CN107990974A - 辐射超声波可视化方法及执行辐射超声波可视化方法的电子装置 - Google Patents

辐射超声波可视化方法及执行辐射超声波可视化方法的电子装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及辐射超声波可视化方法及执行辐射超声波可视化方法的电子装置。本发明的辐射超声波可视化方法作为使音源辐射的超声波可视化的方法，其特征在于，对由多个超声波传感器构成的超声波传感器阵列取得的至少20KHz以上频带的超声波信号进行外差变换，变换成声波频带(具体为20Hz～20KHz)的低频信号后，使用如此变换的低频信号进行聚束，或以对经变换的低频信号再取样的信号为基础进行聚束，在使超声波音源位置信息不失真的同时处置低频信号，从而减小聚束步骤的数据处理量。

Description

辐射超声波可视化方法及执行辐射超声波可视化方法的电子 装置
技术领域
本发明涉及一种辐射超声波可视化方法及记录了执行辐射超声波可视化方法的程序的电子记录介质，具备超声波发射体和超声波接收体，不是分析回波反射超声波，而是将机械设备或煤气管等自然辐射的(非回波信号)超声波发生位置显示为图像影像，从而用于设备故障诊断。
背景技术
注册专利KR10-1477755：提供一种搭载有基于超声波的电弧及电晕放电监视诊断系统的高压盘、低压盘、分电盘、电动机控制盘，所述高压盘搭载了基于超声波的电弧及电晕放电监视诊断系统，用以诊断在内部包含了高压盘的外壳的电弧或电晕放电状态，包括监视装置，所述监视装置包括传感器部及有无异常判断部，所述传感器部接触或靠近所述外壳内部具备的设备进行安装，由检测借助于电弧或电晕放电而发生的超声波的多个超声波传感器构成，所述有无异常判断部基于所述传感器部检测的超声波信号，感知所述设备发生的电弧或电晕放电，根据感知的所述电弧或电晕放电信息，控制所述外壳的内部状态。
发明内容
(要解决的技术问题)
本发明不同于以往由超声波装置发射超声波后借助于反射波而使内部形状可视化的医疗用超声波诊断装置，旨在提供一种携带用设备故障诊断装置，具备使因设备(装置)、机械类等中构成要素间的相互动作而自然辐射的超声波可视化的辐射超声波可视化用电子装置。
另外，本发明旨在提供一种辐射超声波可视化方法及记录了执行辐射超声波可视化方法的程序的电子记录介质，所述辐射超声波可视化方法包括：数据处理步骤，在数据处理容量必然多的超声波区域，在不失去超声波音源位置大小信息的同时，执行辐射超声波可视化所需的数据处理；演算处理步骤，对处理量进行优化、最小化，使得能够利用具有适当性能及演算处理能力的电子装置加以执行。
本发明旨在提供一种辐射超声波可视化方法及记录了执行辐射超声波可视化方法的程序的电子记录介质，与可在机械类故障诊断或故障预诊、监视中进行初始故障诊断的振动音响相比，可以将高效的超声波区域音响与影像信号一同进行影像化或语音输出。
(解决问题的手段)
本发明的辐射超声波可视化方法作为使音源辐射的超声波可视化的方法，其特征在于，其特征在于，对由多个超声波传感器构成的超声波传感器阵列取得的至少20KHz以上频带的超声波信号进行外差变换，变换成声波频带的低频信号后，使用如此变换的低频信号进行聚束，或以对经变换的低频信号再取样的信号为基础进行聚束，在使超声波音源位置信息不失真的同时处置低频信号，从而减小聚束步骤的数据处理量。
本发明的辐射超声波可视化方法的特征在于，包括：超声波感知步骤，由多个N超声波传感器构成的超声波传感器阵列感知超声波信号并进行传感；第一数据采集步骤，数据采集卡将超声波传感器阵列感知的超声波信号，按第一取样频率，取得超声波频带为20KHz～200KHz的超声波信号；
低频变换信号生成步骤，主板对所述第一数据采集步骤取得的超声波信号进行外差变换，生成基于所述超声波信号的声波频带的低频变换信号；
第二数据采集步骤，主板按小于所述第一取样频率的第二取样频率，对所述低频变换信号生成步骤生成的低频变换信号进行再取样而取得低频再取样信号；
音场可视化步骤，主板对所述低频再取样信号进行聚束，表现装置执行音场可视化。
在使辐射超声波音源的音源位置信息不失真的情况下，将20KHz以上频带的超声波信号变换成声波频带信号后，再取样并聚束，从而使超声波音源可视化。
(发明效果)
根据本发明，不同于以往借助于超声波装置发射超声波后，借助于反射波而使内部形状可视化的医疗用超声波诊断装置，提供一种使因音源、机械类等的中构成要素间的相互动作而自然辐射的超声波发生位置实现可视化的辐射超声波可视化用电子装置及具备计算机程序的携带用设备故障诊断装置。
另外，根据本发明，提供一种辐射超声波可视化方法及记录了执行辐射超声波可视化方法的程序的电子记录介质，在数据处理容量必然多的超声波区域执行演算处理步骤，在不失去超声波音源位置大小信息的同时，最大限度减小辐射超声波可视化所需的数据处理量(处理步骤)，以便能够以具有适当性能及演算处理能力的电子装置加以执行。
根据本发明，提供一种辐射超声波可视化方法及记录了执行辐射超声波可视化方法的程序的电子记录介质，与可在机械类故障诊断或故障预诊、监视中进行初始故障诊断的振动音响相比，可以将高效的超声波区域音响与影像信号一同进行影像化或语音输出。
附图说明
图1(a、b)是本发明的辐射超声波可视化方法流程图。
图2是本发明的辐射超声波可视化装置构成图。
图3是本发明的辐射超声波可视化传感器坐标和虚拟平面坐标概念图。
图4是本发明的辐射时间延迟合算概念图。
附图标记
10：声波传感器阵列
11：超声波传感器
20：数据采集卡
30：主板
40：数据存储介质
50：电池
60:主体外壳
70：表现装置
80：光学照相机
90：听觉用语音输出装置
具体实施方式
下面参照附图，对本发明一个实施例的辐射超声波可视化方法及记录了执行辐射超声波可视化方法的程序的电子记录介质进行详细说明。图1(a、b)是本发明的辐射超声波可视化方法流程图，图2是本发明的辐射超声波可视化装置构成图，图3是本发明的辐射超声波可视化传感器坐标和虚拟平面坐标概念图，图4是本发明的辐射时间延迟合算概念图。
如图1至图4所示，本发明的辐射超声波可视化方法作为使音源辐射的超声波可视化的方法，其特征在于，对由多个超声波传感器11构成的超声波传感器阵列(Array)10取得的至少20KHz以上频带的超声波信号S1n进行外差(Heterodyne)变换，变换成声波频带(具体为20Hz～20KHz)的低频信号S2n后，使用如此变换的低频信号进行聚束，或以对经变换的低频信号再取样的信号xn为基础进行聚束(Beam Forming)，在使超声波音源位置信息不失真的同时处置低频信号，从而减小聚束步骤的数据处理量。
如图1至图4所示，本发明的辐射超声波可视化方法包括超声波感知步骤S110、第一数据采集步骤S120、低频变换信号生成步骤S130、第二数据采集步骤S140和音场可视化步骤S200。
首先，在超声波感知步骤S110中，由多个超声波传感器11构成的超声波传感器阵列10感知超声波信号并进行传感。由多个超声波传感器11构成且朝向辐射音源的超声波传感器阵列10感知超声波信号。超声波传感器阵列10由多个超声波传感器11构成，指向辐射音源并感知设备辐射的超声波信号。超声波传感器阵列10可以是在平面状的印刷电路板(PCB)或曲面(立体)状的柔性印刷电路板(Flexible PCB)上搭载多个MEMS麦克风或超声波换能器、超声波传感器的形态。超声波传感器阵列10露出于装置的前方，指向前方(单向)地进行位置排列。或者，也可以是在球体(Sphere)、近似球(ball)形状的多面体上，按规则的间隔排列有多个超声波传感器11的形状。
然后，在第一数据采集步骤S120中，数据采集卡(DAQ卡)20按第一取样频率(Sampling Frequency)fs1，对超声波传感器阵列10感知的超声波信号，取得超声波频带(具体为20KHz～200KHz)的超声波信号S1n。
然后，在低频变换信号生成步骤S130中，主板30对所述第一数据采集步骤S120取得的超声波信号S1n进行外差变换，生成基于所述超声波信号S1n的声波频带(20Hz～20KHz)的低频变换信号S2n。
然后，在第二数据采集步骤S140中，主板30按小于所述第一取样频率fs1的第二取样频率fs2，对所述低频变换信号生成步骤S130生成的低频变换信号S2n进行再取样而取得低频再取样信号xn。
关于信号xn的详细公式如下。
其中，S：采样数(Sample Number)，fs：采样率(Sampling Rate(frequency))。可以还进行将预先设置的(使用者输入的)频带f1～f2的带通滤波器(band pass filter)应用于取得的超声波信号xn的步骤。在采样数据xnf[s]中，1≤nf≤N，N为超声波传感器11的个数。
xnf[s]＝xn[s]·F[s]
然后，在音场可视化步骤S200中，主板30对所述低频再取样信号xn进行聚束(BeamForming)，表现装置70执行音场可视化。在使辐射超声波音源的音源位置信息不失真的情况下，将20KHz以上频带的超声波信号变换成声波频带信号后，再取样并聚束，从而使超声波音源可视化。
在本发明一个实施例的辐射超声波可视化方法中，在减少数据处理量方面，优选第一取样频率fs1为20KHz～200KHz范围，所述第二取样频率fs2为20Hz～20KHz范围，第一取样频率fs1选择比第二取样频率fs2大至少2倍以上。
第一取样频率fs1在20KHz～400KHz范围测试的结果可知，在该区域，在现在面市的超声波传感器感知性能及机械类故障、旋转机械类故障、煤气管气体泄漏、电力设备诊断监视方面，可以获得有效而必需的超声波音源位置信息，另外，所述第二取样频率fs2可以在20Hz～20KHz范围区域适合地减小数据处理量。当取样频率过大时，需要进行超过需要的数据处理，过小时，则丢失超声波区域音源信息。
<音场可视化步骤S200>
在如前所述的音场可视化步骤S200中，主板30对所述低频再取样信号xn进行聚束，表现装置70执行音场可视化，下面进行更详细说明。
音场可视化步骤S200大致包括基于时间延迟之和的音源值演算步骤S50、波束功率级演算步骤S60和视觉表现步骤S70。
首先，在音源值演算步骤S50中，具备演算处理装置的主板30利用传感器坐标和虚拟平面坐标，演算传感器11与虚拟平面地点间距离。然后，利用如此演算的延迟距离，将各个时间延迟补正应用于所述超声波信号xn，对它们进行合算，演算虚拟平面地点的音源值rnk。
图3是显示传感器坐标与虚拟平面坐标间的关系的图。如图所示，传感器坐标(Xs、Ys)与虚拟平面坐标(Xg、Yg)之间的距离dk如下计算。当距离L为1m时，+L2的演算标识为+1演算。
图4是本发明的辐射超声波可视化时间延迟合算概念图。在下面进行的音源值演算步骤S50中，利用先计算的延迟距离，将各个时间延迟补正应用于超声波信号xn，对它们进行合算，演算M个虚拟平面地点的音源值rnk。M是虚拟平面坐标上的行与列中存在的所有要素的数量。
首先计算延迟取样数。利用传感器与虚拟平面距离及音速，计算时间延迟，按如此计算的时间延迟，计算延迟取样数。详细事项如下。
时间延迟：
其中，Cd为时间延迟系数，c为音速。Nk为延迟取样数。
然后，利用延迟取样数补偿时间延迟后求和。此时，应用各传感器的补正系数。
其中，αn为权重系数(Weighting Factor)，1≤nk≤M。M是虚拟平面坐标上的行与列中存在的所有要素的数量。
然后，执行对生成的音源值rnk的波束功率级z(Beam Power Level)进行演算的波束功率级演算步骤S60。
在视觉表现步骤S70中，将步骤S50演算的波束功率级z与所述传感器阵列10朝向方向的光学图像一同在表现装置70上覆盖并表现。
<装置>
对执行本发明方法的装置进行拓展说明。执行本发明方法的装置包括超声波传感器阵列10、数据采集卡20、主板30、数据存储介质40、电池50、塑料主体外壳60和表现装置70，还可以包括听觉用语音输出装置90。
如图2所示，超声波传感器阵列10由多个超声波传感器11构成，指向辐射音源并感知设备辐射的超声波信号。超声波传感器阵列10可以是在平面状的印刷电路板或曲面状的柔性印刷电路板、球体、近似球形状的多面体、半球体、后方开放凸面体上搭载多个MEMS麦克风、超声波换能器、超声波传感器的形态。
数据采集卡20在基板上贴装有用于按取样频率fs，针对超声波传感器阵列10感知的超声波信号而取得超声波信号xn的电子电路。数据采集卡20掌管取样，可以内置信号放大电路。
主板30在基板上贴装有对数据采集卡20接收的数字(或模拟)超声波信号进行处理的演算处理装置31，将处理的超声波音源信息传递给表现装置70。数据存储介质40存储主板30的演算处理装置31处理的数据。
包括拍摄超声波传感器阵列10指向方向的影像并传递给主板30的光学照相机80。表现装置70以视觉方式表现主板30的演算处理装置31处理的数据，一体安装于所述塑料主体外壳60上。另外，表现装置70以露出于塑料主体外壳60外部的方式，一体固定安装于塑料主体外壳60上。
电池50向数据采集卡20、主板30及表现装置70供应电力，优选以能拆卸充电的方式配备于塑料主体外壳60的内部，但也可以是位于塑料主体外壳60外部并利用电线向数据采集卡20和主板30供应电力的独立的携带式充电电池。或者，也可以全部配备内部电池和外置辅助电池使用。
塑料主体外壳60由硬质材料构成，固定超声波传感器阵列10、数据采集卡20、主板30、数据存储介质40。优选塑料主体外壳60支撑由相互电气连接的多个超声波传感器11构成的阵列10，或者，支撑固定贴装了超声波传感器11的平板或曲面板状的超声波传感器阵列PCB基板，从而支撑超声波传感器阵列10。塑料主体外壳60的内部形成中空室，在中空室固定安装有数据采集卡20及具备演算处理能力的主板30。
表现装置70以视觉方式表现主板30的演算处理装置31处理的数据，一体安装于所述塑料主体外壳60。另外，表现装置70以露出于塑料主体外壳60外部的方式，一体固定安装于塑料主体外壳60。
本发明包括记录了执行辐射超声波可视化方法的程序的电子记录介质，这里所谓电子记录介质，是指包括执行程序的CPU、存储程序的硬盘、装置固定式存储器、移动存储器等的电子装置。
本发明就以上提及的优选实施例进行了说明，本发明的范围并非限定于这种实施例，本发明的范围根据以下权利要求书确定，包括属于与本发明均等范围的多样的修订及变形。
需要指出的是，以下权利要求书记载的附图标记单纯用于辅助对发明的理解，不影响对权利范围的解释，不得根据记载的图标记而缩窄解释权利范围。

Claims (7)

1.一种辐射超声波可视化方法，作为使音源辐射的超声波可视化的方法，其特征在于，
对由多个超声波传感器(11)构成的超声波传感器阵列(10)取得的至少20KHz以上频带的超声波信号进行外差变换，变换成声波频带的低频信号后，
使用如此变换的低频信号进行聚束，或以对经变换的低频信号再取样的信号为基础进行聚束，
在使超声波音源位置信息不失真的同时处置低频信号，从而减小聚束步骤的数据处理量。
2.一种辐射超声波可视化方法，其特征在于，包括：
超声波感知步骤(S110)，由多个超声波传感器(11)构成的超声波传感器阵列(10)感知并传感超声波信号；
第一数据采集步骤(S120)，数据采集卡(20)将超声波传感器阵列(10)感知的超声波信号，按第一取样频率，取得超声波频带为20KHz～200KHz的超声波信号；
低频变换信号生成步骤(S130)，主板(30)对所述第一数据采集步骤(S20)取得的超声波信号进行外差变换，生成基于所述超声波信号的声波频带的低频变换信号；
第二数据采集步骤(S140)，主板(30)按小于所述第一取样频率的第二取样频率，对所述低频变换信号生成步骤(S30)生成的低频变换信号进行再取样而取得低频再取样信号；
音场可视化步骤(S200)，主板(30)对所述低频再取样信号进行聚束，表现装置(70)执行音场可视化；
在使辐射超声波音源的音源位置信息不失真的情况下，将20KHz以上频带的超声波信号变换成声波频带信号后，再取样并聚束，从而使超声波音源可视化。
3.根据权利要求2所述的辐射超声波可视化方法，其特征在于，
所述第一取样频率为20KHz～200KHz范围，
所述第二取样频率为20Hz～20KHz范围，
第一取样频率选择比第二取样频率大至少2倍以上。
4.根据权利要求2所述的辐射超声波可视化方法，其特征在于，
所述音场可视化步骤(S200)包括：
音源值演算步骤(S50)，具备演算处理装置的主板(30)利用传感器坐标和虚拟平面坐标，演算传感器(11)与虚拟平面地点间距离后，利用如此演算的延迟距离，将各个时间延迟补正应用于所述超声波信号，对其进行合算，演算虚拟平面地点的音源值；
波束功率级演算步骤(S60)，主板(30)演算所述音源值演算步骤(S50)生成的音源值的波束功率级；
视觉表现步骤(S70)，将所述波束功率级演算步骤(S60)演算的波束功率级，与所述传感器阵列(10)所朝向方向的光学图像一起，在表现装置(70)上覆盖并表现。
5.根据权利要求2所述的辐射超声波可视化方法，其特征在于，在所述第二数据采集步骤(S140)与音场可视化步骤(S200)之间，还包括：
将预先输入的频带的带通滤波器应用于在所述步骤(S140)取得的超声波信号的步骤。
6.一种电子装置，其特征在于：执行如权利要求1所述的辐射超声波可视化方法。
7.一种电子装置，其特征在于：执行如权利要求2至5任意一项所述的辐射超声波可视化方法。
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