CN107356320A - 一种脉冲超声声场检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲超声声场检测装置与方法，包括：调节光电探测器与第三凸透镜之间的距离，使各级衍射光均聚焦在光电探测器；调节遮光板将零级光和负一级衍射光挡住，使正一级衍射光进入光电探测器，将光脉冲幅值最大值记为正一级衍射光光强，与总光强I之比满足第一类1阶贝塞尔函数；将示波器的时间尺度调小，衍射光脉冲信号内包含有强度调制信号，调制频率与超声频率相同。根据调制信号的波形计算出此处的相位信息；获取位移平台移动方向上超声声场的声压与相位分布；利用步进电机将超声探头旋转一定角度，得到不同旋转方向上超声声场的声压与相位分布；将不同角度检测数据进行组合，即得到该平面内超声声场的声压与相位分布。

Description

一种脉冲超声声场检测装置与方法

技术领域

本发明涉及超声检测领域，尤其涉及一种脉冲超声声场检测装置与方法。

背景技术

超声检测技术是目前广泛应用于医疗、工业无损检测、水下成像等领域，为保证检测效果的准确性，需在使用前对探头所激发的声场进行检测，因此，能够定量得到探头声场的声压及相位分布显得尤为重要。

根据超声激励信号的不同，可将超声分为由连续信号激发的连续超声和由周期脉冲信号激发的脉冲超声。目前超声声场检测方法主要有以下几种：

1、水听器法：水听器探头由压电材料制成，可将声压信号转换为电信号。将该信号通过电压或电荷放大器放大后，可得到反应声波波形的图像，完成声场中声压的测量。

2、辐射力天平法：将连续声波打在靶上，测定靶上所受辐射力，通过比例成常数计算声功率。

3、纹影法：当声波在介质中传播时，声压改变了介质密度，从而使介质的折射率发生变化，纹影法就是利用介质中光折射率变化反映的密度分布来记录声场。

4、脉冲回波法：利用超声探头的互易性，使用标准试块来对超声探头声场进行测试。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

1)水听器法：水听器本身有一定的体积，在测量声场时会对声场造成干扰。在对不同的探头进行测量时，需要根据探头的频率、形状等选择不同的水听器，适用范围较窄。

2)辐射力天平法：通过辐射力天平法只能得到声功率值，无法得到探头的声场分布，并且辐射力天平法只能适用于形状规则的超声探头发射连续超声的测量，无法测量脉冲超声声场。

3)纹影法：通过纹影法可以得到直观的声场分布，但无法对声场的声压及相位进行定量测量。

4)超声回波法主要应用于评价超声探头性能，无法对声场进行定量测量，引入标准试块同样会对声场造成干扰。

发明内容

本发明提供了一种脉冲超声声场检测装置与方法，本发明采用非侵入式检测，不会对声场造成干扰，可以快速得到超声探头的二维声场声压及相位分布，详见下文描述：

一种脉冲超声声场检测装置，所述检测装置包括：

信号发生器用于产生超声激励信号，当激励信号为周期脉冲时，超声探头输出脉冲超声；功率放大器用于将激励信号放大，驱动超声探头在水槽中产生脉冲声场；

He-Ne激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、水槽、遮光板、以及反光镜均位于同一水平线，激光经过水槽后会被脉冲声场形成的超声光栅衍射，调节遮光板，将零级衍射光和负一级衍射光遮挡，只允许正一级衍射光通过；

正一级衍射光经反光镜反射后，通过第三凸透镜聚焦在光电探测器上，光电探测器输出信号由示波器读取。

其中，所述检测装置还包括：步进电机和位移平台，

所述超声探头固定在步进电机上，步进电机固定在位移平台，使超声探头在垂直于激光方向上平移、并沿声束所在轴线旋转。

其中，所述检测装置还包括：设置在所述水槽底部的吸声材料。

一种脉冲超声声场检测装置的检测方法，当超声波面宽度小于等于1/2光被超声波衍射的特征长度时，所述检测方法包括以下步骤：

1)根据超声探头的中心频率，设置信号发生器的激发脉冲信号频率，激发脉冲个数以及激发脉冲幅度；调节功率放大器的增益，使其输出电压在超声探头的工作电压范围内；信号发生器的两个通道输出相同的波，一路作为超声探头的激励信号，一路作为示波器的触发信号；

2)调节光电探测器与第三凸透镜之间的距离，使各级衍射光均聚焦在光电探测器；调节遮光板将零级光和负一级衍射光挡住，使正一级衍射光进入光电探测器，在示波器上观察到由于衍射产生的光脉冲信号，将此光脉冲幅值最大值记为正一级衍射光光强，正一级衍射光光强I1与总光强I之比满足第一类1阶贝塞尔函数；

3)将示波器的时间尺度调小，衍射光脉冲信号内包含有强度调制信号，调制频率与超声频率相同。根据调制信号的波形计算出此处的相位信息；

4)获取位移平台移动方向上超声声场的声压与相位分布；利用步进电机将超声探头旋转一定角度，得到不同旋转方向上超声声场的声压与相位分布；将不同角度的检测数据进行组合，即可得到该平面内超声声场的声压与相位分布。

其中，所述总光强I具体为：

调节第一、第二凸透镜之间的距离，将激光光斑调节到最小；去掉遮光板，调节反光镜，使光电探测器读数达到最大，记录此时光电探测器的读数，记为总光强I。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明在一次测量的过程中可以同时得到声场的声压和相位信息；

2、本发明的空间分辨率与激光光束宽度有关，通过调节第一凸透镜与第二凸透镜之间的距离，可改变激光光束宽度，因此可以实现较高的空间分辨率；

3、本发明可以快速得到超声探头的二维声场声压及相位分布，对于检测探头的声场特性、探头校正具有较好的指导作用；

4、本发明可检测的探头频率范围非常广，可降低检测成本。

附图说明

图1为一种脉冲超声声场检测装置的结构示意图；

图2为一种脉冲超声声场检测装置中位移平台结构示意图；

图3为光经过脉冲声场发生拉曼-奈斯衍射示意图；

图4为一种脉冲超声声场检测方法的流程图；

图5为脉冲声场声压分布图；

其中，(a)为一维声压分布图；(b)为二维声压分布图。

图6为脉冲声场某点处相位示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

101：信号发生器；102：功率放大器；

103：He-Ne(氦-氖)激光器；104：第一凸透镜；

105：第二凸透镜；106：水槽；

107：步进电机；108：位移平台；

109：吸声材料；110：超声探头；

111：遮光板；112：第三凸透镜；

113：反光镜；114：光电探测器；

115：示波器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种脉冲超声声场检测装置与方法，该方案的设计原理为：超声在介质中形成超声光栅使激光发生拉曼-奈斯衍射，衍射光光强与脉冲超声声场的声压成正比，正一级衍射光会发生强度调制，调制频率与超声频率相同。根据调制信号的波形可计算出此处的相位信息。本方案为非侵入式检测，不会对声场造成干扰。

实施例1

一种脉冲超声声场检测装置，参见图1和图2，该检测装置包括：信号发生器101、功率放大器102、He-Ne(氦-氖)激光器103、第一凸透镜104、第二凸透镜105、水槽106、步进电机107、位移平台108、吸声材料109、超声探头110、遮光板111、第三凸透镜112、反光镜113、光电探测器114、以及示波器115。

信号发生器101与功率放大器102相连，输出信号接在超声探头110上。信号发生器101用于产生超声激励信号，激励信号为周期脉冲时，超声探头110输出脉冲超声。功率放大器102用于将激励信号放大，来驱动超声探头110，超声探头110在水槽106中产生脉冲声场。

He-Ne激光器103、第一凸透镜104、第二凸透镜105、水槽106、遮光板111、以及反光镜113均位于同一水平线上，激光经过水槽106后会被脉冲声场形成的超声光栅衍射，调节遮光板111，将零级衍射光和负一级衍射光遮挡，只允许正一级衍射光通过。正一级衍射光经反光镜113反射后，通过第三凸透镜112聚焦在光电探测器114上，光电探测器114输出信号由示波器115读取。

超声探头110固定在步进电机107上，步进电机107固定在位移平台108上，使超声探头110可以在垂直于激光方向上平移、并沿声束所在轴线旋转。在做声场检测时，水槽106中盛有液体，水槽106底部放有吸声材料109。

本发明实施例上述器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

综上所述，本发明实施例采用非侵入式检测，不会对声场造成干扰，可以快速得到超声探头的二维声场声压及相位分布，对于检测探头的声场特性、探头校正具有较好的指导作用。

实施例2

一种脉冲超声声场检测方法，参见图3和图4，该检测方法基于实施例1中的脉冲超声声场检测装置，该检测方法包括以下步骤：

超声波是一种弹性波，在介质中传播时会使介质密度产生疏密变化，进而使介质折射率产生周期性变化，形成超声光栅。当激光通过超声光栅时，激光的相位收到空间调制而被衍射。

根据下式：

其中，L₀为光被超声波衍射的特征长度，λ_s为介质中超声波长，λ为介质中光波长。当超声波面宽度L满足：

L≤L₀/2 (2)

激光会发生拉曼-奈斯衍射，对于任意超声探头，只要其超声波面宽度符合上式的条件，即可采用本发明实施例所述装置及方法进行超声声场检测。

光经过超声时既发生相位调制也会发生强度调制，观察相位调制需使用两束光进行拍频，而观察强度调制时只需观察一级衍射光光强即可，因此本发明实施例中仅观察衍射光强度调制的变化。

另外，衍射光光强级次分布符合贝塞尔函数，每一级衍射光的光强又存在强度调制，一个是宏观上各级衍射光的位置分布，即亮暗变化；另一个则是在衍射光分布位置，即明亮位置上，光强的细微变化。

光经过脉冲声场发生拉曼-奈斯衍射示意图如图3所示，超声在介质中向前传播时，介质的折射率的空间分布也随时间向前传播，这可看作超声光栅随时间向超声传播方向平移，每一级衍射光的光强会产生强度调制，调制频率nw_s，w_s为超声频率，n＝1,2,3，...，一级衍射光强度调制频率与超声频率相同。

各级衍射光光强分布可以由第一类贝塞尔函数描述，如下式所示：

其中，I_m为第m级衍射光光强，J_m为第m阶贝塞尔函数，υ为拉曼-奈斯参数，A为常数，其值与光强有关。贝塞尔函数是贝塞尔方程的解，它们和其他函数组合成柱调和函数(为本领域技术人员所公知的技术术语，本发明实施例对此不做赘述)。

第一类贝塞尔函数满足以下关系：

在脉冲超声声场检测中，2级及更高级次衍射光强度非常小，可以忽略不计。通过测量一级衍射光强度和总光强强度可以得到拉曼-奈斯参数υ。根据下式，可计算得到声压：

υ＝K_eop_opP_aveL (6)

其中，K_eo为激光波数，p_op为压电常数，P_ave为声压，L为超声波面宽度。

激光经过超声后衍射光会产生强度调制，一级衍射光的强度调制频率与超声频率相同。通过测量调制信号波形变化即可得到声场的相位信息，具体操作如下：

1)打开激光器，调节第一凸透镜104和第二凸透镜105之间的距离，将激光光斑调节到最小；

2)去掉遮光板111，调节反光镜113，使光电探测器114读数达到最大，记录此时光电探测器114的读数，记为总光强I；

3)根据超声探头110的中心频率，设置信号发生器101的激发脉冲信号频率，激发脉冲个数以及激发脉冲幅度。调节功率放大器102的增益，使其输出电压在超声探头110的工作电压范围内。信号发生器101的两个通道输出相同的波，一路作为超声探头110的激励信号，一路作为示波器115的触发信号；

4)打开信号发生器101与功率放大器102，水槽106中就会产生脉冲超声声场；

5)调节光电探测器114与第三凸透镜112之间的距离，使各级衍射光均聚焦在光电探测器114上；

6)调节遮光板111，将零级光和负一级衍射光挡住，使正一级衍射光进入光电探测器114，在示波器115上可以观察到由于衍射产生的光脉冲信号，将此光脉冲幅值最大值记为正一级衍射光光强I1。正一级衍射光光强I1与总光强I之比满足第一类1阶贝塞尔函数，即：

利用迭代法，可得到拉曼-奈斯参数υ，将其带入式(6)中即可得到此处声压值P_ave。水槽106中的液体为水，超声探头110的直径为10mm，激光距超声探头110表面距离为45mm，激光波长为633nm时，K_eo＝1.58e⁶m^-1，p_op＝1.51e^-10m²/N，L＝10mm。

7)将示波器115的时间尺度调小，可以看到衍射光脉冲内包含有拍频信号息，根据拍频信号的波形可以计算出此处的相位信息；

8)移动位移平台108，重复步骤6)和7)即可得到位移平台108移动方向上超声声场的声压与相位分布；

9)利用步进电机107将超声探头110旋转一定角度，重复6)-8)步骤，即可得到不同旋转方向上超声声场的声压与相位分布；将不同角度的检测数据进行组合，即可得到该平面内超声声场的声压与相位分布。

综上所述，本发明实施例采用非侵入式检测，不会对声场造成干扰，可以快速得到超声探头的二维声场声压及相位分布，对于检测探头的声场特性、探头校正具有较好的指导作用。

实施例3

下面结合具体的实验器件、图5-图6对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

本实施例中所使用的器件参数为：633um的He-Ne激光器103，10MHz超声探头110，探头直径为10mm，水槽106内液体为纯净水，光电探测器114波长范围为400-1000um，带宽为400MHz，第一凸透镜104与第二凸透镜105焦距为30mm，第三凸透镜焦距为50mm。信号发生器101激发脉冲中心频率为10MHz，脉冲个数为10，信号幅值为400mV_p-p，功率放大器102放大倍数为32dB。得到的一维声场和二维声场声压分布如图5所示，通过仿真计算，该探头的声场应为圆柱形，分布在探头直径范围内，探头边缘处声压大于中心处声压，检测结果与仿真计算结果相符，精度较高；脉冲声场某点处相位示意图如图6所示，本实施例中探头的中心频率为10MHz，衍射光脉冲内包含的强度调制信号频率与超声信号频率相同，可以反映超声声场的相位信息。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种脉冲超声声场检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：

信号发生器用于产生超声激励信号，当激励信号为周期脉冲时，超声探头输出脉冲超声；功率放大器用于将激励信号放大，驱动超声探头在水槽中产生脉冲声场；

He-Ne激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、水槽、遮光板、以及反光镜均位于同一水平线，激光经过水槽后会被脉冲声场形成的超声光栅衍射，调节遮光板，将零级衍射光和负一级衍射光遮挡，只允许正一级衍射光通过；

正一级衍射光经反光镜反射后，通过第三凸透镜聚焦在光电探测器上，光电探测器输出信号由示波器读取。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲超声声场检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括：步进电机和位移平台，

所述超声探头固定在步进电机上，步进电机固定在位移平台，使超声探头在垂直于激光方向上平移、并沿声束所在轴线旋转。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲超声声场检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括：设置在所述水槽底部的吸声材料。

4.一种用于权利要求1-3中任一权利要求所述的一种脉冲超声声场检测装置的检测方法，其特征在于，当超声波面宽度小于等于1/2光被超声波衍射的特征长度时，所述检测方法包括以下步骤：

1)根据超声探头的中心频率，设置信号发生器的激发脉冲信号频率，激发脉冲个数以及激发脉冲幅度；调节功率放大器的增益，使其输出电压在超声探头的工作电压范围内；信号发生器的两个通道输出相同的波，一路作为超声探头的激励信号，一路作为示波器的触发信号；

2)调节光电探测器与第三凸透镜之间的距离，使各级衍射光均聚焦在光电探测器；调节遮光板将零级光和负一级衍射光挡住，使正一级衍射光进入光电探测器，在示波器上观察到由于衍射产生的光脉冲信号，将此光脉冲幅值最大值记为正一级衍射光光强，正一级衍射光光强I1与总光强I之比满足第一类1阶贝塞尔函数；

3)将示波器的时间尺度调小，衍射光脉冲信号内包含有强度调制信号，调制频率与超声频率相同。根据调制信号的波形计算出此处的相位信息；

4)获取位移平台移动方向上超声声场的声压与相位分布；利用步进电机将超声探头旋转一定角度，得到不同旋转方向上超声声场的声压与相位分布；将不同角度的检测数据进行组合，即可得到该平面内超声声场的声压与相位分布。

5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，所述总光强I具体为：

调节第一、第二凸透镜之间的距离，将激光光斑调节到最小；去掉遮光板，调节反光镜，使光电探测器读数达到最大，记录此时光电探测器的读数，记为总光强I。