CN108200525A - 一种测量超声换能器振动模态的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量超声换能器振动模态的系统及方法，该系统包括：超声换能器，以及在超声换能器辐射面对面平行布置的一个透明反射面；超声换能器与透明反射面中间的薄层空间内充满液体；通过向薄层空间内注入气核，进而形成铺满整个薄层空间的过饱和空化云；通过摄影装置拍摄过饱和空化云的分布情况，从而识别超声换能器辐射面的振动模态。本发明提供的一种测量超声换能器振动模态的系统及方法实现了简单方便低成本的识别超声换能器在带有负载的接近真实工作状态的振动模态，可以满足工业企业对超声换能器的设计和验证需求。
Description
技术领域
本发明涉及功率型超声换能器领域，尤其是一种测量超声换能器振动模态的系统及方法。
背景技术
现有技术中测量超声换能器振动模态的方法是利用激光测振仪或者传统的千分尺对振幅直接进行测量，但是目前除了科研单位，很少有工业企业对换能器的振动模态进行测量，原因之一是激光测振仪价格昂贵，而传统的千分尺方法只能测量一个点的振幅，要想获得整个振动模态费时费力，且误差极大，甚至无法识别；另一个原因是激光测振仪只适合测量在空气中的小振幅振动，因为激光在液体中的衰减以及容器壁面的反射，难以实现对带有负载的工作状态下的超声换能器的振动模态进行测量，而千分尺更无法实现这一点。所以需要一种低成本的，可以简单方便的对带有负载的真实工作状态下的换能器的振动模态进行识别的技术，以满足工业企业和科研单位对测量换能器辐射面振动模态的需求。传统的方法是在空气中测量换能器的振动模态，但是，空气作为负载，负载比较小，因而换能器的振幅小，导致部分换能器的振动模态无法出现。因此在空气中测量振动模态和水下测量振动模态是不同的。现有技术中，虽然也有技术是通过超声换能器获得空化云，但是未涉及分析空化云的分布以获得超声换能器的振动模态。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中传统的千分尺方法只能测量一个点的振幅，要想获得整个振动模态费时费力，且误差极大，甚至无法识别出换能器振动模态的不足，提供了一种测量超声换能器振动模态系统及方法。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种测量超声换能器振动模态系统，包括：超声换能器，以及在超声换能器辐射面对面平行布置的一个透明反射面；超声换能器与透明反射面中间的薄层空间内充满液体；通过向薄层空间内注入气核，进而形成铺满整个薄层空间的过饱和空化云；通过摄影装置拍摄过饱和空化云的分布情况，从而识别超声换能器辐射面的振动模态。
优选的，超声换能器辐射面与透明反射面之间的距离设置在1mm～1cm。
优选的，上述系统还包括橡胶球和气核罐；橡胶球与气核罐的连接处设置有第一止回阀和第二止回阀，气核罐装有含有气核的液体；通过橡胶球与第一止回阀和第二止回阀向薄层空间内注入气核。
优选的，气核为超声造影剂、自来水、或含有微泡的液体。
优选的，摄影装置为手机、相机或高速摄影机。
第二方面，本发明提供一种测量超声换能器振动模态的方法，应用上述系统，该方法包括以下步骤：固定待测超声换能器辐射面与透明反射面之间的距离，并开启超声换能器，使超声换能器和所述透明反射面中间的液体发生空化形成空化云；当待测超声换能器辐射面与透明反射面之间的薄层空间没有全部被空化云覆盖时，注入气核，并拍摄空化云的变化过程；分析空化云分布的规律，获得超声换能器振幅的空间分布规律。
优选的，当超声换能器和透明反射面中间的液体没有发生空化，则增大超声换能器的功率，直至超声换能器和透明反射面之间的液体发生空化形成空化云。
优选的，当待测超声换能器辐射面与透明反射面之间的薄层空间全部被空化云覆盖时，减小超声换能器的功率，直至待测超声换能器辐射面与透明反射面之间的薄层空间没有全部被空化云覆盖。
优选的，当空化云分布的无规律时，逐渐增加超声换能器辐射面和透明反射面之间的距离，并增大超声换能器的功率，直到超声换能器和透明反射面之间的液体发生空化形成空化云。
优选的，超声换能器的辐射声压大于空化初生阈值，小于注入气核前空化云充满薄层空间的声压阈值。
本发明提供了一种测量超声换能器振动模态的系统及方法，按照该测量换能器振动模态的方法，在超声换能器辐射面对面平行布置一个透明反射面，中间的薄层内充满液体，向薄层空间内注入大量气核，进而形成铺满整个薄层空间的空化云，通过摄影机拍摄空化云的分布，分析影像数据从而识别换能器辐射面的振动模态。本发明提供的一种测量超声换能器振动模态的系统及方法，实现了简单方便低成本的识别超声换能器在带有负载的接近真实工作状态的振动模态，可以满足工业企业对超声换能器的设计和验证需求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种测量超声换能器振动模态的系统结构示意图；
图2a为本发明实施例提供的超声换能器与透明反射面安装的侧视图；
图2b为本发明实施例提供的超声换能器与透明反射面安装的仰视图；
图2c为本发明实施例提供的超声换能器的局部示意图；
图3为本发明实施例提供的一种测量超声换能器振动模态的方法流程示意图；
图4为图3所示的方法测量超声换能器振动模态的运行流程图；
图5为图3所示的方法测量的超声换能器的振动模态示意图。
图6为图3所示的方法测量的超声换能器的振动模态示意图。
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。
图1为本发明实施例提供的一种测量超声换能器振动模态的装置结构示意图；如图1所示，该系统包括：超声换能器5、在超声换能器5辐射面对面平行布置的一个透明反射面11、橡胶球1和气核罐2；超声换能器5与透明反射面11中间的薄层空间内充满液体；其中，超声换能器5辐射面与透明反射面11之间的距离设置在1mm～1cm。橡胶球1与气核罐2的连接处6设置有第一止回阀7和第二止回阀8，气核罐2装有含有气核的液体3；通过橡胶球1与第一止回阀7和第二止回阀8向薄层空间内注入气核，形成ALF型的空化云。
超声换能器5的辐射面垂直插入至装有液体的容器4的液面之下；摄像机10设置于装有液体的容器4底部。
摄像机10可以是普通的手机、家用相机或高速摄像机等具有拍摄或摄像功能的设备。
系统还包括：支架12和高度调节螺栓9；支架安装在装有液体的容器4的底部，用于调节超声换能器在装有液体的容器4中的位置距离。
装有液体的容器底部可以设置有透明反射面11，或者装有液体的容器为透明的，在装有液体的容器中放置一个透明反射面11。透明反射面11与超声换能器5的辐射面平行设置，其中，透明反射面11可以是玻璃板。
本发明提供的一种测量超声换能器振动模态的系统及方法实现了简单方便低成本的识别换能器在带有负载的接近真实工作状态的振动模态，可以满足工业企业对换能器的设计和验证需求。与现有技术相比，本申请提供的方法及装置还具有廉价，方便，快捷，直观、全面，即时等优点。
图2a为发明实施例提供的超声换能器与透明反射面安装的侧视图，如图2a所示，超声换能器辐射面13与透明反射面11平行放置，超声换能器辐射面13与透明反射面11之间覆盖有空化云14。
图2b为发明实施例提供的超声换能器与透明反射面安装的仰视图，如图2b所示，超声换能器的辐射面13和与透明反射面11之间覆盖有空化云14。上述空化云显示出超声换能器的振幅分布。
图2c为发明实施例提供的超声换能器的局部示意图，如图2c所示，超声换能器的辐射面13包括高压力辐射区域16和低压力辐射区域17。
图3为本发明实施例提供的一种测量超声换能器振动模态的方法流程示意图。如图3所示，该方法包括步骤S101～S103。
步骤S101，固定待测超声换能器辐射面与透明反射面之间的距离，并开启超声换能器，使超声换能器和透明反射面中间的液体发生空化形成空化云。
具体地，待测超声换能器与透明反射面之间的距离是1mm～1cm。
优选地，当超声换能器和透明反射面之间的液体没有发生空化，则增大超声换能器的功率，直至超声换能器和透明反射面之间的液体发生空化形成空化云。
步骤S102，当待测超声换能器辐射面与透明反射面之间的薄层空间没有全部被空化云覆盖时，注入气核，并拍摄空化云的变化过程。
优选地，注入的气核含有微泡的超声造影剂或自来水。
优选地，注入的气核中液体和装有液体的容器内的液体可以相同，也可以不同。
优选地，当透明反射面与超声换能器的辐射面之间全部被空化云覆盖时，减小超声换能器的功率，直至透明反射面与超声换能器的辐射面之间没有全部被空化云覆盖。
步骤S103，分析空化云分布的规律，获得超声换能器振幅的空间分布规律。
优选地，当空化云分布的无规律时，逐渐增加超声换能器辐射面和透明反射面之间的距离，并增大超声换能器的功率，直到超声换能器和透明反射面之间的液体发生空化形成空化云。
优选的，超声换能器的辐射声压大于空化初生阈值，小于注入气核前空化云充满薄层空间的声压阈值。
需要说明的是，超声换能器振动产生超声波，当超声换能器振动的振幅超过一定的数值时，液体中会产生大量空泡，形成强度较高的空化云，这种强度较高的空化云是CBS型或SMOKER型的空化云，CBS型或SMOKER型的空化云分布不固定，会随着时间不断发生演化，不能反映超声换能器的振动模态。只有获得分布有规律、强度较弱的ALF型的空化云才能反映超声换能器的振动模态。
本申请提供的测量超声换能器振动模态的方法原理是，在超声换能器的辐射面与透明反射面之间的薄层中注入气核(微泡)，这些气核在超声换能器的振动下，形成大量空泡，这些空泡在超声波的激励下，空泡对超声波的吸收和散射效应促使声强很快衰减，形成强度较弱的ALF型的空化云，这些ALF型的空化云由于超声波的主Bjerknes力的作用和ALF型的空化云之间的二阶Bjerknes力的作用向超声换能器辐射面的高振幅区域移动，会造成高辐射、高压力区域的空泡很多，低辐射、低压力区域的空泡很少，导致ALF型的空化云的分布不均匀，这种不均匀的分布反映了超声换能器辐射面的振幅模态。通过用普通摄像机可以拍摄到空化云的分布差异，这种分布差异和超声换能器的振幅分布直接相关。因此，采用本申请提出的方法可以即准确又方便的获得超声换能器的振幅分布或超声换能器的振动模态。
本发明提供的测量超声换能器振动模态的系统及方法实现了简单方便低成本的识别超声换能器在带有负载的接近真实工作状态的振动模态，可以满足工业企业对超声换能器的设计和验证需求。
图4为图3所示的方法测量超声换能器振动模态的运行流程图。如图4所示，固定待测超声换能器与透明反射面之间的距离，使得超声换能器与透明反射面之间的距离为1mm，并开启超声换能器。
当待测超声换能器与装有液体的容器之间的薄层空间发生空化并产生空化云时，观察空化云是否覆盖整个待测超声换能器与透明反射面之间的薄层中，如果空化云部分覆盖在薄层空间中，则注入气核，并通过摄像机拍摄空化云的变化过程，分析在注入气核结束后空化云消失前摄像机拍摄的空化云的变化过程。如果空化云分布的有规律，则根据空化云分布的规律，获得超声换能器振幅的空间分布规律。
当待测超声换能器与透明反射面之间的薄层空间没有发生空化没有产生空化云时，减小超声换能器的功率，直至待测超声换能器与透明反射面之间的薄层产生空化云。
当空化云覆盖整个待测超声换能器与透明反射面之间的薄层空间时，减小超声换能器的功率，直到空化云覆盖部分待测超声换能器与透明反射面之间。
当注入气核结束后空化云消失前，空化云分布没有规律时，增加待测超声换能器与透明反射面之间的距离，使得待测超声换能器与透明反射面距离大于1mm，并且增大超声换能器的功率。优选的，待测超声换能器与透明反射面距离在1mm～1cm之间。
需要说明的是，本申请提出的方案，对超声换能器与透明反射面之间的薄层厚度十分重要。薄层厚度太薄或太厚都不能产生反映振动模态的空化云分布。薄层厚度太薄，则空化云太少，空间分布不明显，而且会产生辐射面裸露没有空化云覆盖的情况发生，而一旦辐射面裸露，则薄层内的声场会极大的变化，使空化云分布无法反映辐射面振幅分布。薄层厚度太厚则空化云无法充满整个薄层空间，由于声场的自聚焦效应，会产生中间厚，四周薄的空化云分布，无法反映真实的辐射面振幅分布。
需要说明的是，本申请提供的技术方案，对超声换能器的声强(功率)的控制也十分关键，超声换能器的声强太强或太弱都不会获得超声换能器的振动模态。超声换能器的声强太强，会产生使空化云变成CBS类型或者SMOKER类型，这两种类型的空化云无法反映辐射面的振幅分布。超声换能器的声强太弱，会在大量注入气核后，无法使气核变成空泡，无法形成足够多的空化云充满整个薄层空间。
还需要说明的是，本申请提供的方法具有强烈的即时性，本申请通过空化云的分布规律，可以分析出超声换能器的振幅分布，进而获取到超声换能器的振动模态，所获得的超声换能器振动模态可以真实的反映摄像机录像时超声换能器的状态。在超声换能器大功率工作时，辐射面振幅大，所产生的振幅分布(振动模态)非常复杂，可能不断发生变化。本申请通过录像的方式捕捉到这种变化，快速的识别出多种振动模态。如果选择拍摄频率更高的摄像机，比如高速摄影机，会获取到更多振动模态的细节，捕捉到更多更复杂的振动模态，获得的影像数据也可以通过图像处理软件对多泡区域和少泡区域按照灰度的差异进行处理和识别，以实现模态的程序化自动识别。
本发明提供的一种测量超声换能器振动模态的系统及方法实现了简单方便低成本的识别超声换能器在带有负载的接近真实工作状态的振动模态，可以满足工业企业对超声换能器的设计和验证需求。
图5为图3所示的方法测量的超声换能器的振动模态示意图。如图5所示，在图5所示的超声换能器振动模态示意图中，可知超声换能器辐射面的中心有一簇空化云，外面有一圈空化云，说明该超声换能器辐射面的振动方式类似于环形驻波。
本发明提供的测量超声换能器振动模态的系统及方法实现了简单方便低成本的识别超声换能器在带有负载的接近真实工作状态的振动模态，可以满足工业企业对超声换能器的设计和验证需求。
图6为图3所示的方法测量的超声换能器的振动模态示意图。如图6所示，在图6所示的超声换能器振动模态示意图中，可知超声换能器辐射面的包括2条平行的带状空化云，说明该超声换能器辐射面的振动方式类似于板的驻波。
本发明提供的测量超声换能器振动模态的系统及方法实现了简单方便低成本的识别超声换能器在带有负载的接近真实工作状态的振动模态，可以满足工业企业对超声换能器的设计和验证需求。
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 (10)
1.一种测量超声换能器振动模态的系统，其特征在于，包括：超声换能器(5)，以及在所述超声换能器(5)辐射面对面平行布置的一个透明反射面(11)；所述超声换能器(5)与所述透明反射面(11)中间的薄层空间内充满液体；通过向所述薄层空间内注入气核，进而形成铺满整个薄层空间的过饱和空化云；通过摄影装置拍摄所述过饱和空化云的分布情况，从而识别所述超声换能器(5)辐射面的振动模态。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述超声换能器(5)辐射面与所述透明反射面(11)之间的距离设置在1mm～1cm。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括橡胶球(1)和气核罐(2)；所述橡胶球(1)与所述气核罐(2)的连接处设置有第一止回阀(7)和第二止回阀(8)，所述气核罐(2)装有含有气核的液体(3)；通过所述橡胶球(1)与第一止回阀(7)和第二止回阀(8)向所述薄层空间内注入气核。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气核为超声造影剂、自来水、或含有微泡的液体。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述摄影装置(10)为手机、相机或高速摄影机。
6.一种测量超声换能器振动模态的方法，应用于如权利要求1所述的系统中；其特征在于，包括以下步骤：
固定待测超声换能器辐射面与透明反射面之间的距离，并开启所述超声换能器，使所述超声换能器和所述透明反射面中间的液体发生空化形成空化云；
当所述待测超声换能器辐射面与透明反射面之间的薄层空间没有全部被空化云覆盖时，注入气核，并拍摄所述空化云的变化过程；
分析空化云分布的规律，获得所述超声换能器振幅的空间分布规律。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述超声换能器和所述透明反射面中间的液体没有发生空化，则增大所述超声换能器的功率，直至所述超声换能器和透明反射面之间的液体发生空化形成空化云。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述待测超声换能器辐射面与透明反射面之间的薄层空间全部被空化云覆盖时，减小所述超声换能器的功率，直至所述待测超声换能器辐射面与透明反射面之间的薄层空间没有全部被空化云覆盖。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当空化云分布的无规律时，逐渐增加超声换能器辐射面和所述透明反射面之间的距离，并增大超声换能器的功率，直到所述超声换能器和所述透明反射面之间的液体发生空化形成空化云。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述超声换能器的辐射声压大于空化初生阈值，小于注入气核前空化云充满薄层空间的声压阈值。
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