CN108645916B - 一种基于多波聚焦的质点偏振方向控制新方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多波聚焦的质点偏振方向控制方法，该方法包括以下步骤：预设多波聚焦的焦点位置，在焦点处设置沿任意方向振动的虚拟力源，计算焦点处虚拟力源在表面超声换能器位置产生的垂直方向位移信号；将此位移信号作为多波聚焦声源信号，加载于沿垂直方向振动的超声换能器，利用多波聚焦特性使焦点处质点沿预设方向偏振；不断改变焦点处虚拟力源的振动方向，并重新计算超声换能器的发射信号并进行发射，从而对焦点进行多波聚焦以及质点偏振方向控制与扫描检测。在未知介质中纵波和横波的激发响应函数的前提下，利用双脉冲声源进行多波聚焦进而实现质点偏振方向控制，对目前的超声成像检测具有十分重要的意义和应用价值。

Description

一种基于多波聚焦的质点偏振方向控制新方法
技术领域
本发明涉及超声波检测和成像领域，尤其涉及一种基于多波聚焦的质点偏振方向控制新方法。
背景技术
目前的超声成像检测设备和仪器几乎都只利用了介质中某一种类型的声波信息(如纵波或横波)进行聚焦和成像处理，即使是利用多种类型的声波进行成像，但也只是分别利用不同声波进行处理，不能同时利用多种波型进行聚焦与成像。利用一种声波信息进行聚焦与成像，检测信号的信噪比难以有较大程度的提高，对于细微缺陷的检测，或者在复杂结构中，利用单一波型的超声成像检测遇到了严重困难。
声波在固体介质中传播时，存在纵波、横波以及导波等多种不同类型的波，每一种声波都具有不同的传播特性，携带了介质以及缺陷的不同特征。如果能同时利用介质中不同性质的声波进行多波聚焦，不仅能得到更加丰富的介质和缺陷信息，而且，多种声波聚焦能够使焦点处的声波能量增强，可以有效提高检测信噪比，提高超声定量检测能力。另一方面，沿相同方向传播的纵波和横波具有不同的声偏振方向，如果纵波和横波同时到达焦点形成多波聚焦，焦点处质点的实际声偏振方向是纵、横波偏振合成后的结果。在多波聚焦的基础上，通过改变纵、横波的激发强度，可以在一定角度范围内，任意控制焦点处的质点声偏振方向，形成多个偏振方向的扫描，实现对缺陷形状和方向的多角度扫描和检测。
发明内容
本发明的目的，是针对超声波检测与成像领域提出的一种基于多波聚焦
本发明提供的一种基于多波聚焦的质点偏振方向控制方法，该方法包括以下步骤：
超声换能器在b点接收预设焦点a处任意方向的虚拟力源F产生的垂直方向位移信号，将位移信号作为多波聚焦声源发射信号，加载于b点处沿垂直方向振动的超声换能器；发射信号为双脉冲形式，第一脉冲为虚拟力源F产生的纵波信号(Vb p)；第二脉冲为虚拟力源F产生的横波信号(Vb s)。
通过发射信号达到多波聚焦的目的，并利用多波偏振合成使焦点a处的质点沿预设方向偏振，不断改变焦点a处的预设质点偏振方向，通过公式计算出焦点a处虚拟力源F的方向，并以此重新计算得到b点处超声换能器的发射信号，从而对介质内部的预设焦点进行多波聚焦以及质点偏振方向控制与扫描检测。
位移信号作为多波聚焦声源，需要保持前后两个脉冲信号的振幅比。
焦点a处的质点偏振方向可控，
Figure BDA0001637001930000021
其中
Figure BDA0001637001930000022
为多波聚焦合成的质点偏振方向与水平方向夹角，
Figure BDA0001637001930000023
为焦点a处预设虚拟力源F的方向与水平方向夹角，θ为a、b两点连线与水平方向的夹角。
本发明提供的一种基于多波聚焦的质点偏振方向控制方法，能够在未知介质中纵波和横波的激发响应函数的前提下，利用双脉冲声源进行多波聚焦进而实现质点偏振方向控制，对目前的超声成像检测具有十分重要的意义和应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于多波聚焦的质点偏振方向控制方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于多波聚焦的质点偏振方向控制方法的多波聚焦示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，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基于多波聚焦的质点偏振方向控制方法流程示意图。如图1所示，基于多波聚焦的质点偏振方向控制方法包括步骤S101-S103:
S101，预设焦点a处任意方向有虚拟力源F，超声换能器在b点接收虚拟力源F产生的垂直方向位移信号；
S102，将位移信号作为多波聚焦声源，加载于b点处沿垂直方向振动的超声换能器；位移信号为双脉冲形式，第一脉冲为虚拟力源F产生的纵波信号(Vb p)；第二脉冲为虚拟力源F产生的横波信号(Vb s)利用多波聚焦特性计算超声换能器的发射信号，通过发射信号使焦点a处的质点沿预设方向偏振；
S103，不断改变焦点a处质点的预设偏振方向，并重新计算超声换能器的发射信号，从而对介质内部的预设焦点进行多波聚焦以及质点偏振方向控制与扫描检测。
本发明实施例提供的一种基于多波聚焦的质点偏振方向控制方法，通过在预设焦点a处设置虚拟力源的方式，得到b点换能器所需的双脉冲声源，在未知介质中纵波和横波的激发响应函数的前提下，利用双脉冲声源进行多波聚焦和质点偏振方向控制，对目前的超声成像检测具有十分重要的意义和应用价值。
图2为本发明实施例提供的一种基于多波聚焦的质点偏振方向控制方法的多波聚焦示意图。如图2所示，假设虚拟力源F与水平方向夹角
Figure BDA0001637001930000031
a、b两点连线与水平方向的夹角为θ，多波聚焦合成的质点偏振方向与水平方向夹角为
Figure BDA0001637001930000032
例如，在θ＝45°时：如果希望待测点处多波聚焦的合成偏振方向沿垂直表面方向(适合用于检测水平方向的界面、裂纹等问题)，即
Figure BDA0001637001930000033
则通过(1)式可以确定虚拟声源的激励方向
Figure BDA0001637001930000034
此时虚拟声源发射方向与多波聚焦合成的质点偏振方向一致；而当希望的合成偏振方向沿水平方向时
Figure BDA0001637001930000035
可得
Figure BDA0001637001930000036
也是水平方向的，虚拟发射声源与多波聚焦合成的质点偏振方向相同，
Figure BDA0001637001930000037
等于其它值时
Figure BDA0001637001930000038
虚拟声源发射方向与多波聚焦合成的质点偏振方向沿垂直方向对称。这是一种特殊情况，θ等于其它值时不存在以上关系。
以下为
Figure BDA0001637001930000039
证明过程：
F可以分解为纵波偏振方向的力Fp和横波偏振方向的力Fs，其大小分别为
Figure BDA0001637001930000041
将Fp和Fs分别分解到水平和垂直方向，可得
Figure BDA0001637001930000042
力F的方向
Figure BDA0001637001930000048
可表示为：
Figure BDA0001637001930000043
设在传播过程中，纵波、横波的传播响应函数分别为Hp和Hs，则可以在b点接收到纵波振动和横波振动分别为HpFp和HsFs，那么b点竖直方向的接收信号Vb的形式为：
Figure BDA0001637001930000044
Vb是双脉冲形式，将Vb加载于b点进行垂直方向的激励，a点进行接收，并将每个脉冲也根据b、a两点间声波的传播方向，分别分解为纵波偏振方向和横波偏振方向上的两个分量，形式为：
纵波脉冲分解
Figure BDA0001637001930000045
以及
横波脉冲分解
Figure BDA0001637001930000046
其中：
Figure BDA0001637001930000049
由
Figure BDA00016370019300000410
激励产生的纵波偏振方向分量；
Figure BDA00016370019300000411
由
Figure BDA00016370019300000412
激励产生的横波偏振方向分量；
Figure BDA00016370019300000413
由
Figure BDA00016370019300000414
激励产生的纵波偏振方向分量；
Figure BDA00016370019300000415
由
Figure BDA00016370019300000416
激励产生的横波偏振方向分量。
根据声波在整个过程中的传播及转换过程可知，
Figure BDA00016370019300000417
和
Figure BDA00016370019300000418
这两个分量的波将会同时到达a点形成多波聚焦，在焦点处的振动大小分别为：
Figure BDA0001637001930000047
将(4)式带入(7)进一步化简，并写成矢量形式，可得：
Figure BDA0001637001930000051
与(2)式相同，可以将
Figure BDA0001637001930000052
分解到水平和垂直方向：
Figure BDA0001637001930000053
由
Figure BDA0001637001930000054
合成的力F′的方向
Figure BDA0001637001930000057
为：
Figure BDA0001637001930000055
显然
Figure BDA0001637001930000058
与原声源方向
Figure BDA0001637001930000059
并不相同，但是通过三角函数间的关系我们可以得出：
Figure BDA0001637001930000056
由于本分析中
Figure BDA00016370019300000510
可视为单位向量即等于1，因此多波聚焦后的质点偏振方向
Figure BDA00016370019300000511
与原声源方向
Figure BDA00016370019300000512
及声波传播方向θ的关系为：
Figure BDA00016370019300000513
以上所述的具体实施例，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，所以理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式之一而已，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，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于多波聚焦的质点偏振方向控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
超声换能器在b点接收预设焦点a处任意方向的虚拟力源F产生的垂直方向位移信号，将所述位移信号作为多波聚焦声源发射信号，加载于b点处沿垂直方向振动的超声换能器；所述发射信号为双脉冲形式，第一脉冲为所述虚拟力源F产生的纵波信号Vb p；第二脉冲为所述虚拟力源F产生的横波信号Vb s；
通过所述发射信号达到多波聚焦的目的，并利用多波偏振合成使焦点a处的质点沿预设方向偏振，不断改变焦点a处的预设质点偏振方向，通过公式计算出焦点a处虚拟力源F的方向，并以此重新计算得到b点处超声换能器的发射信号，从而对介质内部的预设焦点进行多波聚焦以及质点偏振方向控制与扫描检测。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，通过设置虚拟力源F计算得到换能器处的垂直方向位移信号，所述位移信号为双脉冲信号，分别为Vb p和Vb s。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述位移信号作为多波聚焦声源，需要保持前后两个脉冲信号的振幅比。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，焦点a处具有多波聚焦的特性，焦点a处同时接收第一脉冲Vb p产生的横波信号Va s和第二脉冲Vb s产生的纵波信号Va p。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，焦点a处的质点偏振方向可控，
Figure FDA0002520948140000011
其中
Figure FDA0002520948140000012
为多波聚焦合成的质点偏振方向与水平方向夹角，
Figure FDA0002520948140000013
为焦点a处预设虚拟力源F的方向与水平方向夹角，θ为a、b两点连线与水平方向的夹角。
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