CN113704970B - 一种利用压电阵列测量声功率的方法、装置及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用压电阵列测量声功率的方法，包括：获取压电阵列响应超声波声场后在压电阵列的阵列电极上输出的电信号；根据声功率计算模型以及所述电信号确定所述声场的声功率；其中，所述声功率计算模型是基于超声波与压电阵列建立的。本发明设计了一种利用压电阵列测量声功率的方法，可以实现高频、大量程及高精度的声功率测量。本发明可以很好地改善现有技术中普遍存在量程偏小、较大功率下声冲流影响测量精度、价格昂贵等问题。

Description

一种利用压电阵列测量声功率的方法、装置及设备
技术领域
本发明涉及声功率测量技术领域，特别是涉及一种利用压电阵列测量声功率的方法、装置及设备。
背景技术
现有技术中利用压电效应来测量超声波声功率的方法很多，其原理是通过将声信号转换成电信号的压电阵列来接收声源信号，然后将其转换为电信号供计算模型处理来得到声源的声功率。其中，用于接收声源信号的压电阵列可以有水听器；此外，与压电阵列配合来实现声功率计算的产品称为声功率计。但是目前的水听器普遍存在量程偏小、较大功率下声冲流影响测量精度、价格昂贵等问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用压电阵列测量声功率的方法、装置及设备，用于改善现有水听器普遍存在量程偏小、较大功率下声冲流影响测量精度、价格昂贵等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种利用压电阵列测量声功率的方法，包括：
获取压电阵列响应超声波声场后在压电阵列的阵列电极上输出的电信号；
根据声功率计算模型以及所述电信号确定所述声场的声功率；其中，所述声功率计算模型是基于超声波与压电阵列建立的。
可选地，在根据声功率计算模型以及所述电信号确定所述声场的声功率后，还包括以下步骤：
根据一声功率修正模型对通过声功率计算模型所确定的所述声场的声功率进行修正。
可选地，根据一声功率修正模型对所确定声功率进行修正的方法包括：
利用通过声功率计算模型所确定的所述声场的声功率对阵列电极占空比作除运算；其中，阵列电极的占空比等于阵列电极中单个电极的面积除以阵列电极中相邻电极的间距的平方。
可选地，所述阵列电极中每个阵元的尺寸小于1/4超声波波长。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种利用压电阵列测量声功率的装置，包括：
压电信号转换模块，用于获取压电阵列响应超声波声场后在压电阵列的阵列电极上输出的电信号；
声功率计算模块，用于根据声功率计算模型以及所述电信号确定所述声场的声功率；其中，所述声功率计算模型是基于超声波与压电阵列建立的。
可选地，还包括功率修正模块，用于根据一声功率修正模型对通过声功率计算模型所确定的所述声场的声功率进行修正。
可选地，所述功率修正模块利用通过声功率计算模型所确定的所述声场的声功率对阵列电极占空比作除运算；其中，阵列电极的占空比等于阵列电极中单个电极的面积除以阵列电极中相邻电极的间距的平方。
可选地，所述阵列电极中每个阵元的尺寸小于1/4超声波波长。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种声功率测量设备，包括处理器，所述处理器和存储器耦合，所述存储器存储有程序指令，当所述存储器存储的程序指令被所述处理器执行时实现所述的方法。
如上所述，本发明提供的一种利用压电阵列测量声功率的方法、装置及设备，具有以下有益效果：
本发明的利用压电阵列测量声功率的方法，包括：获取压电阵列响应超声波声场后在压电阵列的阵列电极上输出的电信号；根据声功率计算模型以及所述电信号确定所述声场的声功率；其中，所述声功率计算模型是基于超声波与压电阵列建立的。本发明基于压电材料具有高频、高耐受功率、高灵敏度等优良特性，设计了一种阵列式压电声功率计，可以实现高频、大量程及高精度的声功率测量。
附图说明
图1为本发明一实施例中一种用于声功率计的压电阵列的结构示意图；
图2为本发明一实施例中测量声场声功率计装置的结构示意图；
图3为本发明一实施例中反射型靶面的结构示意图。
图4为本发明一实施例中一种利用压电阵列测量声功率的方法的流程图。
图5为本发明一实施例中流固耦合振动模型的示意图；
图6为本发明一实施例中阵列式声功率计等效电路图；
图7为本发明一实施例中阵列电极中各阵元的布置图；
图8为本发明一实施例中靶面与声源发射面之间来回反射示意图；
图9为本发明一实施例中阵列压电声功率计与辐射力天平测量声功率对比曲线图；
图10为本发明一种利用压电阵列测量声功率的装置的原理框图。
附图标号说明
200 本体
210 压电材料
220 第一电极
230 第二电极
300 超声波
400 导线
1000 声功率测量装置
1010 压电信号转换模块
1020 声功率计算模块
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本申请实施例提供一种用于声功率计的压电阵列200，包括：
本体210，由所述压电材料构成；其中，压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料；
第一电极220，设置于所述本体的一侧，构成所述声功率计的靶面，用于接收超声波300；
第二电极230，设置于所述本体的另一侧，构成所述声功率计的背水面；
其中，所述第一电极为整电极(整电极可以理解为一块完成的电极)；所述第二电极为阵列电极，由多个阵元按阵列排列构成。阵列电极中的每个阵元分别输出一电信号，所述电信号由所述本体响应所述超声波的声场生成。
在本申请中，可以利用二维排列的多个阵元获取声场横截面上的声压(声强)分布信息，可以根据声压分布信息计算出目标声场的声功率。利用该压电阵列进行声场测量时，在采集声场的时间分布及空间分布信息，具有时间分辨力和空间分辨力，测量结果会更加精确。
在一实施例中，所有的阵元输出的电压可以通过导线400输入到多通道电压采集模块进行采集，如图2所示。在采集完所有阵元输出的电压后，再进行后续步骤计算。
在一实施例中，所述压电材料为1-3型压电材料、压电薄膜、压电单晶中的一种。以下以1-3型压电材料作为本体的材料进行说明。
在本申请中，压电阵列的靶面(超声波接收面)-即第一电极设计为整电极，在进行声功率测量时，第一电极作接地处理；背水面-即第二电极设计成阵列电极，每个阵元可以看成是独立的水听器单元。采用第一电极为整电极，第二电极为阵列电极的设计方式，可以避免阵列电极引线介入声场、难以布置等问题。为了保证声场测量的具有足够的横向分辨力，所述阵列电极中每个阵元的尺寸小于1/4超声波波长。小尺寸阵列电极的制备工艺可借助MEMS相关工艺技术制作。
在本申请中，声功率计是在压电效应的基础上实现的，声功率计的靶面的材料是1-3型压电复合材料。因此将目标声源辐射面上的声压准确传递到1-3型压电复合材料压电阵列(换能器)上是测量准确性的关键，考虑到反射型靶面无吸声材料加入，声压与压电阵列可以实现直接接触，因此在本实施例中采用反射型靶面，图3为反射型靶面示意图，反射型采用透声膜240封装，保证超声波透射过程中不损失，达到保护压电阵列及电隔离的目的。反射型靶面的优点是超声波入射和反射可以准确计算。
如图4所示，本申请实施例提供一种利用压电阵列测量声功率的方法，用于测量声场的功率。具体包括以下步骤：
S401获取压电阵列响应超声波声场后在压电阵列的阵列电极上输出的电信号；
S402根据声功率计算模型以及所述电信号确定所述声场的声功率；其中，所述声功率计算模型是基于超声波与所述压电阵列建立的，所述声功率计算模型表征所述电信号与所述声场的声功率的关系。
根据上述方法测量到的声功率的误差较小。
在步骤S402中，声功率计算模型是基于超声波与如图1所示的压电阵列建立的，以下将对该声功率计算模型的过程和原理进行详细说明，其中，压电材料采用1-3型压电材料。
采用流固耦合振动模型(也简称：流固耦合模型)来讨论单个振元压电材料声功率计下电压信号与声功率的关系。
由于阵列电极中的各阵元可以被视为一个独立的由1-3压电材料制成的压电阵列，因此，可以建立一个单振元1-3压电材料声功率计流固耦合模型来对该阵元输出的电信号进行分析处理。
由于本申请是采用1-3型压电复合材料制作阵列式声功率计，考虑到阵列式1-3型压电复合材料声功率计的每个阵元都独立工作，由于阵元横向尺寸较小，在上面的声压可看成均布载荷。对于单个阵元，基于三维压电方程(Tiersten,Linear piezoelectricplate vibrations,1969)，建立超声波垂直入射作用下1-3型压电材料的流固耦合振动模型。流固耦合振动模型如图5所示，其靶面上的入射波及反射波分别为PI和PR。
阵列式1-3型压电复合材料声功率计的等效电路图如图6所示，振元上输出电压与声压的函数关系：
Vi＝F(pI,i,f) (1)
其中，f为频率，i表示第i个阵元，pI,i表示第i个阵元上的声压。
振元上的电压与声压的函数如式(2)所示。
其中，ρ0是液体的密度，ξ和分别表示在固体和液体中波数，/>是液体中的声速，e33表示压电常数，ε33表示介电常数，/>表示弹性常数。
阵列式1-3压电复合材料的压电阵列输出声压信号与声功率的关系。
阵列单元i上的平均声能量密度表达式为：
其中，为第i个阵元的平均声能量密度，ρ0是液体的密度，c0为压电材料的等效弹性常数，i取正整数。
进而压电阵列的所有阵元的总声功率为：
其中，所述Δs为单个阵列单元的面积，n表示阵元数，取正整数，根据(1)-(4)式子，即可确定输出电压信号及声压之间的关系，进而计算出声功率，最终得到输出声压信号与声功率的关系的计算公式。
在一实施例中，考虑到阵列电极中的各个阵元之间具有缝隙，为阵列电极的空隙会对总声功率的接收有损失。因此在步骤S402之后，还可以包括一功率修正步骤：即根据一声功率修正模型对通过声功率计算模型所确定的所述声场的声功率进行修正，并予以输出。
具体的，可以通过声功率计算模型所确定的所述声场的声功率对阵列电极占空比作除运算；其中，阵列电极的占空比等于阵列电极中单个电极的面积L2除以阵列电极中相邻电极的间距d的平方。
例如，见图7，电极阵列所占面积比为υ＝L2/d2，由于该阵列电极的空隙会对总声功率的接收有损失，因此对最终声功率公式(5)进行修正，具体修正公式如下：
在一实施例中，为去除靶面与声源发射面之间来回反射干扰，采集二次反射回波之前的信号最大幅值(图8)，即声功率计放置在离声源一定距离L1上，当二次反射回波到达接收面时，即采集时间t0时刻以内声功率计上的电信号，并得到t0时刻内响应的最大电压幅值，t0要求如下：
本发明利用图1所示的压电阵列构成的声功率计进行声功率测量，然后将其测量结果与辐射力天平结果进行对比，从图9可知，声功率计所测结果与辐射力天平一致，测量结果也非常精确，与辐射力天平误差在12％以内，充分显示了的压电声功率计的发展潜力。
见图10，本实施例还提供了用于实现上述一种利用压电阵列测量声功率的装置，如图所示，该装置1000包括压电信号转换模块1010和声功率计算模块1020，其中，压电信号转换模块1010用于获取如图1所示的压电阵列响应超声波声场后在压电阵列的阵列电极上输出的电信号；声功率计算模块1020用于根据声功率计算模型以及所述电信号确定所述声场的声功率；其中，所述声功率计算模型是基于超声波与如图1所示的压电阵列建立的。
在一实施例中，该装置还包括功率修正模块，用于根据一声功率修正模型对通过声功率计算模型所确定的所述声场的声功率进行修正。
在一实施例中，所述功率修正模块利用通过声功率计算模型所确定的所述声场的声功率对阵列电极占空比作除运算；其中，阵列电极的占空比等于阵列电极中单个电极的面积除以阵列电极中相邻电极的间距的平方。
在一实施例中，所述阵列电极中每个阵元的尺寸小于1/4超声波波长。
由于本实施例提供的利用压电阵列测量声功率的装置1000是与上述图3中的方法相对应的，其技术原理和所要解决的技术问题相同，故不做赘述。
上述实施例中提供的系统可执行本发明任意实施例所提供的方法，具备执行该方法相应的功能模块和有益效果。未在上述实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例所提供的方法。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、设备和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，通过以上的实施方式的掐述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请的部分或全部可借助软件并结合必需的通用硬件平台来实现。所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立地产品销售或使用时，还可以存储在一个计算机可读取存储介质中基于这样的理解，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，包括程序，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如图1所示的方法。
本发明实施例提供一种图像处理设备，包括处理器，所述处理器和存储器耦合，所述存储器存储有程序指令，当所述存储器存储的程序指令被所述处理器执行时实现如图3所示的方法。
基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可包括其上存储有机器可执行指令的一个或多个机器可读介质，这些指令在由诸如计算机、计算机网络或其他电子设备等一个或多个机器执行时可使得该一个或多个机器根据本申请的实施例来执行操作。机器可读介质可包括，但不限于，软盘、光盘、CD-ROM(只读光盘)、磁光盘、ROM(只读存储器),RAM(随机存取存储器),EPROM(可擦除可编程只读存储器),EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、磁卡或光卡、闪存或适于存储机器可执行指令的其他类型的介质/机器可读介质。其中，所述存储介质可位于本地服务器也可位于第三方服务器中，如位于第三方云服务平台中。在此对具体云服务平台不做限制，如阿里云、腾讯云等。本申请可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中。例如：被配置为分布式系统中一个节点的个人计算机、专用服务器计算机、大型计算机等。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种利用压电阵列测量声功率的方法，其特征在于，包括：
获取压电阵列响应超声波声场后在压电阵列的阵列电极上输出的电信号；
根据声功率计算模型以及所述电信号确定所述声场的声功率；其中，所述声功率计算模型是基于超声波与压电阵列建立的；
根据一声功率修正模型对通过声功率计算模型所确定的所述声场的声功率进行修正；
根据一声功率修正模型对所确定声功率进行修正的方法包括：
利用通过声功率计算模型所确定的所述声场的声功率对阵列电极占空比作除运算；其中，阵列电极的占空比等于阵列电极中单个电极的面积除以阵列电极中相邻电极的间距的平方。
2.根据权利要求1所述的利用压电阵列测量声功率的方法，其特征在于，所述阵列电极中每个阵元的尺寸小于1/4超声波波长。
3.一种利用压电阵列测量声功率的装置，其特征在于，包括：
压电信号转换模块，用于获取压电阵列响应超声波声场后在压电阵列的阵列电极上输出的电信号；
声功率计算模块，用于根据声功率计算模型以及所述电信号确定所述声场的声功率；其中，所述声功率计算模型是基于超声波与压电阵列建立的；
功率修正模块，用于根据一声功率修正模型对通过声功率计算模型所确定的所述声场的声功率进行修正；
所述功率修正模块利用通过声功率计算模型所确定的所述声场的声功率对阵列电极占空比作除运算；其中，阵列电极的占空比等于阵列电极中单个电极的面积除以阵列电极中相邻电极的间距的平方。
4.根据权利要求3所述的利用压电阵列测量声功率的装置，其特征在于，所述阵列电极中每个阵元的尺寸小于1/4超声波波长。
5.一种利用压电阵列测量声功率的设备，其特征在于，包括处理器，所述处理器和存储器耦合，所述存储器存储有程序指令，当所述存储器存储的程序指令被所述处理器执行时实现权利要求1或2所述的方法。
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