CN106338331A - 一种超声水听器灵敏度多频点绝对校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声水听器灵敏度多频点绝对校准方法，利用单频正弦填充脉冲信号激励聚焦换能器，产生用于校准超声水听器的灵敏度的谐波信号，利用光学方法得到各次谐波的声压量值，再将待校水听器置于声场中相同位置，测量其开路输出电压，一次校准即得到超声水听器多个频率点的灵敏度；本发明的有益效果：1)采用聚焦换能器产生谐波声场用作校准信号，避免了宽带校准过程中频繁更换辅助发射器，提高了校准效率；2)利用聚焦换能器声波在其声焦点附近会形成“准平面波”特性，避免了水听器校准时需要在声学远场进行，减少了信号距离衰减的影响，提高了信噪比；3)采用光学方法对水听器灵敏度进行校准，是一种绝对校准方法。

Description

一种超声水听器灵敏度多频点绝对校准方法

技术领域

本发明属于水声声压计量校准技术领域，尤其涉及一种超声水听器灵敏度多频点绝对校准方法。

背景技术

超声水听器广泛用于医疗超声和检测超声等设备输出声压的测量和校准，为了保证声压量值的准确性，必须对超声参考水听器和测量水听器的的灵敏度进行计量和校准。通常超声水听器灵敏度的校准有绝对法和比较法。绝对法校准一般采用两换能器互易法进行，校准过程中需要对发射器——反射靶以及发射器——待校水听器对进行分别定位调节，利用转移阻抗关系即可得到待校水听器的绝对灵敏度量值，校准结果的不确定度较小，但是校准频率较高时，校准效率很低。比较法校准一般是将待校准水听器和已知灵敏度的参考水听器置于相同的声场激励条件下，通过比较二者的输出得到待校水听器的灵敏度，由于是通过参考水听器进行量值传递，因此校准结果的不确定度相对于绝对法要大，只适合对测量水听器进行校准。无论是互易法还是比较法，通常在校准时均是采用单频信号，对待校水听器在每个离散频率点的灵敏度进行逐点校准，为了实现在较宽频段内水听器灵敏度的校准，往往需要更换不同工作频段的发射器，更换后需要重新完成发射器和待校水听器的调节对准。校准过程较为繁琐，每次校准耗费的时间长，校准效率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种超声水听器灵敏度多频点绝对校准方法，具有实施简便、校准效率高等显著特点，适用于超声水听器自由场灵敏度的校准。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，该方法包括如下步骤：

1)、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聚焦换能器向水介质中辐射声波，聚焦换能器通过能量汇聚作用将声波汇聚在其焦点区域；反光膜片置于测量水槽中，反光膜片处于聚焦换能器的声学焦点之后，激光测振仪发出的激光束穿过透光窗，入射到反光膜片上，入射激光束经反光膜片反射后返回激光测振仪，由激光测振仪完成光学信号的解调和输出，得到反光膜片所在处的质点振速信号；

2)、质点振速信号经过数字滤波器滤波后，输入到数字示波器，控制计算机采集数字示波器的信号并进行FFT处理，可以得到信号中各阶谐波信号的幅度，根据质点振速与声压的关系，即可得到各阶谐波信号的声压量值；

3)、移走反光膜片，将待校水听器置于声场中反光膜片所在的位置，声中心与激光束在反光膜片上的入射点重合，保持发射信号不变，对待校水听器的输出信号进行滤波、采集和处理；同样，可得到待校水听器对应各阶谐波的开路电压信号；

4)、根据水听器自由场电压灵敏度的定义，便可以得到待校水听器在多个频率点上的灵敏度。

作为优选，所述的聚焦换能器，其对声波能量的汇聚是通过采用凹球面型自聚焦或者采用声透镜聚焦的方式实现。

作为优选，在聚焦换能器焦点区域，该处谐波信号的声波相位面呈“准平面波”形式。

作为优选，所述的测量水槽和激光测振仪放置在光学隔振平台上，该测量水槽的水槽壁上装有便于激光束入射的透光窗，测量水槽的内部布放有减少混响时间的吸声尖劈。

本发明的有益效果为：

1)、本发明技术方案采用聚焦换能器对声波能量的汇聚作用，在焦点区域附近产生非线性作用，产生谐波声场提供校准信号，避免了宽带校准过程中频繁更换辅助发射器，提高了校准效率；

2)、本发明技术方案采用聚焦换能器作为辅助发射器，由于聚焦换能器在其声焦点附近会形成“准平面波”特性，避免了采用通常的辅助发射器校准时需要在声学远场进行校准的条件，减少了校准信号距离衰减的影响，提高了校准时的信噪比；

3)、本发明技术方案采用光学方法测量得到声场声压量值，对水听器灵敏度进行校准，是一种绝对校准方法，光学方法具有很高的空间分辨率，并且对声场不会产生扰动，同时，由于激光测振仪的频响具有宽带性和平坦性的特点，使得谐波信号的声压幅度的测量结果更准确。

附图说明

图1是本发明所采用的技术方案示意框图；

图2是本发明的PVDF膜片水听器结构示意图；

图3是本发明的聚焦换能器声场分布图；

图4是本发明的聚焦换能器焦点处的声压幅度分布图；

图5是本发明的聚焦换能器焦点区域的声压相位分布图；

图6是本发明的聚焦换能器声信号图。

附图中的标号分别为：1、信号源；2、功率放大器；3、聚焦换能器；4、反光膜片；5、测量水槽；6、激光测振仪；7、数字滤波器；8、数字示波器；9、控制计算机；10、待校水听器；11、光学隔振平台；12、定位机构。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：如附图1所示，包括信号源1、功率放大器2、聚焦换能器3、反光膜片4、激光测振仪6、数字滤波器7、数字示波器8、控制计算机9、测量水槽5、待校水听器10、定位机构12和光学隔振平台11。在于，1)、信号源1产生正弦填充脉冲波信号，经过功率放大器2放大后驱动聚焦换能器3向水介质中辐射声波，聚焦换能器3通过能量汇聚作用将声波汇聚在其焦点区域；反光膜片4置于测量水槽5中，反光膜片4处于聚焦换能器3的声学焦点之后，激光测振仪6发出的激光束穿过透光窗51，入射到反光膜片4上，入射激光束经反光膜片4反射后返回激光测振仪6，由激光测振仪6完成光学信号的解调和输出，得到反光膜片4所在处的质点振速信号；2)、质点振速信号经过数字滤波器7滤波后，输入到数字示波器8，控制计算机9采集数字示波器8的信号并进行FFT处理，可以得到信号中各阶谐波信号的幅度，根据质点振速与声压的关系，即可得到各阶谐波信号的声压量值；3)、移走反光膜片4，将待校水听器10置于声场中反光膜片4所在的位置，声中心与激光束在反光膜片4上的入射点重合，保持发射信号不变，对待校水听器10的输出信号进行滤波、采集和处理；同样，可得到待校水听器10对应各阶谐波的开路电压信号；4)、根据水听器自由场电压灵敏度的定义，便可以得到待校水听器10在多个频率点上的灵敏度。

所述的信号源1，为商业通用仪表，主要功能是产生频率和幅度值稳定的周期性正弦填充脉冲波信号，能够对信号的频率、幅度和信号形式等进行设定，同时能够提供稳定可靠的触发信号输出，具备计算机程控接口。

所述的功率放大器2，可采用商业通用仪表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，具有足够的增益，满足激励发射换能器进行工作的要求。在本发明中，主要是对信号源的输出信号进行功率放大，驱动聚焦换能器3产生高能输出，使得聚焦换能器3在焦点区域产生非线性效应，激励各阶谐波的产生。

所述的聚焦换能器3，其声能量的汇聚是通过采用凹球面型自聚焦或者采用透镜聚焦的方式实现，其主要功能是对功率放大器2输出的电信号转换为声信号，并通过用对声波能量的汇聚作用使声能量汇聚于焦点区域，从而在聚焦换能器3焦点及过焦点的区域内形成谐波声场，为校准提供声信号。

所述的反光膜片4，根据声信号的频率进行设计，其厚度应远小于波长，反光膜片4的主要功能是，能将激光测振仪6的入射激光束进行反射，同时反光膜片4不会影响声场中声波的传播。

所述的激光测振仪6，采用商业通用仪表或者根据设计要求订制，其工作带宽应不小于校准频率范围，并且在工作带宽内具有平坦的响应。其主要功能是，利用光学方法对振动幅度进行精确的测量。

所述的数字滤波器7，为商业通用仪表，主要功能是对输入信号进行调理(滤波和放大等)，并得到高质量的信号进行输出，具备计算机程控接口。

所述的数字示波器8，为商业通用仪表，主要功能是对输入的信号进行采集、处理和显示，具备计算机程控接口。

所述的控制计算机9，为商业通用计算机或者工控机等，其主要功能是通过接口控制，利用软件实现对信号源1、数字滤波器7和数字示波器8的程控，实现自动校准。

所述的测量水槽5，主要功能是提供校准的声场环境，水槽壁上装有透光窗51，便于激光束的入射。同时，为了减少混响时间，在水槽的内部布放吸声尖劈52。

所述的定位机构12，主要功能是实现聚焦换能器3、反光膜片4和待校水听器10在声场中的定位和对准等功能。

所述的光学隔振平台11，为商业通用隔振平台，其主要功能是通过被动隔振等方式减小或消除来自环境的低频振动干扰。

下面结合附图1给出本发明用于校准一只PVDF膜片水听器(图2)的实施过程和仿真例：

信号源1产生单频正弦波填充脉冲信号，经过功率放大器2放大后激励聚焦换能器3向水中辐射声波，产生校准声场，典型的聚焦换能器声场分布如图3至5所示。可见聚焦换能器3通过能量汇聚作用将声波汇聚在其焦点区域，焦点区域声压幅度最大，声压相位呈现“准平面波”特征。

将反光膜片4置于聚焦换能器3的焦点区域，激光束入射到反光膜片4上，通过调节聚焦换能器3和反光膜片4的相对位置，使得激光测振仪6的输出信号达到最大。调节功率放大器增益，使得激光测振仪6测量的信号发生畸变，产生谐波，典型的信号如图6所示，对采集的时域信号进行FFT处理，信号成分中包含基频波、一次谐波、二次谐波等高次谐波信号，分别记录各谐波信号的幅度，计算得到声压信号的幅度p₀，p₁，p₂……p_N。

移走反光膜片4，将待校水听器10置换到反光膜片4所在的位置，使得待校水听器10的敏感元件与激光点重合，微调待校水听器10，保持发射换能器状态不变，采集待校水听器10输出的电压信号，对采集的水听器信号进行FFT处理，分别记录各谐波信号的幅度u₀，u₁，u₂……u_N。

根据水听器自由场电压灵敏度的定义：

M＝u/p

即可得到待校水听器10在基频及各个谐波频率点上的绝对灵敏度量值M₀，M₁，M₂，……M_N。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种超声水听器灵敏度多频点绝对校准方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

1)、信号源(1)产生正弦填充脉冲波信号，经过功率放大器(2)放大后驱动聚焦换能器(3)向水介质中辐射声波，聚焦换能器(3)通过能量汇聚作用将声波汇聚在其焦点区域；反光膜片(4)置于测量水槽(5)中，反光膜片(4)处于聚焦换能器(3)的声学焦点之后，激光测振仪(6)发出的激光束穿过透光窗(51)，入射到反光膜片(4)上，入射激光束经反光膜片(4)反射后返回激光测振仪(6)，由激光测振仪(6)完成光学信号的解调和输出，得到反光膜片(4)所在处的质点振速信号；

2)、质点振速信号经过数字滤波器(7)滤波后，输入到数字示波器(8)，控制计算机(9)采集数字示波器(8)的信号并进行FFT处理，得到信号中各阶谐波信号的幅度，根据质点振速与声压的关系，即可得到各阶谐波信号的声压量值；

3)、移走反光膜片(4)，将待校水听器(10)置于声场中反光膜片(4)所在的位置，声中心与激光束在反光膜片(4)上的入射点重合，保持发射信号不变，对待校水听器(10)的输出信号进行滤波、采集和处理；同样，得到待校水听器(10)对应各阶谐波的开路电压信号；

4)、根据水听器自由场电压灵敏度的定义，便得到待校水听器(10)在多个频率点上的灵敏度。

2.根据权利要求1所述的超声水听器灵敏度多频点绝对校准方法，其特征在于：所述的聚焦换能器(3)，其对声波能量的汇聚是通过采用凹球面型自聚焦或者采用声透镜聚焦的方式实现。

3.根据权利要求1所述的超声水听器灵敏度多频点绝对校准方法，其特征在于：在聚焦换能器(3)焦点区域，该处谐波信号的声波相位面呈“准平面波”形式。

4.根据权利要求1所述的超声水听器灵敏度多频点绝对校准方法，其特征在于：所述的测量水槽(5)和激光测振仪(6)放置在光学隔振平台(11)上，该测量水槽(5)的水槽壁上装有便于激光束入射的透光窗(51)，测量水槽(5)的内部布放有减少混响时间的吸声尖劈(52)。