CN112067112A - 一种水下超声空化场特征自动测量与可视化系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下超声空化场特征自动测量与可视化系统、方法，其技术方案为：包括声场信号采集模块、自动测量平台、控制系统、声场可视化模块，声场信号采集模块用于采集声场信号；自动测量平台与声场信号采集模块相连，能够带动声场信号采集模块运动以实现对矩形或圆柱形声场的自动检测；控制系统与自动测量平台相连，用于控制自动测量平台的运动；声场可视化模块与信号采集模块相连，能够对声场信息进行分析处理。本发明不仅能准确地测量水下声场，还能对声场参数进行定性定量表征。

Description

一种水下超声空化场特征自动测量与可视化系统、方法

技术领域

本发明涉及声场测量领域，尤其涉及一种水下超声空化场特征自动测量与可视化系统、方法。

背景技术

超声波由于其方向性好，穿透性强，且易于获得等优质属性已被利用在诸多领域，例如超声清洗，超声杀菌与超声焊接等。近年来，水下功率超声的应用主要集中在超声表面处理、超声清洗、声化学、污水处理等方面，这些应用的效果与水下声场的性质密切相关，前人已通过多种测量方法对水下超声场特性进行测量与表征。

现有的测量方法有：辐射力法、水听器法、光纤探测法、薄膜腐蚀法、液晶显色法、淀粉碘化钾反应法、电化学法、声致发光成像法和TA法等，但由于声场中声波的各种效应的叠加与其本身的复杂性，现有常见的声场测量方法存在误差较大，成本较高，不易操作等问题，尤其是低频大功率声场的测量与表征更是困难。近几年对超声空化这一功率超声核心技术的研究和应用已经取得了令人瞩目的发展，学者提出了很多超声空化场的测量建模方法。然而，很少有方法能够兼顾定性和定量测量表征声场，另外通过自动化设备来取代人工进行测量也很少。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种水下超声空化场特征自动测量与可视化系统、方法，不仅能准确地测量水下声场，还能对声场参数进行定性定量表征。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种水下超声空化场特征自动测量与可视化系统，包括：

声场信号采集模块，用于采集声场信号；

自动测量平台，与声场信号采集模块相连，能够带动声场信号采集模块运动以实现对矩形或圆柱形声场的自动检测；

控制系统，与自动测量平台相连，用于控制自动测量平台的运动；

声场可视化模块，与信号采集模块相连，能够对声场信息进行分析处理。

作为进一步的实现方式，所述自动测量平台下方设置水槽，水槽内设有超声信号发生器；声场信号采集模块包括水听器，水听器能够接收超声信号发生器发出的超声信号。

作为进一步的实现方式，所述控制系统包括驱动器、运动控制卡、上位机、运动控制模块、路径配置模块，自动测量平台与驱动器、运动控制卡、上位机依次连接，上位机连接数字示波器。

作为进一步的实现方式，所述数字示波器与水听器相连，所述运动控制模块能够与运动控制卡通讯。

作为进一步的实现方式，所述运动控制模块内置路径配置模块，路径配置模块用于配置自动测量平台的移动路径。

作为进一步的实现方式，所述声场可视化模块包括信号处理模块、超声空化场能量分离模块，信号采集模块依次连接信号处理模块、超声空化场能量分离模块。

作为进一步的实现方式，所述信号处理模块采用频谱分析仪，通过频谱分析仪对对频谱进行提取分离以得到声场的能量组成。

第二方面，本发明实施例还提供了一种水下超声空化场特征自动测量与可视化方法，采用所述的系统，包括：

水听器接收超声信息，并将超声信息转换成电压信号；水听器的电压信号传输至数字示波器进行存储；上位机获取数字示波器存储的数据信息，并对声场信号进行处理，通过功率谱分析实现能量分布可视化。

作为进一步的实现方式，水听器在自动测量平台的带动下进行矩形声场自动检测时，利用自动测量平台按照设定路径对超声空化场进行三维测量，继续将声场沿Z轴方向等间隔取多个测量点，根据路径规划，每测量完一个XY轴平面，Z轴方向就变化一个点平面；将采集的能量点进行处理以得到三维声场的能量分布情况。

作为进一步的实现方式，对于圆柱形声场，在可视化呈现时需进行坐标转换，将直角坐标系转换为极坐标系。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明的一个或多个实施方式以三轴悬臂式机械结构的方式搭建自动测量平台，利用驱动器对其进行运动指令的发送，将水听器固定在三轴运动中心，使之能随着三轴运动中心一同平稳运移，将运动控制卡与上位机建立通信，完成水听器运移平台机械系统与硬件系统的搭建；根据待测声场的几何特征，通过自动控制平台进行智能或手动路径规划，从而实现了对水下超声场测量路径的声场信号采集；

(2)本发明的一个或多个实施方式通过程序控制X、Y、Z轴伺服电机运动，其具有三种基本运动模式：JOG运动模式、点位运动和插补运动，实现对水听器进行三轴的任意路径的运移活动，能够实现矩形场或圆柱形场的运动覆盖；并设置数字示波器，其具有实时显示波形、双频道波形读取、设置采样精度、采样间隔时间，波形幅值、正反峰值、峰峰值的实时读取与实时存储的功能；

(3)本发明的一个或多个实施方式进行了基于超声空化场信号采集自动测量平台的数字信号采集、存储与读取，通过运动平台搭载水听器，针对不同形状的超声场，根据路径对超声空化场三维点阵进行了扫描测量，测量数据经数字示波器采样并批量存储到计算机中；

(4)本发明的一个或多个实施方式对所采集的信号数据进行频域分析，通过功率谱估计得到功率谱图，从图中清晰地得出与空化发生相关的拟合连续谱和各次谐波线谱；提取线谱并积分可得信号的总能量、基波能量、线性能量、稳态空化能量和瞬态空化能量，实现了对超声空化场的能量分离；由此对不同形状超声空化场进行三维重建，实现了超声空化场的可视化，通过铝箔腐蚀法来对实验结果进行了验证，证明了实验结果的准确性；此外，还设置了基于某能量阈值进行空化场筛选的能量分布图；

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的系统框图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的流程图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的自动测量平台示意图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的伺服电机控制系统框图；

图5(a)-图5(b)是本发明根据一个或多个实施方式的插补运动路径点阵文本；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的超声空化场功率谱以及拟合连续谱；

图7是本发明根据一个或多个实施方式的超声空化场各部分能量分离结构框图；

图8是本发明根据一个或多个实施方式的某矩形声场以点(85，65，60)重建的空化能量图；

图9是本发明根据一个或多个实施方式的某圆柱形声场横截面图；

图10是本发明根据一个或多个实施方式的以某能量阈值进行筛选能量点分布图；

图11是本发明根据一个或多个实施方式的GUI设计功能架构；

其中，1、自动测量平台，2、超声信号发生器，3、水听器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

实施例一：

本实施例提供了一种水下超声空化场特征自动测量与可视化系统，如图1所示，包括声场信号采集模块、自动测量平台1、控制系统、声场可视化模块，声场信号采集模块用于采集声场信号；声场信号采集模块连接自动测量平台1，通过自动测量平台1带动声场信号采集模块沿X轴、Y轴、Z轴方向移动。所述自动测量平台1与控制系统相连，控制系统用于控制自动测量平台1的运动。声场可视化模块与信号采集模块相连，能够对声场信息进行分析处理。

具体的，声场信号采集模块包括水听器3，水听器检测法动态范围宽，而且压电材料的声阻抗与水中的声阻抗相似，可以和水进行良好的阻抗匹配，使得水下超声信号的高精度采集成为可能。

如图3所示，自动测量平台1下方设置水槽，水槽内设有超声信号发生器2，超声信号发生器2发出的超声信号能够被水听器3接收。自动测量平台1能够提供三维空间运动，可以采用现有技术中任意能够实现空间运动的机械结构。在本实施例中，自动测量平台1包括支架、安装在支架上的三轴悬臂式模组，三轴悬臂式模组由伺服电机驱动，水听器3安装于三轴悬臂式模组下方。

控制系统包括驱动器、运动控制卡、上位机、运动控制模块，如图4所示，自动测量平台1与驱动器、运动控制卡、上位机依次连接，且上位机连接数字示波器；数字示波器与水听器相连。所述运动控制模块通过与步进电机相配的运动控制卡通讯，使之调用其自身的驱动动态链接库DLL，响应上位机发送的运动指令。

本实施例以LabVIEW作为程序开发平台，其具有强大的外部接口能力，如DDE、DDL、MATLAB Script等，能实现对驱动库以外的硬件设备的调用。利用固高公司自开发的MCT2008软件，可以烧录出GTS800.cfg文件。配置文件包括对do索引选择伺服使能，di输出电平取反，解除驱动报警和限位等。调用此配置文件后，再进行开启运动卡、开启伺服电机，便可在程序前面板内进行运移平台的设置。

运动控制模块内置路径配置模块，路径配置模块用于配置自动测量平台的移动路径，本实施例采取插补运动模式。插补运动源于数控机床系统，数控机床系统根据输入的零件程序信息，将程序段所描述的曲线起点、终点之间的空间进行数据密化，从而形成要求的轮廓轨迹，这种“数据密化”机能就称为“插补”。

在本实施例中，插补运动模式是通过调用多轴进行连续点的运动速度规划。插补运动可以实现对测量路径的规划，即通过路径规划计算后，并将关键点与点之间的数据密化，生成可以被平台调用的数据文本，常见文本类型为CSV和XLSX。如图5(a)和图5(b)所示，为差不运动的路径点阵文本。在插补运动模式中，可以设置插补运动匀速段速度、最大合成速度、最大加速度限制和最小匀速段平滑时间等。要实现路径的插补运动，先输入运行插补运动的速度和三维维数，再读取路径点阵的文本文件，即可进行插补运动。

自动测量平台自动路径规划后，需要对数字示波器进行资源调用，即完成上位机对仪器程序控制，进行VISA资源库的调用。基于LabVIEW平台，通过调用VISA函数VISA OPEN与数字示波器建立通信，通过VISA WRITE把:WAV:SOUR CHAN1指令，即设置读取示波器频道1，其中:WAV:SOUR CHAN1即为SCPI指令。SCPI程控命令规范由三部分组成：第一部分是语法和样式，第二部分是命令标记，第三部分是数据交换格式。

上位机对于数字示波器的资源调用和控制，是基于利用VISA资源库函数和SCPI程控指令。在LabVIEW程序中建立以VISA打开，VISA写入，VISA读取与VISA关闭的程序逻辑，通过USB总线接口与仪器进行通信，发送RIGOL公司配备的SCPI程控指令集，进而实现对仪器的程序控制。

数字示波器具有双频道波形读取，调整采样精度与采样间隔时间与对波形幅值，正反峰值、峰峰值的实时读取与存储。数字示波器仪器与上位机PC进行远程实时通信的端口分别有LAN、USB与GPIB总线。本实施例中，使用LAN端口，输入示波器相同的配置IP后，在VISA资源名称中会出现其VISA地址，完成对仪器的通信。

在虚拟示波器面板上的主要功能有：读取模式可切换为波形数据和电压数据，切换不同的频道进行信号分析与存储；具有实时对波形特征值的反馈框；调节虚拟示波器采集数据时的时间间隔从而规划读点点数，可以设置每一个数据段多重挡位的读取数(1～1400)，即为每采集一次收集的数据点数。

本实施例通过夹具将水听器安装于伺服电机的运动中心，将水听器与数字示波器相连，通过LabVIEW与数字示波器进行远程通信，从而进行运移和测量工作。其中，夹具采用现有结构实现，且夹具具有防抖功能。本实施例能够对矩形/圆柱形超声场自动化检测的测量路径进行规划，对于矩形声场，利用自动测量平台1按照规定的路径对超声空化场进行三维测量，继续将声场沿Z轴方向等间隔取10个测量点，根据路径规划，每测量完一个XY轴平面，Z轴方向就变化一个点平面，继续测量此平面。

将之前采集的能量点值通过reshape函数存入一个三维矩阵，使其与位置点一一对应，通过三维插值函数interp3对三维声场空间进行插值，插值间隔为0.5，太大不能保证其测量点外的区域的能量值平滑过渡，太小会影响绘图速度。以某能量阈值进行筛选能量点分布图如图10所示。通过slice切片函数绘制交于某一点的三维切面图，以能量值赋予slice函数的颜色，附加colorbar色条表示能量颜色的渐变，来表征此三维声场的能量分布情况。

而对于圆柱形声场，测量原理与矩形声场一致，但在可视化呈现时需进行坐标转换，将直角坐标系转换为极坐标系，插值测量方法不变。另外，基于应用层面侧重，选择横截面和过轴心纵截面的二维图来进行可视化表达。此外，在得到所有能量点的基础上，可以通过设置能量阈值的方式来进行能量点可视化研究。基于MATLAB中的查找和大小比较命令，使小于阈值的点显示为空，大于等于阈值的点显示为点。以此显示超声空化场中能量高于所设置阈值点的测量点，根据显示点的分布可以从另一方面反应超声场中各能量的分布情况。

声场可视化模块能够进行数据的批量读取与处理，对于采集的声压信号进行频域分析和功率谱估计，以此实现不同形状超声空化场的能量分离表征，以分离的超声能量对超声空化场进行三维重建。

进一步的，声场可视化模块包括信号处理模块、超声空化场能量分离模块，在本实施例中，信号处理模块采用频谱分析仪，频谱分析可以分解超声空化场信号在不同频率下的参数(振幅、功率、强度或相位等)，对时域波形进行FFT，就可以得到超声空化场信号的频谱，对频谱进行提取分离以得到声场的能量组成。

对于超声空化场的分析，需要计算每个测量点的总能量和空化能量，所以本实施例采用功率谱分析。功率谱可以通过统计方法估计得出，利用MATLAB软件的函数功能来实现，主要分为经典功率谱估计法和现代功率谱估计法。本实施例选择Welch法进行功率谱估计，可以有效地减少估计误差，还能改善方差特性，确保功率谱估计的合理性。在功率谱中对连续谱进行拟合，连续谱用于谱级提取能量分离，如图6所示。采用中值滤波函数来拟合，选择中值滤波的阶次为基频f0与频率分辨率df的比值。

从得出的功率谱可以看出，通过频谱分析，很容易将其分解为一段连续谱和一系列线谱。从左到右，可以提取出基波频谱以及各谐波线谱，谐波如图6中的2f0、3f0……甚至还能提取到间谐波和次谐波线谱，如图中f0/2、7/2f0等，频率为基波的一半和分数倍。气泡非线性振动产生各次谐波，即稳态空化，稳态空化发生的越剧烈，谐波和间谐波就越多，甚至出现次谐波。

如图7所示，超声空化场中的能量分为声波能量与空化能量,空化分为稳态空化与瞬态空化，分别来源于气泡的非线性振动和空泡溃灭。经过功率谱估计的超声空化场的得到的是连续谱与线谱的叠加，根据帕萨瓦尔定理，时域信号的总能量等于其傅里叶变换后频域的面积积分。所以可以对其功率谱积分，所得的就是信号总能量。

根据功率谱积分可以求得总能量，对功率谱进行曲线拟合可得连续谱，连续谱表示瞬态空化的能量。除连续谱外，谱图中剩下的为线谱，线谱的组成比较复杂，其中比较容易提取的是基波谱，基波谱为线性谱，时域波形为标准正弦波形，频率称为基频，对基频谱进行积分可得基波能量，即超声设备发出的线性能量。总能量减去线性能量得到的是非线性能量，非线性能量中除空化能量外还有一部分声场中高频声波非线性效应产生的能量。非线性能量减去连续谱积分的瞬态空化能量，如果忽略那部分声波非线性效应的能量，得到的就是稳态空化的能量。此时总能量、基波能量、非线性能量、瞬态空化和稳态空化的能量就可以全部得出。

GUI设计如图11所示，本实施例将超声空化场信号重建、功率谱估计、能量分离和三维重建等程序通过GUI封装起来。梳理GUI的功能结构，根据交互设计的原理，通过MATLAB软件GUI模块创建操作控件，编写相应的回调程序。在主界面中预览操作，跳转相应的功能界面执行，完成声场能量分离、测量数据分析、空化能量的三维重建以及演示动画等功能。

通过开始主界面完成功能界面的跳转执行，在之前编译完成程序的基础之上，设置插值以及输入数据读取，可以根据输入平面或者输入点的坐标进行超声空化场各部分能量的分离、对测量数据的信号重建和功率谱估计图显示、能量分布的动画展示等。

实施例二：

本实施例提供了一种水下超声空化场特征自动测量与可视化方法，采用实施例一所述的系统，如图2所示，包括：水听器接收超声信息，并将超声信息转换成电压信号；水听器的电压信号传输至数字示波器进行存储。计算机(上位机)获取数字示波器存储的数据信息，并对声场信号进行处理，通过功率谱分析实现能量分布可视化。

其中，水听器在自动测量平台的带动下能够实现矩形、圆柱形超声场自动化检测，本实施例对矩形/圆柱形超声场自动化检测的测量路径进行规划：

(1)矩形声场如图8所示：设定水槽底部左下角为运动原点，X轴步进电机进行匀速直线运动，速度为10mm/s，采样时间为15s。到达最右位移点时，X轴步进电机停止运动，Y轴步进电机向正方向行进10mm，速度为5mm/s，期间不进行采样。到达下一X行时，Y轴步进电机停止运动，X轴步进电机进行匀速直线运动，速度为-10mm/s，采样时间为15s，依次往复。

当进行12次上述循环后，Z轴步进电机向上位移10mm，速度为5mm/s，开始采集下一个声场平面信息。经过10次声场平面的信号采集后，即完成了150mm*130mm*100mm水下空间声场的信号存储。矩形空间声场的每一层共采集195个声场信号点，采集10层共有1950声场信号点，足够用来重构声场。

当然，在其他实施例中，X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机的运动距离、速度、采样时间等可以根据实际试验要求设定，以实现不同大小矩形声场信息的采集。

(2)圆柱形声场如图9所示：与矩形声场测量类似，设定单次整圆弧中采集12个数据点，采点时间间隔为2s，圆弧行走速度为1mm/s；当采集完整圆弧后，测量点往外行走半个圆弧，以此扩张测量圆弧半径，此时不测点，依次循环。当同一Z轴平面测量完毕时，更新Z轴高度，继续测量，完成其余空间数据点的收集。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下超声空化场特征自动测量与可视化系统，其特征在于，包括：

声场信号采集模块，用于采集声场信号；

自动测量平台，与声场信号采集模块相连，能够带动声场信号采集模块运动以实现对矩形或圆柱形声场的自动检测；

控制系统，与自动测量平台相连，用于控制自动测量平台的运动；

声场可视化模块，与信号采集模块相连，能够对声场信息进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的一种水下超声空化场特征自动测量与可视化系统，其特征在于，所述自动测量平台下方设置水槽，水槽内设有超声信号发生器；声场信号采集模块包括水听器，水听器能够接收超声信号发生器发出的超声信号。

3.根据权利要求1所述的一种水下超声空化场特征自动测量与可视化系统，其特征在于，所述控制系统包括驱动器、运动控制卡、上位机、运动控制模块、路径配置模块，自动测量平台与驱动器、运动控制卡、上位机依次连接，上位机连接数字示波器。

4.根据权利要求3所述的一种水下超声空化场特征自动测量与可视化系统，其特征在于，所述数字示波器与水听器相连，所述运动控制模块能够与运动控制卡通讯。

5.根据权利要求3所述的一种水下超声空化场特征自动测量与可视化系统，其特征在于，所述运动控制模块内置路径配置模块，路径配置模块用于配置自动测量平台的移动路径。

6.根据权利要求1所述的一种水下超声空化场特征自动测量与可视化系统，其特征在于，所述声场可视化模块包括信号处理模块、超声空化场能量分离模块，信号采集模块依次连接信号处理模块、超声空化场能量分离模块。

7.根据权利要求6所述的一种水下超声空化场特征自动测量与可视化系统，其特征在于，所述信号处理模块采用频谱分析仪，通过频谱分析仪对对频谱进行提取分离以得到声场的能量组成。

8.一种水下超声空化场特征自动测量与可视化方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一所述的系统，包括：

水听器接收超声信息，并将超声信息转换成电压信号；水听器的电压信号传输至数字示波器进行存储；上位机获取数字示波器存储的数据信息，并对声场信号进行处理，通过功率谱分析实现能量分布可视化。

9.根据权利要求8所述的一种水下超声空化场特征自动测量与可视化方法，其特征在于，水听器在自动测量平台的带动下进行矩形声场自动检测时，利用自动测量平台按照设定路径对超声空化场进行三维测量，继续将声场沿Z轴方向等间隔取多个测量点，根据路径规划，每测量完一个XY轴平面，Z轴方向就变化一个点平面；将采集的能量点进行处理以得到三维声场的能量分布情况。

10.根据权利要求9所述的一种水下超声空化场特征自动测量与可视化方法，其特征在于，对于圆柱形声场，在可视化呈现时需进行坐标转换，将直角坐标系转换为极坐标系。

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