CN110726467B - 一种超声换能器声场的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种超声换能器声场的测试方法，本发明方法采用圆柱钢体作为反射体，结合超声换能器的360°角度自旋和xy平面机械扫查，并通过空间三维重构将声压直观的表现为灰度成像，实现超声换能器声场的三维可视化测试分析。

Description

一种超声换能器声场的测试方法
技术领域
本发明是一种超声换能器声场的测试方法，属于超声无损检测技术领域。
背景技术
超声换能器在工业无损检测领域得到了广泛的应用，通过超声换能器可以将电能转化为超声波能量，并在一定的三维空间内形成特定的声场分布。超声换能器声场的分布与换能器的形状、尺寸、材料、频率等因素有关，声束在近场区和远场区受到声波指向性、扩散角、干涉等影响表现出复杂的声场分布特征；另一方面，为了满足不同的检测需求，超声换能器技术和种类得到了广泛的发展，如平面非聚焦换能器、点聚焦换能器、线聚焦换能器、相控阵换能器阵列等，不同类型的换能器具有不同特征的辐射声场，所以直观、准确的测试超声换能器的声场，对于理解超声波的产生和传播机理、提升换能器性能、优化检测工艺参数、提高检测精度和灵敏度具有重要的意义。
目前用于测试分析超声换能器声场的方法主要有钢球反射法、水听器法、光弹法、激光偏振法等，现有技术在某些特定的领域存在一定的不足和局限：(1)钢球反射法要求球体尺寸越小越好，最好是理想的反射点才能真实的反应声场，但实际测量中球体尺寸越小，其反射声压就越微弱，不利于超声换能器接受反射声波，而且钢球反射法要求将声束垂直通过钢球球心，对设备的对中性要求较高，如果要求得到声场分布的三维测试结果，则需要规划复杂的xyz三维扫查路径；(2)水听器法的缺点是测量非轴向声场分布时对声束角度十分敏感，水听器法要求声束垂直入射到其敏感元件表面，如果入射方向不垂直则声波能量衰减极大，所以该方法仅适用于测量声束轴线上声场的能量分布，无法测量换能器声场的三维分布；(3)光弹法和激光偏振法多适用于测试超声波在固体中传播时的瞬态声场，测试液浸换能器声场时则容易受液体介质波动的影响，测试结果的偏差较大，另一方面该两种测试方法需要建立复杂昂贵的测试系统，且同样无法可视化的测量换能器声场的三维分布。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种超声换能器声场的测试方法，其目的是针对液浸式超声换能器提供一种三维可视化的声场测试方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种超声换能器声场的测试方法的步骤如下：
步骤一、采用直径d0的圆柱钢体作为反射体1，将反射体1放置于吸声水槽8中，以吸声水槽8的深度方向作为z轴方向，使反射体1的轴线平行于该z轴方向；
步骤二、将被测试的超声换能器10水平固定在xy二维扫查装置上，使超声换能器10的声束垂直于反射体1的圆柱钢体的轴线方向入射，xy二维扫查装置沿反射体1的垂直于轴线的横截面运动，该运动沿x轴方向做往复运动，沿y轴方向做步进运动，使超声换能器10的声束以该蛇形运动的方式进行扫查并成像；
步骤三、将超声换能器10沿自身轴线旋转一定角度Δθ，重复步骤二的扫查方式并成像，然后再将超声换能器10沿自身轴线旋转一定角度Δθ，使旋转角度的积累达到360°；
步骤四、令第n次旋转超声换能器10的成像结果中某一成像点Ci的坐标为(xi,yi)，对应旋转角度为nΔθ，将该点Ci的坐标转换为(xi,yi,xisin(nΔθ))，完成该点Ci的三维重构；
步骤五、采用步骤四的方法对超声换能器10360°旋转后所得的成像结果中所有的成像点进行三维重构，即可得到被测试超声换能器10声场分布的三维可视化测试结果。
在一种实施中，根据被测试超声换能器的频率f和晶片尺寸D，以及声波在水中的声速c0和波长λ＝c0/f，确定反射体1的直径d0，使d0与2πλ为同一数量级且小于晶片尺寸D。
在一种实施中，所述反射体1的固定方式为：将反射体1插入三爪固定夹头2内，三爪固定夹头2安装在底盘4上，通过锁紧螺丝3将底盘4与反射体1锁紧固定，并使反射体1的轴线与底盘4的轴线重合。
在一种实施中，xy二维扫查装置包括扫查装置包括x向扫查架5、y向扫查架6、z向支架7、自旋云台夹持装置9，被测试的超声换能器10安装在自旋云台夹持装置9，自旋云台夹持装置9安装在z向支架7上。
在一种实施中，自旋云台夹持装置9包括定子11和转子12，定子11固定于z向支架7上，超声换能器10固定于转子12，定子11和转子12共轴且可以相对转动。
在一种实施中，定子11上有角度刻线，用于设置和记录转子12转动的角度。
在一种实施中，反射体1的材料为不锈钢。
在一种实施中，超声换能器10沿自身轴线旋转角度Δθ为10°～90°。
本发明方法采用圆柱钢体作为反射体，结合超声换能器的360°角度自旋和xy平面机械扫查，并通过空间三维重构将声压直观的表现为灰度成像，实现超声换能器声场的三维可视化测试分析。本发明所设计的超声换能器声场测试方法具有以下特点：
1采用圆柱形钢体作为反射体，相比于钢球反射体对声束的三维对中性要求，圆柱形钢体只需要二维对中，降低了测试方法和测试设备对声束对中性的要求；
2采用圆柱形钢体作为反射体，可以根据被测试超声换能器的频率f和晶片尺寸D，确定圆柱反射体的直径d0，相比于钢球反射体，圆柱钢体的反射声压更高，有利于被测换能器接收，而且可以通过选取圆柱钢体的直径d0获得更好的声场测试结果；
3结合xy平面扫查与换能器360°角度自旋，不需要复杂的三维运动机构就可以实现超声换能器声场的三维可视化测试，测试方法操作简单，测试成本低；
4根据被测试超声换能器的频率f和晶片尺寸D，确定圆柱反射体的直径d0，使本发明方法适合不同频率、不同类型超声换能器，如平面非聚焦换能器、聚焦换能器、超声相控阵阵列等。
5由本发明所述方法所得到超声换能器声场的三维可视化测试结果，通过图像后处理可以得到超声换能器的声场轴线声压、轴向截面声场、径向截面声场等详尽的声场分布信息。
附图说明
图1为本发明方法中反射体1固定结构的示意图
图2为本发明方法中超声换能器10的蛇形运动方式的示意图
图3为本发明方法中超声换能器10沿自身轴线旋转方式的示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
如图1～3所示，以下实施例中，超声换能器声场测试所采用的反射体1为不锈钢制成的圆柱形钢体，将反射体1插入三爪固定夹头2内，三爪固定夹头2安装在底盘4上，通过锁紧螺丝3将底盘4与反射体1锁紧固定，并使反射体1的轴线与底盘4的轴线重合。根据被测试超声换能器的频率f和晶片尺寸D，以及声波在水中的波长λ＝c0/f，确定反射体1的直径d0，使d0与2πλ数量级相当且小于D，使声波的入射方向上，经由圆柱钢体的反射声波具有更好的指向性和更高的反射声波能量，能够清晰的反应超声换能器声场的分布特征；
在以下实施例中，用于固定超声换能器10的xy二维扫查装置包括扫查装置包括x向扫查架5、y向扫查架6、z向支架7、自旋云台夹持装置9，x向扫查架5和y向扫查架6连接相应的步进电机和导轨，在主机的控制下进行xy平面二维扫查运动；被测试的超声换能器10安装在自旋云台夹持装置9，自旋云台夹持装置9安装在z向支架7上，通过z向支架7可以调节超声换能器10浸入水中的深度，自旋云台夹持装置9包括定子11和转子12，定子11固定于z向支架7上，超声换能器10固定于转子12，定子11和转子12共轴且可以相对转动，定子11上有角度刻线，用于设置和记录转子12转动的角度。
具体实施例如下：
实施例1
本实施例是对中航复合材料有限责任公司所研制的FJ系列高分辨率超声聚焦换能器进行测试，该换能器频率f＝5MHz，晶片尺寸D＝Ф30mm，已知水中声速c0＝1483m/s，则波长λ＝0.30mm，反射体1的直径d0取值为：d0＝Ф5mm，测得该超声换能器声场的焦距段在45mm-55mm之间，焦柱长度约为10mm，焦柱直径约为Ф2mm，符合该超声换能器的设计参数，采用本发明方法对该种超声聚焦换能器进行测试的的步骤如下：
步骤一、采用直径d0的反射体1放置于吸声水槽8中，在吸声水槽8内部四周覆盖吸声材料，避免水槽四壁的反射声波对测试声场产生影响，以吸声水槽8的深度方向作为z轴方向，使反射体1的轴线平行于该z轴方向；
步骤二、将被测试的超声聚焦换能器水平固定在xy二维扫查装置上，使超声聚焦换能器的声束垂直于反射体1的圆柱钢体的轴线方向入射，xy二维扫查装置沿反射体1的垂直于轴线的横截面运动，该运动沿x轴方向做往复运动，沿y轴方向做步进运动，使超声聚焦换能器的声束以该蛇形运动的方式进行扫查，记录超声聚焦换能器起始角度θ0对应的成像结果I0；
步骤三、单次扫查完成后，将超声聚焦换能器沿自身轴线旋转30°，重复步骤二的扫查方式并成像，记录角度θ1和成像结果I1，然后再将超声聚焦换能器沿自身轴线旋转30°，以此类推完成360°的旋转扫查，使旋转角度的积累达到360°；
步骤四、结合超声换能器的角度自旋动作和xy平面扫查动作，可以得到一系列的声场截面成像结果，令第n次旋转超声换能器的成像结果In中某一成像点Ci的坐标为(xi,yi)，对应旋转角度为nΔθ，将该点Ci的坐标转换为(xi,yi,xisin(nΔθ))，完成该点Ci的坐标转换和三维重构；
步骤五、采用步骤四的方法对超声聚焦换能器360°旋转后所得的成像结果中所有的成像点在Matlab软件中进行坐标转换和三维重构，即可得到被测试超声聚焦换能器声场分布的三维可视化测试结果。
实施例2
采用本发明所述的超声换能器声场测试方法，对GE通用电气公司所研制ALPHA系列平面非聚焦超声换能器进行测试，频率f＝2.25MHz，晶片尺寸D＝Ф0.5in(约为12.7mm)，已知水中声速c0＝1483m/s，则波长λ＝0.66mm，选择圆柱钢体反射体直径d0与2πλ数量级相当且小于D，取d0＝Ф5mm，测得该超声换能器声场的声束半扩散角约为1.2°，其声场的近场长度约为11.2mm，声束孔径大小约为Ф1.5mm，符合该超声换能器的设计参数，三维测试结果直观可靠，能够给出详尽的声场分布信息，采用本发明方法对该种平面非聚焦超声换能器进行测试的步骤如下：
步骤一、采用直径d0的反射体1放置于吸声水槽8中，在吸声水槽8内部四周覆盖吸声材料，避免水槽四壁的反射声波对测试声场产生影响，以吸声水槽8的深度方向作为z轴方向，使反射体1的轴线平行于该z轴方向；
步骤二、将被测试的平面非聚焦超声换能器水平固定在xy二维扫查装置上，使超声换能器的声束垂直于反射体1的圆柱钢体的轴线方向入射，xy二维扫查装置沿反射体1的垂直于轴线的横截面运动，该运动沿x轴方向做往复运动，沿y轴方向做步进运动，使超声换能器的声束以该蛇形运动的方式进行扫查，记录超声换能器起始角度θ0对应的成像结果I0；
步骤三、单次扫查完成后，将超声换能器沿自身轴线旋转30°，重复步骤二的扫查方式并成像，记录角度θ1和成像结果I1，然后再将超声换能器沿自身轴线旋转30°，以此类推完成360°的旋转扫查，使旋转角度的积累达到360°；
步骤四、结合超声换能器的角度自旋动作和xy平面扫查动作，可以得到一系列的声场截面成像结果，令第n次旋转超声换能器的成像结果In中某一成像点Ci的坐标为(xi,yi)，对应旋转角度为nΔθ，将该点Ci的坐标转换为(xi,yi,xisin(nΔθ))，完成该点Ci的坐标转换和三维重构；
步骤五、采用步骤四的方法对超声换能器360°旋转后所得的成像结果中所有的成像点在Matlab软件中进行坐标转换和三维重构，即可得到被测试平面非聚焦超声换能器声场分布的三维可视化测试结果。

Claims (7)

1.一种超声换能器声场的测试方法，其特征在于：该测试方法的步骤如下：
步骤一、采用直径d0的圆柱钢体作为反射体(1)，将反射体(1)放置于吸声水槽(8)中，以吸声水槽(8)的深度方向作为z轴方向，使反射体(1)的轴线平行于该z轴方向；
所述d0的确定方法是根据被测试超声换能器的频率f和晶片尺寸D，以及声波在水中的声速c0和波长λ＝c0/f，确定反射体(1)的直径d0，使d0与2πλ为同一数量级且小于晶片尺寸D；
步骤二、将被测试的超声换能器(10)水平固定在xy二维扫查装置上，使超声换能器(10)的声束垂直于反射体(1)的圆柱钢体的轴线方向入射，xy二维扫查装置沿反射体(1)的垂直于轴线的横截面运动，该运动沿x轴方向做往复运动，沿y轴方向做步进运动，使超声换能器(10)的声束以该运动的方式进行扫查并成像；
步骤三、将超声换能器(10)沿自身轴线旋转一定角度Δθ，重复步骤二的扫查方式并成像，然后再将超声换能器(10)沿自身轴线旋转一定角度Δθ，使旋转角度的积累达到360°；
步骤四、令第n次旋转超声换能器(10)的成像结果中某一成像点Ci的坐标为(xi,yi)，对应旋转角度为nΔθ，将该点Ci的坐标转换为(xi,yi,xisin(nΔθ))，完成该点Ci的三维重构；
步骤五、采用步骤四的方法对超声换能器(10)360°旋转后所得的成像结果中所有的成像点进行三维重构，即可得到被测试超声换能器(10)声场分布的三维可视化测试结果。
2.根据权利要求1所述的超声换能器声场的测试方法，其特征在于：所述反射体(1)的固定方式为：将反射体(1)插入三爪固定夹头(2)内，三爪固定夹头(2)安装在底盘(4)上，通过锁紧螺丝(3)将底盘(4)与反射体(1)锁紧固定，并使反射体(1)的轴线与底盘(4)的轴线重合。
3.根据权利要求1所述的超声换能器声场的测试方法，其特征在于：xy二维扫查装置包括x向扫查架(5)、y向扫查架(6)、z向支架(7)、自旋云台夹持装置(9)，被测试的超声换能器(10)安装在自旋云台夹持装置(9)，自旋云台夹持装置(9)安装在z向支架(7)上。
4.根据权利要求3所述的超声换能器声场的测试方法，其特征在于：自旋云台夹持装置(9)包括定子(11)和转子(12)，定子(11)固定于z向支架(7)上，超声换能器(10)固定于转子(12)，定子(11)和转子(12)共轴且可以相对转动。
5.根据权利要求4所述的超声换能器声场的测试方法，其特征在于：定子(11)上有角度刻线，用于设置和记录转子(12)转动的角度。
6.根据权利要求1所述的超声换能器声场的测试方法，其特征在于：反射体(1)的材料为不锈钢。
7.根据权利要求1所述的超声换能器声场的测试方法，其特征在于：超声换能器(10)沿自身轴线旋转角度Δθ为10°～90°。
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