基于凌華PCI-9846高速數(shù)字化儀的復(fù)雜超聲場(chǎng)自動(dòng)檢測(cè)與分析

　　系統(tǒng)整合了精密機(jī)器人，硬件和各軟件子系統(tǒng)的組成聲場(chǎng)自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)。在實(shí)際測(cè)量中，利用其高空間分辨率和實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性，可對(duì)超聲換能器的聲場(chǎng)特性和頻率特性準(zhǔn)確測(cè)定，及理論模型的建立提供了有效數(shù)據(jù)。

　　5.系統(tǒng)功能的驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證系統(tǒng)的主要功能，選擇一標(biāo)準(zhǔn)的凹球殼自聚焦超聲換能器，連續(xù)波超聲功率源驅(qū)動(dòng)進(jìn)行超聲場(chǎng)聲壓分布參數(shù)的驗(yàn)證測(cè)試。換能器設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)分別為：換能器輻射面出口半徑r=30mm，球殼曲率半徑R=90mm，輻射中心頻率f=1.3MHz，水介質(zhì)的聲速取1500m/s。測(cè)量聲場(chǎng)的關(guān)鍵參數(shù)包括聲壓，聲強(qiáng)和聲焦域等，相應(yīng)描述聲場(chǎng)的基本形式主要有軸線聲壓曲線圖，焦平面徑向聲壓曲線圖，焦平面聲場(chǎng)曲面圖，焦斑三維立體圖。

　　經(jīng)過測(cè)試換能器軸線聲壓曲線圖顯示了軸線上聲壓幅值隨距離的變化的規(guī)律。水聽器初始位置為聲束中心軸線距離換能器40mm，經(jīng)逐點(diǎn)掃描到140mm處結(jié)束，各點(diǎn)間距為0.5mm，測(cè)量值與理論值驗(yàn)證的結(jié)果如圖5-1所示：

　　圖5-1 軸向聲壓分布的理論值與測(cè)量值；（a）本文系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量值 （b）聚焦超聲場(chǎng)理論模型仿真值和測(cè)量值比較

　　圖5-1（a）是本文開發(fā)的系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)值，該數(shù)據(jù)點(diǎn)是由機(jī)器人單軸掃描方式測(cè)試而得。圖5-1（b）是在軸向上根據(jù)經(jīng)典聲場(chǎng)軸向聲壓分布模型建模計(jì)算的聲壓理論值與實(shí)測(cè)值比較的結(jié)果，波動(dòng)的曲線是實(shí)際測(cè)量值，光滑實(shí)線是理論模型值。由模型可知在焦點(diǎn)以外的聲壓分布顯示為低能量振蕩，并逐漸衰減，而且在近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的衰減幅度并不對(duì)稱。測(cè)試結(jié)果顯示測(cè)量值與理論值在主峰處擬和得很好，但是在旁瓣處，測(cè)量的聲壓值偏大，主要由于高頻超聲換能器在連續(xù)脈沖的激勵(lì)下產(chǎn)生復(fù)雜的諧波，水聽器和凌華科技9846H數(shù)字化儀響應(yīng)頻率范圍寬，檢測(cè)到的多種諧波頻率分量疊加產(chǎn)生的能量，而理論模型和手工示波器檢測(cè)固定在一個(gè)核心頻率處，使信息不全。

　　由于發(fā)射換能器為凹球殼面，傳播的波面也為球面，可以測(cè)量在焦平面一條直徑的聲壓曲線圖，作為超聲場(chǎng)分布的一個(gè)特性，反映了沿徑向聲壓幅值隨距離的變化規(guī)律，掃描各點(diǎn)間距為0.05mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5-2所示。

　　圖5-2 焦平面面徑向聲壓分布的理論值與測(cè)量值比較結(jié)果；（a）測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量值 （b）聚焦超聲場(chǎng)理論模型仿真值和測(cè)量值比較結(jié)果

　　圖5-2（a）是本文系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)是由單軸掃描方式測(cè)得。圖5-2（b）是在焦平面徑向上經(jīng)經(jīng)典聲壓理論建模計(jì)算的值與實(shí)際值比較結(jié)果。波動(dòng)的曲線是實(shí)際測(cè)量值，光滑實(shí)線是理論模擬值，可見焦平面聲壓分布是振蕩而且沿中心點(diǎn)對(duì)稱分布的。從圖5-2（b）理論值與實(shí)際測(cè)量值比較結(jié)果可知，主峰處擬和得比較好，但是在旁瓣處，實(shí)際測(cè)的值豐富，原因仍是由于超聲換能器有復(fù)雜的諧波，水聽器與凌華科技9846H數(shù)字化儀頻率響應(yīng)寬，可采集到諧波能量，理論模型只是核心頻率建立的模型。

　　在焦平面上，按規(guī)定的掃描路徑，順序測(cè)量聲場(chǎng)中各點(diǎn)的聲壓值，掃描步距為0.5mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和焦平面的理論模型如下圖5-3所示：

　　圖5-3 測(cè)試換能器焦平面聲壓分布的實(shí)際測(cè)量值（a）與聲場(chǎng)理論模型仿真值

　　圖5-3圖中（a）圖是基于精密機(jī)器人測(cè)量和分析系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量的焦平面數(shù)據(jù)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)點(diǎn)是由機(jī)器人聲場(chǎng)掃描運(yùn)動(dòng)軟件測(cè)試并保存，經(jīng)測(cè)量超聲聲場(chǎng)分析軟件處理而得。（b）圖是由在焦平面上建模計(jì)算的聲壓理論值。從焦域的二維模型可知，焦平面上聲壓的能量比較集中，聲壓沿徑向是振蕩衰減的，非焦點(diǎn)區(qū)域的能量分布很低，而且單頻凹球殼的聲場(chǎng)在焦平面是沿超聲換能器的主軸線中心對(duì)稱分布的。比較實(shí)際值與理論值可知，在聚焦區(qū)域的主峰處擬合很好，在非聚焦區(qū)域?qū)嶋H測(cè)量值更豐富，表現(xiàn)出凌華科技PCI-9846H良好的寬帶頻率響應(yīng)，使采集到的數(shù)據(jù)比單頻率的理論模型貼切實(shí)際情況，對(duì)換能器設(shè)計(jì)參數(shù)及制作工藝及產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)估及安全使用有重要的意義。

　　6. 結(jié)論

　　通過驗(yàn)證試驗(yàn)可見，以凌華科技9846高性能數(shù)字化儀為中心的，超聲信號(hào)采集與分析系統(tǒng)可滿足超聲場(chǎng)自動(dòng)測(cè)量與建模的應(yīng)用，使信號(hào)采集的精度、速度，及參數(shù)的測(cè)量比以往有很多的改進(jìn)。本文以凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀為中心，組合前置放大器與水聽器，開發(fā)高效聲場(chǎng)信號(hào)采集系統(tǒng)，通過高效的數(shù)據(jù)采集模塊，將三維聲場(chǎng)的聲壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和保存。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四軸精密工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制與自動(dòng)信號(hào)采集與測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了超聲場(chǎng)任意部位的立體定位及測(cè)量點(diǎn)自動(dòng)定位控制和數(shù)據(jù)采集之間的協(xié)調(diào)。實(shí)現(xiàn)了聲場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的回放及多功能綜合分析系統(tǒng)及三維聲場(chǎng)的可視化分析與顯示。

　　該超聲場(chǎng)自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)聲場(chǎng)的分布參數(shù)和頻率特性進(jìn)行了準(zhǔn)確可靠的測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示，測(cè)量點(diǎn)可達(dá)到較高的高空間分辨率，能精確快速的完成聲場(chǎng)檢測(cè)，使采集到得超聲場(chǎng)信號(hào)譜更廣。經(jīng)過驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)量功能的的準(zhǔn)確性，通過可視化圖形顯示，對(duì)數(shù)據(jù)分析更直觀，全面和精確，為超聲換能器的性能評(píng)估及超聲場(chǎng)人體的生物效應(yīng)建模提供了有效的參數(shù)。