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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(三)

作者: 時(shí)間:2013-11-28 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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:

  基于凌華科技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

  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。

  基于凌華科技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

  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:

  基于凌華科技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

  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


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