CN113008354A - 一种用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法 - Google Patents

一种用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于超声声场测量系统技术领域，涉及用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法，通过扫描两个检测平面得到当前声轴和平面的交点，计算当前声轴的倾斜角度；判断倾斜角度是否小于调整阈值，如否，使用迭代算法计算得到焦点深度的调整点X，Y坐标，并通过三个直线运动定位到换能器焦平面的对应调整点；手动调节两个旋转轴，使得在调整点处的水听器测量信号幅度最大，至此完成声轴手动对齐的单次调整；然后逐次迭代直到声轴对齐。该方法，不依赖于具体声轴角度调整的机械方式；采用结合几何信息的迭代算法可快速收敛；使用的声轴与平面的交点判据不局限于幅度判据，可通过增加两个平面间的距离而引入其它判据，以增加声轴角度测量的鲁棒性。

Description

一种用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法
技术领域
本发明属于超声声场测量系统技术领域，涉及手动声轴的对齐方法，具体涉及一种用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法。
背景技术
水听器法是声场测量的标准方法之一，该方法是利用水听器在多轴水槽系统中对目标声场进行三维扫描获得声场分布，并在此基础上计算多个声学参数。这种方法可以测量的参数较多，使用最为广泛。为了实现三维声场的扫描，多轴水槽系统至少包含三个相互垂直的运动轴，见图1。测量过程中，在机械轴的带动下，水听器和探头沿着三个轴(X，Y，Z)进行相对运动。为了保证测量的有效性，按照NEMA UD 2标准中公布的方法，测量之前必须进行声轴对齐，即调整换能器朝向，从而改变发射声场轴线使之平行于Z轴，即实现声轴对齐。声轴对齐后，通过调整X和Y的位置，就可以沿着声轴进行Z方向扫描，后续的声场分布、MI以及ISPTA等参数的正确性才能得以保证。
为了实现声轴对齐，多轴水槽系统在三个直线运动轴的基础上增加了两个互相垂直的角度调整轴，用来调整声轴在空间的角度。目前，多轴水槽系统有两大类，全自动五轴系统和混合五轴——自动三轴手动两轴(角度调整)系统。全自动五轴水槽系统如ONDA的AIMS系统，使用由步进电机带动经由皮带传动的角度调整轴进行声轴对齐，整个系统在计算机的控制下运行，计算机控制每个旋转轴的旋转角度，每次调整后测量声轴角度通过反馈迭代算法完成声轴的自动对齐。AIMS使用较为方便，但由于价格昂贵使其应用受限；混合五轴系统使用手动两轴进行声轴角度调整，实现声轴对齐，具有较高的性价比，在声场测量领域得以广泛应用。这类系统在声轴对齐的过程中需要手动进行角度调整，相对于自动调整而言，最大的问题在于每次调整的角度无法精确获取，必须采用人工参与调整的方法逐步对齐声轴。
如图2所示，给出了一种手动两轴进行声轴角度调整的机械实现方式，这个两轴手动调节装置被固定在Z轴运动机构的下部，探头固定在圆盘上通过调整圆盘平面可以绕着第一转动轴进行旋转，通过旋转把手A、B可以绕着圆盘中心垂线(第二转动轴)进行旋转。如果当前声轴不平行于Z轴，和Z轴之间存在一个夹角，通过这两种旋转就可以调整声轴平行于Z轴。声轴对齐方法的性能是限制混合五轴系统应用的主要制约因素，对齐可靠性差和迭代调整次数多，都会造成测量时间长、测量结果误差大且测量重复性差的问题。特别的，对于一些场景多次调整都无法取得满意的声轴对齐结果，导致测量失败。目前为止，没有看到高效可靠的对齐方法可供使用；现有专利申请号CN201110112244.5公开了超声声场测量中水听器自动准直方法，提出了边缘幅值的方法进行声轴对齐，但并未涉及手动声轴对齐的具体调整方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法，以提高对齐声轴的可靠性并减少迭代调整的次数，避免测量时间长、测量结果误差大且测量重复性差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
这种用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法，所述方法具体包括执行如下循环：
1)根据焦点位置确定三个平面，三个所述平面分别为聚焦平面Zfocus、声轴角度检测平面Z1、Z2；定义探头表面距离所述聚焦平面Zfocus、声轴角度检测平面Z1、Z2的距离分别为Dfocus、a、b；
2)确定所述聚焦平面Zfocus水声信号的峰值点并将其作为初始中心点PC1，所述初始中心点PC1的坐标记作[PC_X1，PC_Y1]；
3)在所述Z1平面内，以PCi为中心进行扫描，改变X和Y的坐标，采集声场信号得到声轴和Z1平面的交点C1＝[C1X，C1Y]，i为正整数；
4)在所述Z2平面内，以PCi为中心进行扫描，改变X和Y的坐标，采集声场信号得到声轴和Z2平面的交点C2＝[C2X，C2Y]，i为正整数；
5)根据所述交点C1和C2计算当前声轴的倾斜角度θi＝[θxi，θyi]；所述θxi为声轴投影到XOZ平面后与Z轴的夹角，所述θyi为声轴投影到YOZ平面后与Z轴的夹角；
6)判断倾斜角度θi是否小于调整阈值，如小于，则声轴已经对齐，结束调整，否则，转入步骤7)；
7)根据所述倾斜角度θi，利用迭代算法计算下一个坐标PCi＝[PC_Xi，PC_Yi]，其中，i为不小于2的整数；
8)保持X轴和Y轴PCi不变，移动Z轴到焦点平面Zfocus，手动调整探头夹持装置的两个转角调节旋钮，直至当前坐标点处水听器测量信号的幅值最大，再转入步骤3)。
进一步，步骤1)中，所述声轴角度检测平面Z1、Z2位于聚焦平面Zfocus的同侧或异侧。
进一步，步骤2)中，所述峰值点为聚焦平面水声信号的最大值点。
进一步，步骤3)、步骤4)中，根据采集到的声场信号，分别通过简单的幅度判据或基于对称性计算对称中心的判据得到声轴和Z1平面的交点C1＝[C1X，C1Y]、声轴和Z2平面的交点C2＝[C2X，C2Y]。
进一步，所述简单的幅度判据为幅度最大值判据，所述基于对称性计算对称中心的判据为质心判据。
进一步，步骤5)中，所述倾斜角度θi坐标值的具体计算公式如下：
θxi＝arcctan((C2X-C1X)/(b-a)) (1)
θyi＝arcctan((C2Y-C1Y)/(b-a)) (2)
进一步，步骤7)中，利用迭代算法计算下一个坐标PCi＝[PC_Xi，PC_Yi]，具体计算过程如下：
如果当前声轴的倾斜角度是第一次调整后所得，则根据三角关系计算调整量，根据聚焦平面Zfocus的深度Dfocus，新的中心点的坐标PC2＝[PC_X2，PC_Y2]的计算公式如下：
PC_X2＝PC_X1+tan(θx1)×(Dfocus-a) (3)
PC_Y2＝PC_Y1+tan(θy1)×(Dfocus-a) (4)
上式(3)、(4)中，当前声轴的倾斜角度θ1＝[θx1，θy1]是第一次调整后所得；
否则，新的中心点的坐标PCi+1＝[PC_Xi+1，PC_Yi+1]的计算公式如下：
PC_Xi+1＝(PC_Xi－PC_Xi-1)/(θxi－θxi-1)×θxi (5)
PC_Yi+1＝(PC_Yi－PC_Yi-1)/(θyi－θyi-1)×θyi (6)
上式(5)、(6)中，i为不小于2的整数，当前声轴的倾斜角度θi＝[θxi，θyi]，当前声轴的倾斜角度未调整前的倾斜角度为θi-1＝[θxi-1，θyi-1]。
进一步，所述步骤3)和步骤4)的顺序可进行调换。
进一步，步骤3)、步骤4)中，通过计算机控制水槽系统自动扫描Z1或Z2平面。
进一步，所述声轴角度检测平面Z1、Z2之间的间隔越大，对齐精度越高。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：首先，声轴角度检测平面Z1、Z2的深度选择比较随意，既可以均在聚焦平面的前面、也可以在聚焦平面的两侧或者均在聚焦平面的后面；而且，声轴角度检测平面Z1、Z2的选择并不影响声轴对齐方法的收敛性及收敛速度，可适用于各种应用场合；然后，声轴角度是由声轴和两个不同深度的XOY平面的交点进行计算的，在这两个平面上计算机控制水槽系统自动扫描的同时采集声场的数据，再根据声场数据判断计算声轴交点位置；最后，采用结合几何信息的迭代算法，可以快速收敛，且该对齐方法的性能不依赖于具体声轴角度调整的机械实现方式来实现。
此外，声轴与平面的交点判据可以是简单的幅度判据，也可以采用基于对称性计算对称中心的其他判据，考虑到基于幅度的判据(幅度最大值)只在聚焦平面周围可以采用，远离聚焦平面(声轴上的信号幅度已经不是XOY平面的最大值)时该判据失效，本发明所使用的声轴与平面的交点判据不局限于幅度判据，通过增加两个平面间的距离而引入其它判据，以此来增加声轴角度测量的鲁棒性。
附图说明
图1为多轴水槽系统的结构示意图；
图2为一种手动两轴进行声轴角度调整装置的结构示意图；
图3(a)为本发明提供的声轴角度检测平面Z1、Z2位于聚焦平面Zfocus上侧的示意图；
图3(b)为本发明提供的声轴角度检测平面Z1、Z2位于聚焦平面Zfocus下侧的示意图；
图3(c)为本发明提供的声轴角度检测平面Z1、Z2位于聚焦平面Zfocus两侧的示意图；
图4为本发明提供的手动声轴对齐方法在XOZ平面当前偏离角度随迭代次数的变化图；
图5为本发明提供的手动声轴对齐方法在XOZ平面单次调整量随迭代次数的变化图；
图6为本发明提供的手动声轴对齐方法在YOZ平面当前偏离角度随迭代次数的变化图；
图7为本发明提供的手动声轴对齐方法在YOZ平面单次调整量随迭代次数的变化图；
图8为本发明提供的手动声轴对齐方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图8所示，本发明提供了一种用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法，该方法具体包括执行如下循环：
S1、根据焦点位置确定三个平面，三个平面分别为聚焦平面Zfocus、声轴角度检测平面Z1、Z2；定义探头表面距离所述聚焦平面Zfocus、声轴角度检测平面Z1、Z2的距离分别为Dfocus、a、b；为了描述方便，图3(a)、(b)、(c)给出了声轴角度检测平面Z1、Z2和聚焦平面Zfocus及声轴在XOZ平面的投影，在YOZ平面内有相似的结果；Dfocus是探头的聚焦焦点深度，由探头参数决定；声轴角度检测平面Z1、Z2既可以位于聚焦平面Zfocus上侧(即位于聚焦平面的前面)，如图3(a)；又可以位于聚焦平面Zfocus下侧(即位于聚焦平面的后面)，如图3(b)；还可以在聚焦平面Zfocus的两侧，如图3(c)；声轴角度检测平面Z1、Z2之间间隔越大，角度测量越准确，对齐精度越高；
S2、确定聚焦平面Zfocus水声信号的峰值点并将其作为初始中心点PC1，记初始中心点PC1的坐标为[PC_X1，PC_Y1]；其中，峰值点为聚焦平面水声信号的最大值点；
S3、对Z1平面进行扫描：在Z1平面内，以PCi为中心进行扫描，改变X和Y的坐标，采集声场信号，通过质心或最大值等判据得到声轴和Z1平面的交点C1＝[C1X，C1Y]；
S4、对Z2平面进行扫描：在Z2平面内，以PCi为中心进行扫描，改变X和Y的坐标，采集声场信号，通过质心或最大值等判据得到声轴和Z2平面的交点C2＝[C2X，C2Y]；
S5、根据交点C1和C2计算当前声轴的倾斜角度θi＝[θxi，θyi]；其中，θxi为声轴投影到XOZ平面后与Z轴的夹角，θyi为声轴投影到YOZ平面后与Z轴的夹角，
θxi＝arcctan((C2X-C1X)/(b-a)) (1)
θyi＝arcctan((C2Y-C1Y)/(b-a)) (2)
S6、根据声场测量的对齐精度要求确定调整阈值，判断当前倾斜角度θi是否小于调整阈值，如小于，则声轴已经对齐，结束调整，否则，转入步骤S7；
S7、根据倾斜角度θi，利用迭代算法计算下一个坐标PCi＝[PC_Xi，PC_Yi]，具体计算过程如下：
设定当前声轴的倾斜角度θi＝[θxi,θyi]，迭代后的结果为：
如果当前声轴的倾斜角度是第一次调整后所得，则根据三角关系计算调整量，根据聚焦平面Zfocus的深度Dfocus，新的中心点的坐标PC2＝[PC_X2，PC_Y2]的计算公式如下：
PC_X2＝PC_X1+tan(θx1)×(Dfocus-a) (3)
PC_Y2＝PC_Y1+tan(θy1)×(Dfocus-a) (4)
如果当前声轴的倾斜角度不是第一次调整后所得，新的中心点的坐标PC2＝[PC_X2，PC_Y2]的计算公式如下：
PC_Xi+1＝(PC_Xi－PC_Xi-1)/(θxi－θxi-1)×θxi (5)
PC_Yi+1＝(PC_Yi－PC_Yi-1)/(θyi－θyi-1)×θyi (6)
上式(5)、(6)中，i为不小于2的整数，当前声轴的倾斜角度θi＝[θxi，θyi]，当前声轴的倾斜角度未调整前的倾斜角度为θi-1＝[θxi-1，θyi-1]；
S8、保持X轴和Y轴PCi不变，移动Z轴到焦点平面Zfocus，手动调整探头夹持装置的两个转角调节旋钮，直至当前坐标点处水听器测量信号的幅值最大，再转入步骤S3。
进一步，根据采集到的声场信号判断计算声轴交点位置，具体判据可以是简单的幅度判据，也可以采用基于对称性计算对称中心的其他判据。考虑到基于幅度的判据(幅度最大值)只在焦平面周围可以采用，远离焦平面(声轴上的信号幅度已经不是XOY平面的最大值)时该判据失效。本发明所使用的声轴与平面的交点判据不局限于幅度判据，通过增加两个平面间的距离而引入其它判据，以此来增加声轴角度测量的鲁棒性。鉴于声轴角度测量是影响下一次迭代的控制参数，因而其测量鲁棒性的增加会提升整个迭代过程的鲁棒性。
进一步，S3、S4中，通过计算机控制水槽系统自动扫描当前平面。
进一步，S3和S4的顺序可调换，当S3和S4的顺序调换后，对应地，S8、保持X轴和Y轴PCi不变，移动Z轴到焦点平面Zfocus，手动调整探头夹持装置的两个转角调节旋钮，直至当前坐标点处水听器测量信号的幅值最大，再转入步骤S3，即调换后的步骤S4。
综上，利用本方法能够快速有效地实现手动声轴精确对准。
实施例
以下给出利用本方法进行声轴对齐的一个具体实现过程，具体包括执行如下循环：
S1、根据焦点位置确定三个平面Zfocus、Z1、Z2，其中，Dfocus＝13.3cm，取Z1、Z2为焦点上侧的两个平面，对应的距离a＝2.8cm、b＝10.8cm；
S2、在聚焦平面Zfocus上寻找水声信号的峰值点，并将其作为初始中心点PC1，坐标[PC_X1，PC_Y1]的值为[-8.18，-7.48]cm；
S3、在Z1平面内，以PC1为中心，在X方向距中心偏移[-5，5]cm范围内，Y方向距中心偏移[-5，5]cm范围内进行二维扫描；
具体过程如下：设定Y方向走动范围为距中心偏移-5cm走动到5cm，对于每个Y的值，X方向从距中心偏移-5cm走动到5cm，逐点记录波形，然后增加Y，再进行下一条线的X方向的运动；完成Y方向范围内的走动后统计每个位置点收到信号的最大幅度值，根据最大幅度值计算整个扫描平面的质心位置，质心位置就为C1＝[C1X，C1Y]＝[-9.02，-8.75]cm；
S4、在Z2平面内，以PC2为中心，在X方向距中心偏移[-5，5]cm范围内，Y方向距中心偏移[-5，5]cm范围内进行二维扫描；具体过程如下：设定Y方向走动范围为距中心偏移-5cm走动到5cm，对于每个Y的值，X方向从距中心偏移-5cm走动到5cm，逐点记录波形，然后增加Y，再进行下一条线的X方向的运动。完成Y方向范围内的走动后统计每个位置点收到信号的最大幅度值，根据最大幅度值计算整个扫描平面的质心位置，质心位置就为C2＝[C2X，C2Y]＝[-8.38，-7.78]cm；
S5、根据交点C1和C2计算当前声轴的倾斜角度θi＝[θxi，θyi]＝[4.57°，6.91°]；其中，θxi为声轴投影到XOZ平面后与Z轴的夹角，θyi为声轴投影到YOZ平面后与Z轴的夹角，
θxi＝arcctan((C2X-C1X)/(b-a)) (1)
θyi＝arcctan((C2Y-C1Y)/(b-a)) (2)
S6、根据声轴调整的精度要求选择调整阈值为0.001度，判断倾斜角度θi是否小于调整阈值，如小于，则声轴已经对齐，结束调整，否则，转入步骤S7；
S7、参照上述具体实施方式中给出的迭代算法，计算得到声轴倾斜角度θi＝[θxi,θyi]和坐标PCi＝[PC_Xi，PC_Yi]；
S8、保持X轴和Y轴PCi不变，移动Z轴到焦点平面Zfocus，手动调整探头夹持装置的两个转角调节旋钮，直至当前坐标点处水听器测量信号的幅值最大，再转入步骤S3。
其中，不同迭代次数下θi、PCi以及的C1、C2的坐标如表1所示：
表1
Figure BDA0002952614650000111
由表1可知，经过3次迭代，声轴的倾斜角度θi小于当前调整阈值0.001度，即声轴已经对齐。
在本实施例中，根据其实际声轴对齐过程中的测量数据，记录XOZ平面和YOZ平面上声轴偏转角度投影以及单次调整量的结果并绘制图4-图7，图4为本发明提供的手动声轴对齐方法在XOZ平面当前偏离角度随迭代次数的变化图；图5为本发明提供的手动声轴对齐方法在XOZ平面单次调整量随迭代次数的变化图；图6为本发明提供的手动声轴对齐方法在YOZ平面当前偏离角度随迭代次数的变化图；图7为本发明提供的手动声轴对齐方法在YOZ平面单次调整量随迭代次数的变化图。由图4-图7可以看出，在两个平面中均可以经过3次迭代完成当前偏离角度和单次调整量接近零值的目的。
以上所述内容仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法，其特征在于，具体包括执行如下循环：
1)根据焦点位置确定三个平面，三个所述平面分别为聚焦平面Zfocus、声轴角度检测平面Z1、Z2；定义探头表面距离所述聚焦平面Zfocus、声轴角度检测平面Z1、Z2的距离分别为Dfocus、a、b；
2)确定所述聚焦平面Zfocus水声信号的峰值点并将其作为初始中心点PC1，所述初始中心点PC1的坐标记作[PC_X1，PC_Y1]；
3)在所述Z1平面内，以PCi为中心进行扫描，改变X和Y的坐标，采集声场信号得到声轴和Z1平面的交点C1＝[C1X，C1Y]，i为正整数；
4)在所述Z2平面内，以PCi为中心进行扫描，改变X和Y的坐标，采集声场信号得到声轴和Z2平面的交点C2＝[C2X，C2Y]，i为正整数；
5)根据所述交点C1和C2计算当前声轴的倾斜角度θi＝[θxi，θyi]；所述θxi为声轴投影到XOZ平面后与Z轴的夹角，所述θyi为声轴投影到YOZ平面后与Z轴的夹角；
6)判断倾斜角度θi是否小于调整阈值，如小于，则声轴已经对齐，结束调整，否则，转入步骤7)；
7)根据所述倾斜角度θi，利用迭代算法计算下一个坐标PCi＝[PC_Xi，PC_Yi]，其中，i为不小于2的整数；
8)保持X轴和Y轴PCi不变，移动Z轴到焦点平面Zfocus，手动调整探头夹持装置的两个转角调节旋钮，直至当前坐标点处水听器测量信号的幅值最大，再转入步骤3)。
2.根据权利要求1所述的用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法，其特征在于，步骤1)中，所述声轴角度检测平面Z1、Z2位于聚焦平面Zfocus的同侧或异侧。
3.根据权利要求1所述的用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法，其特征在于，步骤2)中，所述峰值点为聚焦平面水声信号的最大值点。
4.根据权利要求1所述的用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法，其特征在于，步骤3)、步骤4)中，根据采集到的声场信号，分别通过简单的幅度判据或基于对称性计算对称中心的判据得到声轴和Z1平面的交点C1＝[C1X，C1Y]、声轴和Z2平面的交点C2＝[C2X，C2Y]。
5.根据权利要求4所述的用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法，其特征在于，所述简单的幅度判据为幅度最大值判据，所述基于对称性计算对称中心的判据为质心判据。
6.根据权利要求1所述的用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法，其特征在于，步骤5)中，所述倾斜角度θi坐标值的具体计算公式如下：
θxi＝arcctan((C2X-C1X)/(b-a)) (1)
θyi＝arcctan((C2Y-C1Y)/(b-a)) (2)
7.根据权利要求1所述的用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法，其特征在于，步骤7)中，利用迭代算法计算下一个坐标PCi＝[PC_Xi，PC_Yi]，具体计算过程如下：
如果当前声轴的倾斜角度是第一次调整后所得，则根据三角关系计算调整量，根据聚焦平面Zfocus的深度Dfocus，新的中心点的坐标PC2＝[PC_X2，PC_Y2]的计算公式如下：
PC_X2＝PC_X1+tan(θx1)×(Dfocus-a) (3)
PC_Y2＝PC_Y1+tan(θy1)×(Dfocus-a) (4)
上式(3)、(4)中，当前声轴的倾斜角度θ1＝[θx1，θy1]是第一次调整后所得；
否则，新的中心点的坐标PCi+1＝[PC_Xi+1，PC_Yi+1]的计算公式如下：
PC_Xi+1＝(PC_Xi－PC_Xi-1)/(θxi－θxi-1)×θxi (5)
PC_Yi+1＝(PC_Yi－PC_Yi-1)/(θyi－θyi-1)×θyi (6)
上式(5)、(6)中，i为不小于2的整数，当前声轴的倾斜角度θi＝[θxi，θyi]，当前声轴的倾斜角度未调整前的倾斜角度为θi-1＝[θxi-1，θyi-1]。
8.根据权利要求1所述的用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法，其特征在于，所述步骤3)和步骤4)的顺序可进行调换。
9.根据权利要求1所述的用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法，其特征在于，步骤3)、步骤4)中，通过计算机控制水槽系统自动扫描Z1或Z2平面。
10.根据权利要求1所述的用于超声声场测量系统的手动声轴对齐方法，其特征在于，所述声轴角度检测平面Z1、Z2之间的间隔越大，对齐精度越高。
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