CN101382451A - 超声液浸换能器声场精密测量方法 - Google Patents

Abstract

一种超声液浸换能器声场精密测量方法，其特征在于：其包括三个步骤，其中，第一步测量没有钻孔的小钢球反射的被测换能器的声场中每一测量点处的声压值，并存储下来；第二步测量钻有通孔的小钢球反射的被测换能器的声场中每一测量点处的声压值，并存储下来；第三步将存储的每个同一测量点处的没有钻孔的小钢球反射的被测换能器声场的声压值减去钻有通孔的小钢球反射的被测换能器声场的声压值，就能得到钻有通孔的小钢球的通孔直径大小的声压值，当通孔越小时，计算得到的声压值就越接近一点的声压值。

Description

超声液浸换能器声场精密测量方法

技术领域：

本发明涉及一种超声液浸换能器声场的精密测量方法，尤其涉及一种超声水浸换能器声场的精密测量方法。

背景技术：

超声液浸换能器的性能在超声无损检测技术中起着非常重要的作用，其中声场的声压分布特性是衡量超声换能器的重要性能参数之一，它对缺陷检测的分辨率、定位和尺寸的判断有极大的影响，随着超声液浸换能器服役时间的增加会发生匹配层磨损、机电耦合性能衰退等现象而导致超声液浸换能器性能变化，因此，定期对声场参数进行检测，并在使用过程中进行校准后使用，对提高超声检测的正确率有着非常重要的意义。

目前，国内外测量超声液浸换能器声场的方法主要有辐射力法、水听器法、光纤检测法、光学检测法和小球反射法。由于采用小球反射法的测量装置操作方便，结构简单，成本较低，所以在实际声场测量中得到广泛应用。在基于小球反射法的超声液浸换能器脉冲声场特性测量中，是利用被测超声液浸换能器接收由它本身激发的并被小球散射的声场声压，因为小球的尺寸较小，因此可以将被测超声液浸换能器接收到的声压近似作为被测超声液浸换能器声场中小球球面反射顶点处的声压。这种方法要求小球的尺寸要很小，最好是一个理想的点，但在实际使用中小球的尺寸不能太小，因为如果小球尺寸太小，小球反射的超声波也相应很微弱，这样被测换能器就有可能接收不到这微弱的超声信号，或者这些微弱的超声信号的幅度与噪声信号的幅度已具有可比性，被测换能器即使接收到超声信号也不能用于有效的分析计算。所以现在普遍采用直径为4-5毫米的小球作为反射体，在基于这种尺寸的反射小球声场测量中，测量精度不高，不能正确地反映超声液浸换能器的真实声场。

发明内容：

针对上述背景技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种超声液浸换能器声场的精密测量方法，实现对超声液浸换能器声场的精密测量。

本发明所述的超声液浸换能器声场精密测量方法分为三步，第一步：测量没有钻孔的小钢球反射的被测换能器的声场中每一测量点处的声压值，并存储下来。其包括，将被测超声换能器连接到信号导管的下端，将没有钻孔的小钢球与小钢球支架固定，将小钢球支架放在反射斜面座的通孔中，用顶丝将其固定，将所述反射斜面座放在被测超声换能器的正下方，没有钻孔的小钢球正对着被测超声换能器的超声发射面，被测超声换能器产生的脉冲超声波在传播中遇到没有钻孔的小钢球后，就会被没有钻孔的小钢球反射回去并被被测超声换能器接收，由于被测超声换能器的接收面是有一定尺寸的，所以没有钻孔的小钢球的一小块区域所反射的超声波能够被被测超声换能器接收，被测超声换能器将接收到的信号传送到数据处理存储器中，经过数据处理存储器的处理而得到声压值，并将此声压值存储下来。当反射斜面座静止时，由三维运动控制器控制步进电机运转，步进电机带动X、Y和Z方向导轨运动，从而带动被测超声换能器相对于没有钻孔的小钢球进行空间三维运动，则这样就可以测得被测超声换能器的三维声场中每一测量点处没有钻孔的小钢球反射的声压值。

没有被没有钻孔的小钢球反射的超声波会继续向前传播到反射斜面座的上表面上，由于反射斜面座的上表面与下表面呈30度倾斜，可以将这部分超声波以与入射方向呈60度夹角反射出去，使得被测超声换能器接收不到这部分超声波。这样，就不会影响超声换能器声场的测量结果了。

第二步：测量钻有通孔的小钢球反射的被测换能器的声场中每一测量点处的声压值，并存储下来。其包括，将被测超声换能器连接到信号导管上，将钻有通孔的小钢球与小钢球支架固定，值得说明的是，钻有通孔的小钢球与没有钻孔的小钢球的尺寸是一样的，将小钢球支架放在反射斜面座的通孔中，用顶丝将其固定，将所述反射斜面座放在被测超声换能器的正下方，钻有通孔的小钢球的通孔正对着被测超声换能器的超声发射面，被测超声换能器产生的脉冲超声波在传播中遇到钻有通孔的小钢球后，就会被钻有通孔的小钢球反射，同样被测换能器只能接收到钻有通孔的小钢球的一小块区域反射的超声波，并且这一小块区域还不包括钻有通孔的小钢球上的通孔区域，通孔区域的超声波已经被通孔内的吸声材料吸收了，被测超声换能器将接收到的信号传送到数据处理存储器中，经过数据处理存储器的处理而得到声压值，并将此声压值存储下来。与第一步中一样，可以通过步进电机带动被测超声换能器相对于钻有通孔的小钢球进行空间三维运动，则这样就可以测得被测超声换能器的三维声场中每一测量点处钻有通孔的小钢球反射的声压值。与第一步中一样没有被钻有通孔的小钢球反射的超声波也不会影响超声换能器声场的测量结果。

第三步：将存储的每个测量点处的没有钻孔的小钢球反射的声压值减去钻有通孔的小钢球反射的声压值，就能得到钻有通孔的小钢球的通孔直径大小的声压值，当通孔越小时，计算得到的声压值就越接近一点的声压值，这比直接用小钢球反射式测量和水听器测量的精度要高。经过实验验证当钻有通孔的小钢球的通孔直径小于二十分之一的被测超声换能器的直径，并且小钢球的直径小于八分之一的被测超声换能器的直径时，可以得到较好的测量结果。

本发明所述的超声液浸换能器声场精密测量方法采用的测量装置包括：三维扫查架、吸声水槽、反射斜面座、钻有通孔的小钢球、没有钻孔的小钢球、小钢球支架、超声换能器架、数据处理存储器、三维运动控制器、步进电机。吸声水槽位于三维扫查架的内部；三维扫查架的三维运动部分在吸声水槽的上方；反射斜面座位于吸声水槽底面上，处于三维扫查架的三维运动部分的下方；钻有通孔的小钢球固定于小钢球支架上；没有钻孔的小钢球固定于小钢球支架上；小钢球支架固定于反射斜面座上；超声换能器架通过螺纹固定在三维扫查架上；数据处理存储器与被测超声换能器之间用信号线连接；三维运动控制器与步进电机之间用信号线和电源线连接；步进电机通过螺纹固定在三维扫查架上。

所述三维扫查架具有四根支撑杆，两根X方向导轨，一根Y方向导轨，一根Z方向导轨。四根支撑杆通过螺纹连接四个地角螺母，可实现四根支撑杆高度的调整。两根X方向导轨通过螺纹固定在四根支撑杆上，并跟与其连接的支撑杆呈90度夹角。Y方向导轨通过螺纹固定在X方向导轨的滑块上，Z方向导轨通过螺纹固定在Y方向导轨的滑块上。

所述吸声水槽的内表面粘贴吸声材料，并具有超大测量范围，达到X方向1300毫米，Y方向700毫米，Z方向800毫米。

所述超声换能器架包括超声换能器的信号导管和信号导管固定机构，信号导管固定机构通过螺纹固定在Z方向导轨的滑块上，信号导管由两个顶丝固定在固定机构上。信号导管的一端接有被测超声换能器，另一端接有数据处理存储器和超声信号激发接收电路。

所述反射斜面座的上表面相对于水平的下表面呈30度倾斜，并且反射斜面座的上表面是光滑的，虽然本实施例中是采用30度倾斜，但通过实际应用，发现在10度到70度的范围内都是可以的；在该反射斜面座上钻有一通孔，用于放置小钢球支架，并通过顶丝将小钢球支架固定在通孔中。

所述钻有通孔的小钢球可以通过焊接或者过盈配合的方式与小钢球支架固定，并且小钢球的表面经过抛光处理，小钢球的通孔中填充吸声材料。

所述没有钻孔的小钢球可以通过焊接或者过盈配合的方式与小钢球支架固定，并且小钢球的表面经过抛光处理。

附图说明：

图1是本发明所述超声液浸换能器声场测量装置的整体结构示意图；

图2是本发明所述超声液浸换能器声场测量装置中的三维扫查架的结构示意图；

图3是本发明所述超声液浸换能器声场测量装置中的超声换能器架的结构示意图；

图4是本发明所述超声液浸换能器声场测量装置中的反射斜面座的结构示意图；

图5是本发明所述超声液浸换能器声场测量装置中的钻有通孔的小钢球的结构示意图；以及

图6是本发明所述超声液浸换能器声场测量装置中的没有钻孔的小钢球的结构示意图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明所述超声液浸换能器声场精密测量方法采用的测量装置由三维扫查架1、吸声水槽2、反射斜面座3、钻有通孔的小钢球4、没有钻孔的小钢球5、小钢球支架6a、6b、超声换能器架7、数据处理存储器8、三维运动控制器9、步进电机10。吸声水槽2位于三维扫查架1的内部，三维扫查架1的三维运动部分在吸声水槽2的上方；反射斜面座3位于吸声水槽2底面上，处于三维扫查架1的三维运动部分的下方；超声换能器架7通过螺纹固定在三维扫查架1上；数据处理存储器8与被测超声换能器20之间用信号线连接；三维运动控制器9与步进电机10之间用信号线和电源线连接；步进电机10通过螺纹固定在三维扫查架1上。

如图2所示，三维扫查架1的四根支撑杆11通过螺纹连接四个地角螺母12。两根X方向导轨13通过螺纹固定在四根支撑杆11上，并跟与其连接的支撑杆11呈90度夹角。Y方向导轨15通过螺纹固定在X方向导轨13的滑块14上，Z方向导轨17通过螺纹固定在Y方向导轨15的滑块16上，三个步进电机10通过螺纹分别与X方向导轨13中的一根、Y方向导轨15、Z方向导轨17连接。采用了所述步进电机的超声液浸换能器精密测量装置操作方便，自动化程度高。虽然本实施例中采用的是步进电机，但是也可以采用伺服电机。

如图3所示，超声换能器架7由信号导管71和信号导管固定机构72组成，信号导管固定机构72通过螺纹固定在Z方向导轨17的滑块18上，信号导管71由两个顶丝固定在信号导管固定机构72上。信号导管71的一端接有被测超声换能器20，另一端接有数据处理存储器8和超声信号激发接收电路80。

如图4所示，反射斜面座3的上表面31与水平的下表面32呈30度倾斜，反射斜面座3的上表面31是光滑的并具有大于被测超声换能器20尺寸的尺寸，虽然本实施例中是采用30度倾斜，但通过实际应用，发现在10度到70度的范围内都是可以的。在反射斜面座3的中心钻有一通孔33，小钢球支架6a/6b放置于通孔33中，并用顶丝将其固定。虽然本实施例中是在反射斜面座3的中心钻有通孔33，但并不仅限于中心位置。

如图5所示，钻有通孔的小钢球4可以通过焊接或者过盈配合的方式与小钢球支架6b固定，并且小钢球4经过抛光处理，小钢球4的通孔中填充吸声材料。

如图6所示，没有钻孔的小钢球5可以通过焊接或者过盈配合的方式与小钢球支架6a固定，并且小钢球5经过抛光处理。采用所述钻有通孔的小钢球和没有钻孔的小钢球的本发明的超声液浸换能器声场精密测量装置操作方便，结构简单，价格低廉，而且测量精度高。

本发明所述的超声液浸换能器声场精密测量方法分为三步，第一步：测量没有钻孔的小钢球反射的被测换能器的声场中每一测量点处的声压值，并存储下来。其包括，将被测超声换能器20连接到信号导管71的下端，将没有钻孔的小钢球5与小钢球支架6a固定，将小钢球支架6a放在反射斜面座3的通孔33中，用顶丝将其固定，将所述反射斜面座3放在被测超声换能器20的正下方，没有钻孔的小钢球5正对着被测超声换能器20的超声发射面，被测超声换能器20产生的脉冲超声波在传播中遇到没有钻孔的小钢球5后，就会被没有钻孔的小钢球5反射回去并被被测超声换能器20接收，由于被测超声换能器20的接收面是有一定尺寸的，所以没有钻孔的小钢球5的一小块区域所反射的超声波能够被被测超声换能器20接收，被测超声换能器20将接收到的信号传送到数据处理存储器8中，经过数据处理存储器8的处理而得到声压值，并将此声压值存储下来。当反射斜面座3静止时，由三维运动控制器9控制步进电机10运转，步进电机10带动X、Y和Z方向导轨13、15和17运动，从而带动被测超声换能器20相对于没有钻孔的小钢球5进行空间三维运动，则这样就可以测得被测超声换能器20的三维声场中每一测量点处没有钻孔的小钢球5反射的声压值。

没有被没有钻孔的小钢球5反射的超声波会继续向前传播到反射斜面座3的上表面31上，由于反射斜面座3的上表面31与下表面32呈30度倾斜，可以将这部分超声波以与入射方向呈60度夹角反射出去，使得被测超声换能器20接收不到这部分超声波。这样，就不会影响超声换能器声场的测量结果了。

第二步：测量钻有通孔的小钢球反射的被测换能器的声场中每一测量点处的声压值，并存储下来。其包括，将被测超声换能器20连接到信号导管71上，将钻有通孔的小钢球4与小钢球支架6b固定，值得说明的是，钻有通孔的小钢球4与没有钻孔的小钢球5的尺寸是一样的，将小钢球支架6b放在反射斜面座3的通孔33中，用顶丝将其固定，将所述反射斜面座3放在被测超声换能器20的正下方，钻有通孔的小钢球4的通孔正对着被测超声换能器20的超声发射面，被测超声换能器20产生的脉冲超声波在传播中遇到钻有通孔的小钢球4后，就会被钻有通孔的小钢球4反射，同样被测换能器20只能接收到钻有通孔的小钢球4的一小块区域反射的超声波，并且这一小块区域还不包括钻有通孔的小钢球4上的通孔区域，通孔区域的超声波已经被通孔内的吸声材料吸收了，被测超声换能器20将接收到的信号传送到数据处理存储器8中，经过数据处理存储器8的处理而得到声压值，并将此声压值存储下来。与第一步中一样，可以通过步进电机10带动被测超声换能器20相对于钻有通孔的小钢球4进行空间三维运动，则这样就可以测得被测超声换能器20的三维声场中每一测量点处钻有通孔的小钢球4反射的声压值。与第一步中一样没有被钻有通孔的小钢球4反射的超声波也不会影响超声换能器声场的测量结果。

第三步：将存储的每个测量点处的没有钻孔的小钢球5反射的声压值减去钻有通孔的小钢球4反射的声压值，就能得到钻有通孔的小钢球4的通孔直径大小的声压值，当通孔越小时，计算得到的声压值就越接近一点的声压值，这比直接用小钢球反射式测量和水听器测量的精度要高。经过实验验证当钻有通孔的小钢球4的通孔直径小于二十分之一的被测超声换能器20的直径，并且小钢球4的直径小于八分之一的被测超声换能器20的直径时，可以得到较好的测量结果。

Claims (10)

1.一种超声液浸换能器声场精密测量方法，其特征在于：其包括三个步骤，其中，第一步测量没有钻孔的小钢球反射的被测换能器的声场中每一测量点处的声压值，并存储下来；第二步测量钻有通孔的小钢球反射的被测换能器的声场中每一测量点处的声压值，并存储下来；第三步将存储的每个同一测量点处的没有钻孔的小钢球反射的被测换能器声场的声压值减去钻有通孔的小钢球反射的被测换能器声场的声压值，就能得到钻有通孔的小钢球的通孔直径大小的声压值，当通孔越小时，计算得到的声压值就越接近一点的声压值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中第一步包括：将被测超声换能器连接到信号导管的下端，将没有钻孔的小钢球与小钢球支架固定，将小钢球支架放在反射斜面座的通孔中，用顶丝将其固定，将所述反射斜面座放在被测超声换能器的正下方，没有钻孔的小钢球正对着被测超声换能器的超声发射面，被测超声换能器产生的脉冲超声波在传播中遇到没有钻孔的小钢球后，就会被没有钻孔的小钢球反射回去并被被测超声换能器接收，由于被测超声换能器的接收面是有一定尺寸的，所以没有钻孔的小钢球的一小块区域所反射的超声波能够被被测超声换能器接收，被测超声换能器将接收到的信号传送到数据处理存储器中，经过数据处理存储器的处理而得到声压值，并将此声压值存储下来。当反射斜面座静止时，由三维运动控制器控制步进电机运转，步进电机带动X、Y和Z方向导轨运动，从而带动被测超声换能器相对于没有钻孔的小钢球进行空间三维运动，则这样就可以测得被测超声换能器的三维声场中每一测量点处没有钻孔的小钢球反射的声压值。

3.根据权利要求1所述的方法，其中第二步包括：将被测超声换能器连接到信号导管上，将钻有通孔的小钢球与小钢球支架固定，值得说明的是，钻有通孔的小钢球与没有钻孔的小钢球的尺寸是一样的，将小钢球支架放在反射斜面座的通孔中，用顶丝将其固定，将所述反射斜面座放在被测超声换能器的正下方，钻有通孔的小钢球的通孔正对着被测超声换能器的超声发射面，被测超声换能器产生的脉冲超声波在传播中遇到钻有通孔的小钢球后，就会被钻有通孔的小钢球反射，同样被测换能器只能接收到钻有通孔的小钢球的一小块区域反射的超声波，并且这一小块区域还不包括钻有通孔的小钢球上的通孔区域，通孔区域的超声波已经被通孔内的吸声材料吸收了，被测超声换能器将接收到的信号传送到数据处理存储器中，经过数据处理存储器的处理而得到声压值，并将此声压值存储下来。与第一步中一样，可以通过步进电机带动被测超声换能器相对于钻有通孔的小钢球进行空间三维运动，则这样就可以测得被测超声换能器的三维声场中每一测量点处钻有通孔的小钢球反射的声压值。

4.根据权利要求1所述的方法采用的测量装置，其特征在于：其包括三维扫查架、吸声水槽、反射斜面座、钻有通孔的小钢球、没有钻孔的小钢球、小钢球支架、超声换能器架、数据处理存储器、三维运动控制器、步进电机，其中，吸声水槽位于三维扫查架的内部；三维扫查架的三维运动部分在吸声水槽的上方；反射斜面座位于吸声水槽底面上，处于三维扫查架的三维运动部分的下方；钻有通孔的小钢球固定于一个小钢球支架上；没有钻孔的小钢球固定于另一个小钢球支架上；小钢球支架固定于反射斜面座上；超声换能器架通过螺纹固定在三维扫查架上；数据处理存储器与被测超声换能器之间用信号线连接；三维运动控制器与步进电机之间用信号线和电源线连接；步进电机通过螺纹固定在三维扫查架上。

5.根据权利要求1所述的方法采用的测量装置，其特征在于：所述三维扫查架具有四根支撑杆，两根X方向导轨，一根Y方向导轨，一根Z方向导轨，四根支撑杆通过螺纹连接四个地角螺母，可实现四根支撑杆高度的调整；两根X方向导轨通过螺纹固定在四根支撑杆上，并跟与其连接的支撑杆呈90度夹角；Y方向导轨通过螺纹固定在X方向导轨的滑块上；Z方向导轨通过螺纹固定在Y方向导轨的滑块上。

6.根据权利要求1所述的方法采用的测量装置，其特征在于：所述吸声水槽的内表面粘贴吸声材料，吸声水槽具有超大测量范围，达到X方向1300毫米，Y方向700毫米，Z方向800毫米。

7.根据权利要求1所述的方法采用的测量装置，其特征在于：所述超声换能器架包括超声换能器的信号导管和信号导管固定机构，信号导管固定机构通过螺纹固定在Z方向导轨的滑块上；信号导管由两个顶丝固定在固定机构上，信号导管的一端接有超声换能器，另一端接有数据处理存储器和超声信号激发接收电路。

8.根据权利要求1所述的方法采用的测量装置，其特征在于：所述反射斜面座的上表面相对于水平的下表面呈角度倾斜，所述角度在10度到70度的范围内，并且反射斜面座的上表面是光滑的；在该反射斜面座上钻有一通孔，用于放置小钢球支架，并通过顶丝将小钢球支架固定在通孔中。

9.根据权利要求1所述的方法采用的测量装置，其特征在于：所述钻有通孔的小钢球可以通过焊接或者过盈配合的方式与小钢球支架固定，并且小钢球的表面经过抛光处理，小钢球的通孔中填充吸声材料。

10.根据权利要求1所述的方法采用的测量装置，其特征在于：所述没有钻孔的小钢球可以通过焊接或者过盈配合的方式与小钢球支架固定，并且小钢球的表面经过抛光处理。

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