CN100362427C - 声波在固体或液体中传播成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声波在固体或液体中传播的成像方法及装置，属于动态声波传播的成像技术。该方法包括：脉冲发生器将声激发信号发送到发射换能器激发出声场；设定参数开始采集；原始声信号由接收换能器接收，经过放大滤波器发送到高速A/D采集卡，将采样数据保存到计算机；用Matlab进行处理，得到声波在固体和液体中不同时刻的声场分布图像。所述装置包括计算机、脉冲信号发生器、发射换能器、接收换能器、放大滤波器、示波器、A/D采集卡以及坐标架控制器。本发明优点在于：不但适用于透明固体中的声场成像，而且适用于不透明固体及液体；能同时测量固体和液体的声场，更全面地呈现各种媒质中的声传播；所用装置结构简单、易于操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种声波在固体或液体中传播的成像方法及装置，属于动态声波传播的成像技术。
背景技术
到目前为止，最有效而常用的声波传播成像方法有施利仑(Schlieren)法和动态光弹法。施利仑法主要根据声波将导致介质密度变化从而引起光折射率的改变，用光学方法进行成像。50年代起施利仑法被用到液体中显示超声波，也可以用于透明固体，但在液体中比较灵敏，原因是液体中光折射率的改变比较显著。现在对于固体中声波的传播及散射的研究主要用动态光弹法，因此就动态光弹法作一简要介绍。
现有动态光弹技术是对声波在透明固体中传播和散射的过程进行成像。该系统包括(如图1所示)：换能器、声激发脉冲、时钟发生器、延时控制器、光激发脉冲、光源S、透镜(L1，L2)、偏振片(P，A)、样品装置及TV相机或CCT。
上述装置成像过程，先选择光源、确定光脉冲宽度、将制好的样品装好，然后在0时刻发出声激发脉冲，通过延时器，在τ时刻发出光脉冲；最后光线经透镜会聚在TV相机或CCT上记录到透明固体中的声场。
该成像方法只适用液体或透明固体中的声传播过程的测量，要求透明固体样品的残余应力比较小(加工工艺复杂)，具有其一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成像方法及其装置，能够同时测量声波在固体和液体中的传播过程，得到不同时刻固体和液体中的声场分布图像。并且装置结构简单，易于实现。
本发明是通过下述技术方案加以实现的。一种声波在固体或液体中传播过程的成像方法，其特征在于包括以下过程：
1 脉冲发生器发出幅值为15V、脉宽10μs～250μs连续可调的声激发信号到发射换能器，在固体样品中激发出声场分布。
2 在计算机控制界面上设定参数，将移动步长、测量面积两个设定值发送到控制器，同时将采样频率、采样次数、采样长度、触发电平等设定值发送到A/D采集卡，之后开始采集声场原始信号。
3 声场原始信号由接收换能器接收，经过放大滤波器得到最终电压模拟信号，电压模拟信号通过高速A/D转换卡将采样数据发送到计算机。
4 将各点采样数据中同一时刻的数据值抽取出来得到数字矩阵，用Matlab绘图函数(如pcolor/image等)处理，将数字矩阵转化为图形，得到声波在
固体和液体中不同时刻的声场分布图。
实现上述声波在固体或液体中传播过程成像方法的装置，其特征在于该成像装置包括计算机、脉冲信号发生器、受其激发的发射换能器、采集样品激发声场原始信号的接收换能器、电信号放大滤波器、示波器、A/D采集卡以及传递计算机控制接收换能器动作和采集参数的坐标架控制器。
与动态光弹成像系统仅仅呈现透明固体中的声传播过程相比，本发明优点在于：所发明的成像方法不但适用于透明固体中的声波传播过程，而且适用于不透明固体及液体中的声传播过程，能够同时测量固体和液体的声场，更加全面地呈现声波在各种媒质中的传播过程，在界面上的耦合关系，使其应用的范围得到扩展。另外，该方法具有装置结构简单易于操作的特点。
附图说明
图1为现有的动态光弹成像的装置框图，图中L1及L2为透镜，P为起偏振片A为检偏振片，T为换能器，延时控制器的延迟时间可调。
图2为本发明成像装置框图
图3为本发明实施例中所用的模型板，图中发射换能器贴于铝板的边沿。
图4为本发明实施例一所测得的声场分布图像。
图5为本发明实施例二所测得的声场分布图像，该图像是在塑料、铝和有机玻璃组成的模型中测得。
图6为本发明实施例三所测得的声场分布图像，该图像是在铝板上开孔的散射声场下测得的。
具体实施方式
所采用的实验装置：坐标架控制器为北京飞骊佳科技服务有限公司制造，示波器为泰克电子有限公司TDS2014型号，放大器采用普通的电压放大器，所采用的脉冲发生器，其信号的幅值为15V、脉宽10μs～250μs连续可调，接收和发射换能器采用PZ3压电陶瓷。
实施例一：以如图3所示的模型为例来说明一下成像过程：
1.将制好的铝板模型放入实验槽的支架上，实验槽400mm×500mm×180mm，壁厚8mm无顶盖，支架设计为尖端以尽量减小与铝板模型的接触面积(减小支架的影响提高测量质量)，铝板模型尺寸为20mm×200mm×250mm。坐标架上固定有接收换能器，它可以在平面上作自由移动，调节接收换能器使其位于适当的高度，距离平板上表面约为1至2mm。脉冲发生器发出幅值为15V、脉冲宽为20μs的声激发信号激发发射换能器，在样品中激发出相应的声场分布。
2.计算机向坐标架的控制器发送测量参数：测量范围为100×80点，步长为2mm；同时向A/D采集卡发送采样参数：采样频率5000kHz，采样平均次数100，采样长度0.18ms。
3.测量时，通过调节放大滤波器的放大倍数实现对所接收的声信号幅值的控制，使其绝对值小于1V。此时测量过程开始进行，原始声信号经过接收换能器、放大滤波器传送到A/D采集卡得到最终的数字信号。
4.采样结束后，打开数据处理界面，单击“打开文件”按钮，选择数据文件，在“采样点”下面方框输入所需点数的值即可得到该点所对应时刻的整个声场的数字矩阵，经过Matlab程序处理实现实验结果的图形化，如图4所示。
实施例二
模型板尺寸为20mm×200mm×250mm(其中塑料宽为20mm，铝板和有机玻璃板为125mm×180mm)，接收换能器贴于塑料上。测量步骤同实施例一，只需将测量范围参数设置为：80×70，步长2mm(即测量面积160mm×140mm)，其他的参数与实施例一相同，成像结果如图5所示。
实施例三
测量步骤同上，只是将模型换作开一直径为20mm的圆孔铝板，参数设置：步长改为1mm测量面积200mm×150mm，成像结果如图6所示。
Claims (2)
1.一种声波在固体或液体中传播成像方法，其特征在于：该方法包括以下过程：
1)脉冲发生器发出幅值为15V、脉宽10μs～250μs连续可调的声激发信号发送到发射换能器，在固体或液体中激发出声场分布；
2)在计算机控制界面上设定参数，将移动步长、测量面积两个设定值发送到控制器，同时将采样频率、采样次数、采样长度和触发电平的设定值发送到A/D采集卡，之后开始采集声场原始信号；
3)声场原始信号由接收换能器接收，经过放大滤波器得到最终电压模拟信号，电压模拟信号通过A/D转换卡将采样数据发送到计算机；
4)将各点采样数据中同一时刻的数据值抽取出来得到数字矩阵，用Matlab绘图函数进行处理，将数字矩阵转化为图形，得到声波在固体或液体中不同时刻的声场分布图。
2.一种实现权利要求1所述声波在固体或液体中传播成像方法的装置，其特征在于：该成像装置包括计算机，计算机的一接口连接控制器，控制器控制与固体模型接触的接收换能器，接收换能器的输出端与放大滤波器的输入端连接，放大滤波器的输出端并接于示波器和A/D转换卡，计算机的另一接口连接A/D转换卡，该成像装置还包括脉冲信号发生器，脉冲信号发生器的输出端与接触在固体模型的发射换能器相连接。
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