論分析完全一致，近換能器表面水聽器接收到的邊緣波對徑向離軸位置非常敏感，可以通過該邊緣波的幅值實現聲軸的精確對準。利用該原理便可以實現水聽器的自動準直，當然還需要硬體和軟體上的設置，對於運動控制算法可以通過軟體程序模塊實現。結合圖5，準直過程的控制流程分為粗略掃描和精確掃描兩個步驟，粗略掃描的目的是快速定位聲軸的大體位置，然後設置較小的掃描步距進行精細掃描。在精細掃描過程中無需進行二維掃描，只需要在換能器的兩個徑向垂直軸上進行掃查即可，例如X軸和Y 軸。精確掃描過程需要實時進行波形特徵值的計算，跟蹤第二波群(邊緣波)幅值的變換情況，找出兩個掃描軸上邊緣波的峰值位置，該位置即是聲軸的真正中心。
權利要求
1.一種在超聲換能器聲場測量中水聽器與聲軸自動準直的方法。其特徵在於依據近換能器表面水聽器接收到的邊緣波對徑向離軸位置非常敏感，通過邊緣波的幅值判據並結合相應的控制系統可以實現水聽器與聲軸的自動精確準直。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在換能器的遠場，這兩種波在時域上相互疊加無法區分，但是在換能器近場，平面波與邊緣波可以完全分離。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於邊緣波只有在換能器聲束軸線上時幅值最大，但此時的平面直達波的幅值變換不大，邊緣波對於離軸位置更加敏感。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於通過邊緣波的幅值變化並結合相應的控制系統實現聲軸的精確對準，對於運動控制算法可以通過控制流程實現。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於控制流程分為粗略掃描和精確掃描兩個步驟，粗略掃描的目的是快速定位聲軸的大體位置，然後設置較小的掃描步距進行精細掃描。
全文摘要
本發明提供的是一種在超聲換能器聲場測量中水聽器與聲軸自動準直的方法。在利用水聽器測量換能器的軸向聲壓時，需要對水聽器和換能器軸向進行準直，使換能器幾何軸線與水聽器接收方向軸線重合，通常都是採用手工調整，目測信號準直的方法。本發明依據近換能器表面水聽器接收到的邊緣波對徑向離軸位置非常敏感，可以通過該邊緣波的幅值實現聲軸的精確對準，並結合相應的控制系統及準直判據可以實現水聽器與聲軸的自動準直。
文檔編號G01H17/00GK102279044SQ20111011224
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月3日 優先權日2011年5月3日
發明者周世圓, 孔濤, 徐春廣, 潘勤學, 肖定國, 趙新玉, 郝娟 申請人:北京理工大學