CN103575381A - 基于动态光弹性法的超声换能器声场的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于动态光弹性法的超声换能器声场的测量方法，该方法包括以下步骤：超声换能器在样品中产生辐射声场，光源发射产生光脉冲；采集所述辐射声场的应力大小和分布的瞬态声场图像和稳态声场图像；将所述瞬态声场图像进行灰度化处理，得到灰度化瞬态声场图像；根据所述灰度化瞬态声场图像进行处理计算，得出超声换能器声场的波长和中心频率；将所述稳态声场图像进行灰度化处理，得到灰度化稳态声场图像；根据所述灰度化稳态声场图像进行处理，得出所述超声换能器声场的近场距离、指向性和扩散角。本发明采用动态光弹性法，利用对瞬态声场图像和稳态声场图像的处理，快速准确地获得超声换能器声场的信息。

Description

基于动态光弹性法的超声换能器声场的测量方法
技术领域
本发明涉及超声换能器声场的测量方法，特别是涉及一种基于动态光弹性法的超声换能器声场的测量方法。
背景技术
超声换能器是指将其他形式能量转换为声能的器件。在超声波的产生方式中，应用最为广泛的是压电换能器。超声换能器声场的测试对于超声检测具有基础性作用。传统的超声换能器声场测试方法有两种：一是水浸法；二是试块法。
水浸法一般将直径1mm的小钢球固定在水中，改变超声换能器的倾角和与钢球的距离，通过测量不同距离、不同倾角时的回波幅度，逐步测出超声换能器的声场。由于水中只能传播纵波，不能传播横波，水浸法只能测量纵波换能器声场。而且水的声速、声阻抗和工业普遍使用的金属材料差异非常大，水浸法测得的声场不能反应金属中的真实声场，应用受到一定限制。
试块法需制备一系列不同直径的半圆试块，试块的均匀性难以保证，而且每个试块的不同扩散角度都要扫描一遍，操作较繁琐。尤其是横波换能器，需要粘贴到试块表面，每换一个测量点，接收换能器都要重新粘贴，扫描过程更为繁琐，一致性也难以保证。
因此，利用传统的超声换能器声场测试方法测得的声场特征受到接收换能器特性和接收电路的影响，并不是实际的声场。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种基于动态光弹性法的超声换能器声场的测量方法，以实现准确获得超声换能器声场的特征。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于动态光弹性法的超声换能器声场的测量方法，该方法包括以下步骤：超声换能器在样品中产生辐射声场，光源发射产生光脉冲；采集所述辐射声场的应力大小和分布的瞬态声场图像和稳态声场图像；将所述瞬态声场图像进行灰度化处理，得到灰度化瞬态声场图像；根据所述灰度化瞬态声场图像进行处理计算，得出超声换能器声场的波长和中心频率；将所述稳态声场图像进行灰度化处理，得到灰度化稳态声场图像；根据所述灰度化稳态声场图像进行处理，得出所述超声换能器声场的近场距离、指向性和扩散角。
进一步地，所述采集所述辐射声场的应力大小和分布的瞬态声场图像和稳态声场图像包括以下步骤：调整成像系统中的起偏器的偏振方向，调整所述成像系统中的检偏器的方向使之与所述偏振方向垂直；光源发射产生光脉冲，窄脉冲电信号激励所述超声换能器产生超声波脉冲，数字CCD相机拍摄第一瞬态声场图像；同时同方向旋转所述起偏器和所述检偏器各45°角，所述数字CCD相机拍摄第二瞬态声场图像；叠加所述第一瞬态声场图像和所述第二瞬态声场图像，得出第三瞬态声场图像；根据所述第三瞬态声场图像进行处理计算，得出所述超声换能器声场的波长；调节所述超声波脉冲与所述光脉冲的相对延时，所述数字CCD相机拍摄第四瞬态声场图像；同时同方向旋转所述起偏器和所述检偏器各45°角，所述数字CCD相机拍摄第五瞬态声场图像；叠加所述第四瞬态声场图像和所述第五瞬态声场图像，得出第六瞬态声场图像；根据所述第三瞬态声场图像和所述第六瞬态声场图像进行处理计算，得出样品中的声速；根据所述波长和所述声速计算，得到所述超声换能器声场的中心频率；采用具有所述中心频率的多周期脉冲串电信号激励所述超声换能器产生超声波脉冲，所述数字CCD相机拍摄第一稳态声场图像；同时同方向旋转所述起偏器和所述检偏器各45°，所述数字CCD相机拍摄第二稳态声场图像；叠加所述第一稳态声场图像和所述第二稳态声场图像，得出第三稳态声场图像。
进一步地，所述调整成像系统中的起偏器的偏振方向的调节具体为：当采用纵波换能器时，所述偏振方向与所述纵波换能器的朝向成45°角；当采用横波换能器时，所述偏振方向与所述横波换能器的朝向一致。
进一步地，所述根据所述第三瞬态声场图像进行处理计算，得出超声换能器声场的波长，具体为：所述第三瞬态声场图像中相邻两条亮条纹中心距离的两倍为所述超声换能器声场的波长。
进一步地，所述根据所述第三瞬态声场图像和所述第六瞬态声场图像进行处理计算，得出样品中的声速，具体为：所述第六瞬态声场图像亮条纹中心相对于所述第三瞬态声场图像亮条纹中心的移动距离除以相对延时量，得出所述样品中的声速。
进一步地，所述根据所述波长和所述声速计算，得到所述超声换能器声场的中心频率，具体为：所述声速除以所述波长得出所述超声换能器声场的中心频率。
优选地，所述样品为透明固体。
优选地，所述成像系统中，将所述超声换能器固定在所述样品的一侧。
优选地，所述超声换能器的固定具体为：纵波换能器使用水耦合，横波换能器使用粘稠蜂蜜或胶粘剂粘贴。
本发明的优点是利用动态光弹性法，直观地显示和测量透明固体中的超声换能器声场的信息；利用对灰度化瞬态声场图像和灰度化稳态声场图像的处理，快速准确地获得超声换能器声场的信息。
附图说明
图1为本发明的超声换能器声场的测量方法实施例一的流程图；
图2为本发明的超声换能器声场的测量方法实施例二的流程图；
图3为本发明的实施例二的纵波换能器瞬态声场图像；
图4为本发明的实施例二的纵波换能器稳态声场图像；
图5为本发明的实施例二的纵波换能器声场指向性图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明的测量超声换能器的方法是利用动态光弹性法，采集辐射声场的应力大小和分布的瞬态声场图像和稳态声场图像，经过对瞬态声场图像和稳态声场图像的处理，最终得出超声换能器声场的准确特征。
图1为本发明的超声换能器声场的测量方法实施例一的流程图，如图所示，该方法包括以下步骤：
步骤101，超声换能器在样品中产生辐射声场，光源发射产生光脉冲。
步骤102，采集辐射声场的应力大小和分布的瞬态声场图像和稳态声场图像。
步骤103，将瞬态声场图像进行灰度化处理，得到灰度化瞬态声场图像。
步骤104，根据灰度化瞬态声场图像进行处理计算，得出超声换能器声场的波长和中心频率。
步骤105，将稳态声场图像进行灰度化处理，得到灰度化稳态声场图像。
步骤106，根据灰度化稳态声场图像进行处理，得出超声换能器声场的近场距离、指向性及扩散角。
本实施例一中，利用对瞬态声场图像和灰度化稳态声场图像的处理，达到了快速准确地获得超声换能器声场特征的效果。
图2为本发明的超声换能器声场的测量方法实施例二的流程图，如图所示，包含如下步骤：
步骤201，将超声换能器固定在透明固体上。
具体地，当采用纵波换能器时，使用水将其耦合在透明固体上；当采用横波换能器时，使用粘稠蜂蜜或者胶粘剂将其粘贴在透明固体上。
步骤202，调整成像系统中的起偏器和检偏器的偏振方向。
具体地，当采用纵波换能器时，调整成像系统中起偏器的偏振方向与纵波换能器的朝向成45°角，当采用横波换能器时，调整成像系统中起偏器的偏振方向与横波换能器的朝向一致；与此同时，调整成像系统中检偏器的方向，使之与相对应的起偏器的方向垂直。
步骤203，拍摄第一瞬态声场图像和第二瞬态声场图像，叠加得出第三瞬态声场图像并进行处理计算得出超声换能器声场的波长。
具体地，利用光源发射产生光脉冲，利用窄脉冲电信号激励超声换能器产生超声波脉冲，此时，利用数字电荷耦合元件（Charge Coupled Device,CCD）相机拍摄该状态下的第一瞬态声场图像；同时同方向旋转起偏器和检偏器各45°角，数字CCD相机拍摄第二瞬态声场图像；叠加第一瞬态声场图像和第二瞬态声场图像，得出第三瞬态声场图像。
图3为本发明的实施例二的纵波换能器瞬态声场图像，对CCD相机上的图片进行动态预览直到观察到瞬态声场图像，将该图像记录下来作为第一瞬态声场图像，同时同方向旋转起偏器和检偏器各45°角，数字CCD相机拍摄第二瞬态声场图像；叠加第一瞬态声场图像和第二瞬态声场图像得出第三瞬态声场图像并进行灰度化处理，如图3所示，可以得出图中相邻两条亮条纹的中心距离，中心距离的两倍即为超声换能器声场的波长。
步骤204，拍摄第四瞬态声场图像和第五瞬态声场图像，叠加得到第六瞬态声场图像并进行处理计算，得出固体中的声速和超声换能器声场的中心频率。
具体地，调节超声波脉冲与光脉冲的相对延时，此时，利用数字CCD相机拍摄第四瞬态声场图像；同时同方向旋转起偏器和检偏器各45°角，此时，利用数字CCD相机拍摄第五瞬态声场图像。拍摄记录方法和步骤203中拍摄第一瞬态声场图像和第二瞬态声场的方法相同。叠加第四瞬态声场图像和第五瞬态声场图像得到第六瞬态声场图像并进行灰度化处理，根据灰度化的第三瞬态声场图像和灰度化的第六瞬态声场图像可以得出两图中亮条纹中心的移动距离，用该移动距离除以超声波脉冲与光脉冲的相对延时的调节量，得出固体中的声速。例如相对延时调节量为4μs，亮条纹移动距离为23.56mm时，该固体中的纵波声速为5890m/s。
根据步骤203得出的超声换能器声场的波长和步骤204得出的固体中的声速可以得出待测波场的中心频率，固体中的声速除以超声换能器声场的波长得出的参数即为超声换能器声场的中心频率。
步骤205，拍摄第一稳态声场图像、第二稳态声场图像，并处理得出灰度化的第三稳态声场图像。
具体地，利用具有步骤204得出的中心频率的多周期脉冲串电信号激励超声换能器产生超声波脉冲，此时，利用数字CCD相机拍摄该状态下的第一稳态声场。
图4为本发明的实施例二的纵波换能器稳态声场图像，对CCD相机上的图片进行动态预览直到观察到稳态声场图像，将该图像记录下来作为第一稳态声场图像。
同时同方向旋转起偏器和检偏器各45°角，此时，利用数字CCD相机拍摄第二稳态声场图像。
叠加以上得出的第一稳态声场和第二稳态声场，得出第三稳态声场，并将第三稳态声场进行灰度化处理，得到灰度化的第三稳态声场图像。
步骤206，根据灰度化的第三稳态声场图像，得出超声换能器声场的近场距离、指向性及扩散角。
具体地，读取灰度化的第三稳态声场图像中超声换能器轴线上的灰度值，距离超声换能器轴线最远处的值即极大值为超声换能器声场的近场距离。
图5为本发明的实施例二的纵波换能器声场指向性图，读取以灰度化的第三稳态声场图像中的换能器中心为圆心，任意长度为半径的圆上的灰度值，并在极坐标中绘出，即可获得超声换能器声场在该长度位置的指向性，例如，当长度取4.1cm时，其指向性如图5所示。
读取以灰度化的第三稳态声场图像中的换能器中心为圆心，任意远场距离为半径的圆上的灰度值，以轴线上的某一灰度值为标准，轴线两侧灰度值下降到该灰度值的一半时，对应的角度为超声换能器的扩散角。
本发明采用动态光弹性法来测量超声换能器的声场，通过采集并处理辐射声场的瞬态声场图像，得出超声换能器声场的波长和中心频率，通过采集并处理辐射声场的稳态声场图像，得出超声换能器声场的近场距离、指向性和扩散角，达到快速准确地获得超声换能器声场特征的效果。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于动态光弹性法的超声换能器声场的测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
超声换能器在样品中产生辐射声场，光源发射产生光脉冲；
采集所述辐射声场的应力大小和分布的瞬态声场图像和稳态声场图像；
将所述瞬态声场图像进行灰度化处理，得到灰度化瞬态声场图像；
根据所述灰度化瞬态声场图像进行处理计算，得出超声换能器声场的波长和中心频率；
将所述稳态声场图像进行灰度化处理，得到灰度化稳态声场图像；
根据所述灰度化稳态声场图像进行处理，得出所述超声换能器声场的近场距离、指向性和扩散角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集所述辐射声场的应力大小和分布的瞬态声场图像和稳态声场图像包括以下步骤：
调整成像系统中的起偏器的偏振方向，调整所述成像系统中的检偏器的方向使之与所述偏振方向垂直；
光源发射产生光脉冲，窄脉冲电信号激励所述超声换能器产生超声波脉冲，数字CCD相机拍摄第一瞬态声场图像；同时同方向旋转所述起偏器和所述检偏器各45°角，所述数字CCD相机拍摄第二瞬态声场图像；叠加所述第一瞬态声场图像和所述第二瞬态声场图像，得出第三瞬态声场图像；
根据所述第三瞬态声场图像进行处理计算，得出所述超声换能器声场的波长；
调节所述超声波脉冲与所述光脉冲的相对延时，所述数字CCD相机拍摄第四瞬态声场图像；同时同方向旋转所述起偏器和所述检偏器各45°角，所述数字CCD相机拍摄第五瞬态声场图像；叠加所述第四瞬态声场图像和所述第五瞬态声场图像，得出第六瞬态声场图像；
根据所述第三瞬态声场图像和所述第六瞬态声场图像进行处理计算，得出样品中的声速；
根据所述波长和所述声速计算，得到所述超声换能器声场的中心频率；
采用具有所述中心频率的多周期脉冲串电信号激励所述超声换能器产生超声波脉冲，所述数字CCD相机拍摄第一稳态声场图像；
同时同方向旋转所述起偏器和所述检偏器各45°，所述数字CCD相机拍摄第二稳态声场图像；
叠加所述第一稳态声场图像和所述第二稳态声场图像，得出第三稳态声场图像。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调整成像系统中的起偏器的偏振方向的调节具体为：当采用纵波换能器时，所述偏振方向与所述纵波换能器的朝向成45°角；当采用横波换能器时，所述偏振方向与所述横波换能器的朝向一致。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述第三瞬态声场图像进行处理计算，得出超声换能器声场的波长，具体为：所述第三瞬态声场图像中相邻两条亮条纹中心距离的两倍为所述超声换能器声场的波长。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述第三瞬态声场图像和所述第六瞬态声场图像进行处理计算，得出样品中的声速，具体为：所述第六瞬态声场图像亮条纹中心相对于所述第三瞬态声场图像亮条纹中心的移动距离除以相对延时量，得出所述样品中的声速。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述波长和所述声速计算，得到所述超声换能器声场的中心频率，具体为：所述声速除以所述波长得出所述超声换能器声场的中心频率。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述样品为透明固体。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成像系统中，将所述超声换能器固定在所述样品的一侧。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述超声换能器的固定具体为：纵波换能器使用水耦合，横波换能器使用粘稠蜂蜜或胶粘剂粘贴。
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