CN102857850B - 一种高频超声发射器及阵列声学参数近场校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高频超声发射器及阵列声学参数的近场校准方法，通过在高频发射器及阵列的近场获取相距很近的两个相互平行的平面上的复声压数据，采用差分近似的方法得到该位置处的质点振速分布，构建基于质点振速信息的“次级声源”，然后采用瑞利积分公式对发射器及阵列的声场进行计算，从而得到高频发射器及阵列声场的声学参数。本发明的有益效果是：该校准方法具有实施简便、计算高效、准确等显著特点，适合用于任意形状的高频超声发射器及其阵列的声场中声压量的校准和测试。

Description

一种高频超声发射器及阵列声学参数近场校准方法

所属技术领域

本发明涉及超声换能器声学参数测量和校准领域，具体属于水下超声学测量和校准领域，主要是一种高频超声发射器及阵列声学参数近场校准方法。

背景技术

通常换能器或者声基阵声学性能的检测需要满足远场距离条件(l≥D²/λ)，但是随着发射换能器或者声基阵工作频率的提高，对于相同的换能器的尺寸，其远场距离增大，测试水池较难满足要求。另外，高频声波能量随距离的增加衰减严重，远场检测所需要满足的信噪比条件很可能难以满足。同时随着频率的提高，换能器的指向性也变得更为尖锐，在远场测试时，与接收换能器声轴的对准也变得更加困难。另一方面，对于用在医疗超声中的聚焦换能器，人们往往更加关心其焦点处的性能参数而不是远场性能。这些参数的确定同样需要测量在焦点处的声压分布。但是，在聚焦换能器的焦点区域由于能量的会聚作用，声强很高，直接用水听器在其焦点区域内进行测量，会对水听器产生不可逆转的破坏性作用，造成水听器的损坏，增加了校准检测的成本。

为了解决大型声基阵的校准问题，自20世纪80年代以来各国相继展开近场校准技术广泛的理论和实验研究，尤其以近场声全息技术NAH(Near-field Acoustic Holography)的研究更为热点。其基本原理是在声场的菲涅尔区测量声场的全息声压数据，利用声场变换技术，重建任意形状的声源的声场。近场校准技术在低频和中频段的发射器和基阵的校准中应用的较为成熟，对于高频段发射器和声基阵采用在其近场测量复声压数据进而利用该数据推算其远场的声学参数是具有局限性的。这是由于，随着频率的升高，声波的波长变短，当采用高频水听器对声压场的声压幅度和相位进行测量时，相位值往往受定位精度的影响会产生较大的误差，因此会影响对其远场声学参数的计算精度。

发明内容

本发明的目的是为了解决高频超声发射器及其阵列在远场声学参数测量过程中实施困难、信噪比无法满足等问题，提出了一种高频超声发射器及其阵列声学参数的近场校准方法，同时为避免高频发射器或者阵列近场测量过程中声压相位测量的局限性，通过在高频发射器或者阵列的近场获取两组距离很近且相互平行的测量面的复声压数据，利用有限差分近似构建一个虚拟的“次级声源”，然后，采用瑞利积分的方法可以计算得到高频超声发射器及或者阵列的远场中给定点处的声压量值，并在此方法的基础上建立了一套校准系统。该校准方法具有实施简便、计算高效、准确等显著特点，适合用于任意形状的高频超声发射器及其阵列的声场中声压量的校准和测试。

本发明采用的技术方案：这种高频超声发射器及阵列声学参数近场校准方法，通过在高频超声发射器或者阵列的近场区域获取两组距离为Δz且相互平行的测量面内的复声压数据，利用有限差分构建一个基于质点振速的虚拟的“次级声源”；然后，利用次级声源的振速分布数据，采用瑞利积分的方法计算得到高频超声发射器及阵列的声场中给定位置处的声压量值。

更进一步，高频超声发射器及阵列声场中任意一点(x,y,z)处的速度势函数表示为：

$\mathrm{\ψ}(x,y,z)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{s}{\∫}u\frac{e^{-\mathrm{jkr}}}{r}\mathrm{ds}---\left(1\right)$

其中，u=u₀e^jωt为发射器表面法向质点振速，u₀为质点振速的幅值，ω为角频率，k=ω/c为波数，表示发射器表面一点到声场中一点(x,y,z)处的距离，s为发射器的工作面的面积；

声场中某点处质点振速沿着r方向的分量v_r和该点的复声压p有如下的定义：

$v_r=-\frac{\∂\mathrm{\ψ}}{\∂r}---\left(2\right)$

和

$p=\mathrm{\ρ}\frac{\∂\mathrm{\ψ}}{\∂t}=\mathrm{j\ω\ρ\ψ}=\mathrm{j\ρck\ψ}---\left(3\right)$

ρ为介质的密度，c为介质中的声速；

由（2）（3）两式可以得到：

$v_r=-\frac{1}{\mathrm{j\ρck}}\frac{\∂p}{\∂r}=\frac{j}{\mathrm{\ρck}}\frac{\∂p}{\∂r}---\left(4\right)$

次级声源面法向质点振速v表示为v_r到发射器表面法线n的投影，

$v=\frac{j}{\mathrm{\ρck}}\frac{\∂p}{\∂r}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{j}{\mathrm{\ρck}}\frac{\∂p}{\∂z}---\left(5\right)$

其中，cos(θ)=z/r，方程（5）表明，次级声源的质点振速由声压沿z方向的导数确定，以差分的形式表示即为：

$\frac{\∂p}{\∂z}\≈\frac{p(x,y,z+\mathrm{\Δz}/2)-p(x,y,z-\mathrm{\Δz}/2)}{\mathrm{\Δz}}---\left(6\right)$

Δz为沿z方向很小的空间间隔，因此，次级声源的法向质点振速近似认为由两个距离很近的声压测量面上的复声压数据计算得到，即次级声源的法向质点振速正比于声压的有限差分；得到次级声源的质点振速后，就可由方程（3）计算得到声场中给定点处的声压值：

$p=\frac{\mathrm{j\ρck}}{2\mathrm{\π}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{S_n}{\∫}{v}_n\frac{e^{-\mathrm{jk}{r}_n}}{r_n}d{s}_n---\left(7\right)$

N是次级声源面的总的单元数，v_n是n个单元的法向质点振速。

更进一步，相互平行的测量面之间的距离Δz应满足远小于高频超声发射器及阵列发射声波在水中的波长λ，保证相位的变化远小于2π，即Δz<<λ。

更进一步，测量面，其覆盖的区域应包含高频超声发射器及阵列发射声波能量的95%以上，测量平面内测量点的空间间隔Δd≤λ/3。

本发明的有益效果是：

（1）本发明技术方案采用近场测量的方法，因此，对于高频发射器性能参数的评估在实验室的有限尺寸的水槽中即可开展。

（2）本发明技术方案中不是直接利用测量得到的复声压数据用作高频发射器声场参数的计算，而是利用两组复声压数据进行有限差分，近似得到声场的质点振速数据，重新构建一个虚拟的“声源”阵列，这就可以很大消除相位测量误差对推算结果的影响。

（3）本发明技术方案中直接采用复声压有限差分近似质点振速方法重建激励源，而不是采用矩阵求逆的方法获得激励源，因此，计算速度更快。

（4）本发明技术方案中是通过重构“次级声源”，与发射器本身形状无关，因此该方案适用于任何形状发射器的声场参数计算。

（5）对于具有轴对称特性的发射器，复声压的测量仅需沿着发射器的半径方向测量两条平行线上的复声压数据即可，这种情况下，本发明技术方案的实施更具高效性。

附图说明：

图1本发明所采用的技术方案示意框图；

图2“次级声源”的构建示意图；

图3平面换能器示意图；

图4位置1处的声压幅度和相位；

图5位置2处的声压幅度和相位；

图6计算结果与实际结果的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步的说明，本发明用于校准一平面发射器（图3）声场的实施过程和实施例：

如图1所示，如图1所示，本发明一种高频超声发射器及其阵列声学参数近场校准方法，测试校准装置主要包括信号源、功率放大器、高精度三维扫描运动定位机构、高频水听器、前置放大器、数字示波器、程控计算机等。在于，信号源产生正弦填充脉冲波信号，经过功率放大器放大后驱动高频超声发射器或阵列向水中辐射声波，高频针型水听器或者膜片型水听器安装在高精度三维扫描运动定位机构上，高频水听器采集的信号经过前置放大器后，再由数字示波器进行采集和显示。信号源同步信号接至数字示波器外部触发输入。程控计算机通过RS232接口控制实现对高精度三维扫描运动定位机构的运动控制，完成各轴直线步进运动。高频水听器运行到指定位置后，程控计算机对数字示波器的信号进行采集，并完成FFT分析，即得到声场中该位置处的声压幅度和相位。重复以上控制和采集的过程，即可得到位置1处整个测量面上的复声压数据，如图4所示。将高精度三维运动机构运行到位置2处（与平面之间的距离为0.2mm），重复在位置1处的控制和采集过程，即可完成位置2处与测量平面1相平行的另一测量面上复声压的获取，结果如图5所示。获取得到位置1和位置2处测量得到的两组复声压数据数据后，根据公式（5）和公式（6）利用有限差分近似，便得到位置0处“次级声源”的振速分布。利用次级声源的振速分布数据，根据公式（7）采用瑞利积分，即可得到高频超声发射器及其阵列声场中给定位置处（距离换能器表面5cm处）的声压量值，计算结果与实际结果的比较如图6所示。

本发明的测量原理，如图2所示，高频发射器及阵列声场中任意一点(x,y,z)处的速度势函数可以表示为：

$\mathrm{\&psi;}(x,y,z)=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\underset{s}{\&Integral;}u\frac{e^{-\mathrm{jkr}}}{r}\mathrm{ds}---\left(1\right)$

其中，u=u₀e^jωt为发射器表面法向质点振速，u₀为质点振速的幅值，ω为角频率，k=ω/c为波数，表示发射器表面一点到声场中一点(x,y,z)处的距离，s为发射器的工作面的面积。

声场中某点处质点振速沿着r方向的分量v_r和该点的复声压p有如下的定义：

$v_r=-\frac{\&PartialD;\mathrm{\&psi;}}{\&PartialD;r}---\left(2\right)$

和

$p=\mathrm{\&rho;}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&psi;}}{\&PartialD;t}=\mathrm{j\&omega;\&rho;\&psi;}=\mathrm{j\&rho;ck\&psi;}---\left(3\right)$

ρ为介质的密度，c为介质中的声速。

由（2）（3）两式可以得到：

$v_r=-\frac{1}{\mathrm{j\&rho;ck}}\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;r}=\frac{j}{\mathrm{\&rho;ck}}\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;r}---\left(4\right)$

次级声源面法向质点振速v可以表示为v_r到发射器表面法线n的投影，

$v=\frac{j}{\mathrm{\&rho;ck}}\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;r}\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{j}{\mathrm{\&rho;ck}}\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;z}---\left(5\right)$

其中，cos(θ)=z/r，方程（5）表明，次级声源的质点振速可以由声压沿z方向的导数确定，以差分的形式表示即为：

$\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;z}\&ap;\frac{p(x,y,z+\mathrm{\&Delta;z}/2)-p(x,y,z-\mathrm{\&Delta;z}/2)}{\mathrm{\&Delta;z}}---\left(6\right)$

Δz为沿z方向很小的空间间隔，因此，次级声源的法向质点振速可以近似认为由两个距离很近的声压测量面上的复声压数据计算得到，即次级声源的法向质点振速正比于声压的有限差分。通常为保证近似的精确性，Δz要足够小以保证相位的变化远小于2π，即kΔz≤2π，因此Δz≤λ。得到次级声源的质点振速后，就可由方程（3）计算得到声场中给定点处的声压值：

$p=\frac{\mathrm{j\&rho;ck}}{2\mathrm{\&pi;}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{S_n}{\&Integral;}{v}_n\frac{e^{-\mathrm{jk}{r}_n}}{r_n}d{s}_n---\left(7\right)$

N是次级声源面的总的单元数，v_n是n个单元的法向质点振速。

所述的信号源，一般采用商业化的信号发生器，根据测量需求选定，测量时设定好信号的工作频率、幅值、信号形式（正弦、方波、三角波、脉冲或连续波等）等参数，将信号输入到功率放大器进行放大。

所述的功率放大器，一般采用商业化的功率放大器或者根据设计要求订制。其作用是在其标定的频率或者工作频带内对信号源的输出信号进行放大，满足激励发射换能器进行工作的要求。

所述的高精度三维扫描运动定位机构，其主要功能是用于安装和固定高频水听器，通过计算机接口控制，实现高频水听器在测量平面位置上扫描运动和精确定位，具有不低于0.1mm的位置分辨率和0.05mm的定位精度。

所述的高频水听器，一般采用针型水听器或者膜片型水听器，其有源元件满足超声场测试的相关要求，能够完成高频发射器及阵列信号的检测。

所述的前置放大器，一般选用商业化的设备，根据所需要的工作频段和放大增益进行选定。其主要功能是对高频水听器输出的电信号进行放大。

所述的数字示波器，一般根据工作频段和采样率需求选用商业化的设备。其主要功能是对激光测振仪的检测信号进行采集、显示和数据分析读取。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种高频超声发射器及阵列声学参数近场校准方法，其特征在于：通过在高频超声发射器或者阵列的近场区域获取两组距离为Δz且相互平行的测量面内的复声压数据，利用有限差分构建一个基于质点振速的虚拟的“次级声源”；然后，利用次级声源的振速分布数据，采用瑞利积分的方法计算得到高频超声发射器及阵列的声场中给定位置处的声压量值；

高频超声发射器及阵列声场中任意一点(x,y,z)处的速度势函数表示为：

$\mathrm{\&psi;}(x,y,z)=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\underset{s}{\&Integral;}u\frac{e^{-\mathrm{jkr}}}{r}\mathrm{ds}---\left(1\right)$

其中，u＝u₀e^jωt为发射器表面法向质点振速，u₀为质点振速的幅值，ω为角频率，k＝ω/c为波数，表示发射器表面一点到声场中一点(x,y,z)处的距离，s为发射器的工作面的面积；

声场中某点处质点振速沿着r方向的分量v_r和该点的复声压p有如下的定义：

$v_r=-\frac{\&PartialD;\mathrm{\&psi;}}{\&PartialD;r}---\left(2\right)$

和

$p=\mathrm{\&rho;}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&psi;}}{\&PartialD;t}=\mathrm{j\&omega;\&rho;\&psi;}=\mathrm{j\&rho;ck\&psi;}---\left(3\right)$

ρ为介质的密度，c为介质中的声速；

由(2)(3)两式可以得到：

$v_r=-\frac{1}{\mathrm{j\&rho;ck}}\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;r}=\frac{j}{\mathrm{\&rho;ck}}\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;r}---\left(4\right)$

次级声源面法向质点振速v表示为v_r到发射器表面法线n的投影，

$v=\frac{j}{\mathrm{\&rho;ck}}\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;r}\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{j}{\mathrm{\&rho;ck}}\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;z}---\left(5\right)$

其中，cos(θ)＝z/r，方程(5)表明，次级声源的质点振速由声压沿z方向的导数确定，以差分的形式表示即为：

$\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;z}\&ap;\frac{p(x,y,z+\mathrm{\&Delta;z}/2)-p(x,y,z-\mathrm{\&Delta;z}/2)}{\mathrm{\&Delta;z}}---\left(6\right)$

Δz为沿z方向很小的空间间隔，因此，次级声源的法向质点振速近似认为由两个距离很近的声压测量面上的复声压数据计算得到，即次级声源的法向质点振速正比于声压的有限差分；得到次级声源的质点振速后，就可由方程(3)计算得到声场中给定点处的声压值：

$p=\frac{\mathrm{j\&rho;ck}}{2\mathrm{\&pi;}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{S_n}{\&Integral;}{v}_n\frac{e^{-\mathrm{jk}{r}_n}}{r_n}d{s}_n---\left(7\right)$

N是次级声源面的总的单元数，v_n是n个单元的法向质点振速。

2.根据权利要求1所述的高频超声发射器及阵列声学参数近场校准方法，其特征在于：相互平行的测量面之间的距离Δz应满足远小于高频超声发射器及阵列发射声波在水中的波长λ，保证相位的变化远小于2π，即Δz<<λ。

3.根据权利要求1所述的高频超声发射器及阵列声学参数近场校准方法，其特征在于：测量面，其覆盖的区域应包含高频超声发射器及阵列发射声波能量的95％以上，测量平面内测量点的空间间隔Δd≤λ/3。