超聲波測(cè)距聲場(chǎng)仿真研究

劉雪林　史湘?zhèn)ァ↑S興洲　薛德寬　陳文娟

摘 要： 通過(guò)對(duì)聲場(chǎng)理論模型的研究，利用Matlab軟件對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行仿真并且給出了可視化的結(jié)果，從而使聲場(chǎng)的分析大大簡(jiǎn)化。另外通過(guò)控制變量法分別討論了發(fā)射頻率以及超聲波換能器的尺寸等對(duì)聲場(chǎng)分布的影響，有利于加深對(duì)抽象聲場(chǎng)的理解，從而對(duì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞： Matlab； 超聲場(chǎng)分布； 發(fā)射頻率； 超聲波換能器

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）05?0101?04

0 引 言

對(duì)于超聲波測(cè)距系統(tǒng)而言，超聲波的分布關(guān)系到被測(cè)物體定位的可靠性和準(zhǔn)確性，因此在超聲波檢測(cè)的研究中，超聲波聲場(chǎng)的模擬尤為重要。從目前國(guó)際上的研究現(xiàn)狀來(lái)看，超聲波的模擬主要包含了：工件中聲場(chǎng)分布的模擬，聲源發(fā)射聲場(chǎng)的模擬，各向異性材料和高衰減的不均勻材料中聲場(chǎng)模擬等，這方面研究包括瑞典烏普薩拉大學(xué)開(kāi)放的基于Matlab的工具箱程序包DREAM，法國(guó)的Pierre Calmon先生等創(chuàng)建的Champ?sons數(shù)學(xué)模等。我國(guó)的超聲檢測(cè)模擬和仿真技術(shù)的發(fā)展相對(duì)滯后，新技術(shù)研發(fā)中計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用一直是我國(guó)超聲檢測(cè)的薄弱環(huán)節(jié)。20世紀(jì)90年代，浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)了CAPPNDT系統(tǒng)，冶金部壓力容器站研發(fā)了NDTS軟件，標(biāo)志著我國(guó)超聲檢測(cè)模擬技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展。但從整體上看，我國(guó)在超聲檢測(cè)模擬和仿真技術(shù)方面的研究成果相對(duì)較少。

1 超聲場(chǎng)理論研究

1.1 描述超聲場(chǎng)的物理量

超聲波聲場(chǎng)即在介質(zhì)中超聲振動(dòng)所波及的質(zhì)點(diǎn)所占據(jù)的空間范圍。超聲波聲場(chǎng)的大小形狀受到各種因素的影響，通常采用聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗等物理量描述超聲場(chǎng)。

2 超聲波探測(cè)模塊

為了研究超聲場(chǎng)的特性，選擇超聲波接收發(fā)射模塊，對(duì)其聲波特性進(jìn)行檢測(cè)，模塊實(shí)物圖如圖2所示。該模塊所采用的是間斷多脈沖發(fā)射，發(fā)射電路主要由反向器和超聲波發(fā)射傳感器構(gòu)成，單片機(jī)端口輸出的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波傳感器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后進(jìn)到超聲波傳感器的另一個(gè)電極。超聲波接收器將超聲波調(diào)制脈沖轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，超聲波接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)。

3 超聲場(chǎng)模擬仿真

3.1 換能器圓盤聲源軸線上的聲壓分布

盡管實(shí)際聲場(chǎng)與理論分析有所差異，但是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)是基本符合的，所以基于該理論推導(dǎo)并仿真出來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基本滿足實(shí)際的測(cè)距系統(tǒng)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

影響測(cè)距系統(tǒng)精度的因素很多，包括超聲波傳播過(guò)程的衰減和環(huán)境溫度等。因此本系統(tǒng)采用了多級(jí)放大電路放大接收的信號(hào)，并引入了溫度補(bǔ)償技術(shù)，以提高其測(cè)量精度。本研究采用基爾霍夫積分法，推導(dǎo)出了超聲波換能器在圓盤聲源軸線上、遠(yuǎn)場(chǎng)任意點(diǎn)和聲束橫截面上的聲場(chǎng)，利用Matlab對(duì)均勻介質(zhì)中的超聲波聲場(chǎng)進(jìn)行模擬并將模擬結(jié)果可視化，總結(jié)了超聲波聲場(chǎng)的傳播特性和分布規(guī)律，可以有效地降低檢測(cè)成本。因此，將可視化技術(shù)應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)和超聲波聲場(chǎng)的模擬中具有重要的實(shí)際意義。

注：本文通訊作者為陳文娟。

參考文獻(xiàn)

[1] 蒙海英.基于Matlab的超聲波聲場(chǎng)模擬及可視化研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[2] SISTER V G， KIRSHANKOVA E V. Ultrasonic techniques in removing surfactants from effluents by electrocoagulation [J]. Chemical and Petroleum Engineering， 2005， 41（9?10）： 553?556.

[3] 馬旭輝，馬宏偉.超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械制造，2002，40（7）：24?26.

[4] LICZNERSKI T J， JARO?SKI J， KOSZ D. Ultrasonic system for accurate distance measurement in the air [J]. Ultrasonics， 2011， 51（8）： 960?965.

[5] 吳飛斌，張晉平，陳文娟.太陽(yáng)能超聲波導(dǎo)盲器的研制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（17）：137?140.

[6] HASHINO S， YAMADA S， K. An ultrasonic blind guidance system for street crossings [J]. Lecture Notes in Computer Science， 2010， 6180： 235?238.

[7] 張偉志，鋼鐵，王軍.超聲檢測(cè)計(jì)算機(jī)模擬和仿真的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].電子應(yīng)用聲學(xué)，2003（3）：39?45.

[8] 方海濱，周曉軍.計(jì)算機(jī)輔助無(wú)損檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究[J].無(wú)損探傷，1999（2）：6?9.

[9] 《國(guó)防科技工業(yè)無(wú)損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材》編審委員會(huì).超聲檢測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[10] 楊慶，陳桂明，董振旗.一種改進(jìn)的高精度超聲測(cè)距方法研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2010，20（12）：209?212.

[11] 施超，陳愛(ài)華，楊本全，等.基于C8051F020的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（16）：15?16.

摘 要： 通過(guò)對(duì)聲場(chǎng)理論模型的研究，利用Matlab軟件對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行仿真并且給出了可視化的結(jié)果，從而使聲場(chǎng)的分析大大簡(jiǎn)化。另外通過(guò)控制變量法分別討論了發(fā)射頻率以及超聲波換能器的尺寸等對(duì)聲場(chǎng)分布的影響，有利于加深對(duì)抽象聲場(chǎng)的理解，從而對(duì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞： Matlab； 超聲場(chǎng)分布； 發(fā)射頻率； 超聲波換能器

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）05?0101?04

0 引 言

對(duì)于超聲波測(cè)距系統(tǒng)而言，超聲波的分布關(guān)系到被測(cè)物體定位的可靠性和準(zhǔn)確性，因此在超聲波檢測(cè)的研究中，超聲波聲場(chǎng)的模擬尤為重要。從目前國(guó)際上的研究現(xiàn)狀來(lái)看，超聲波的模擬主要包含了：工件中聲場(chǎng)分布的模擬，聲源發(fā)射聲場(chǎng)的模擬，各向異性材料和高衰減的不均勻材料中聲場(chǎng)模擬等，這方面研究包括瑞典烏普薩拉大學(xué)開(kāi)放的基于Matlab的工具箱程序包DREAM，法國(guó)的Pierre Calmon先生等創(chuàng)建的Champ?sons數(shù)學(xué)模等。我國(guó)的超聲檢測(cè)模擬和仿真技術(shù)的發(fā)展相對(duì)滯后，新技術(shù)研發(fā)中計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用一直是我國(guó)超聲檢測(cè)的薄弱環(huán)節(jié)。20世紀(jì)90年代，浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)了CAPPNDT系統(tǒng)，冶金部壓力容器站研發(fā)了NDTS軟件，標(biāo)志著我國(guó)超聲檢測(cè)模擬技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展。但從整體上看，我國(guó)在超聲檢測(cè)模擬和仿真技術(shù)方面的研究成果相對(duì)較少。

1 超聲場(chǎng)理論研究

1.1 描述超聲場(chǎng)的物理量

超聲波聲場(chǎng)即在介質(zhì)中超聲振動(dòng)所波及的質(zhì)點(diǎn)所占據(jù)的空間范圍。超聲波聲場(chǎng)的大小形狀受到各種因素的影響，通常采用聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗等物理量描述超聲場(chǎng)。

2 超聲波探測(cè)模塊

為了研究超聲場(chǎng)的特性，選擇超聲波接收發(fā)射模塊，對(duì)其聲波特性進(jìn)行檢測(cè)，模塊實(shí)物圖如圖2所示。該模塊所采用的是間斷多脈沖發(fā)射，發(fā)射電路主要由反向器和超聲波發(fā)射傳感器構(gòu)成，單片機(jī)端口輸出的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波傳感器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后進(jìn)到超聲波傳感器的另一個(gè)電極。超聲波接收器將超聲波調(diào)制脈沖轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，超聲波接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)。

3 超聲場(chǎng)模擬仿真

3.1 換能器圓盤聲源軸線上的聲壓分布

盡管實(shí)際聲場(chǎng)與理論分析有所差異，但是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)是基本符合的，所以基于該理論推導(dǎo)并仿真出來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基本滿足實(shí)際的測(cè)距系統(tǒng)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

影響測(cè)距系統(tǒng)精度的因素很多，包括超聲波傳播過(guò)程的衰減和環(huán)境溫度等。因此本系統(tǒng)采用了多級(jí)放大電路放大接收的信號(hào)，并引入了溫度補(bǔ)償技術(shù)，以提高其測(cè)量精度。本研究采用基爾霍夫積分法，推導(dǎo)出了超聲波換能器在圓盤聲源軸線上、遠(yuǎn)場(chǎng)任意點(diǎn)和聲束橫截面上的聲場(chǎng)，利用Matlab對(duì)均勻介質(zhì)中的超聲波聲場(chǎng)進(jìn)行模擬并將模擬結(jié)果可視化，總結(jié)了超聲波聲場(chǎng)的傳播特性和分布規(guī)律，可以有效地降低檢測(cè)成本。因此，將可視化技術(shù)應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)和超聲波聲場(chǎng)的模擬中具有重要的實(shí)際意義。

注：本文通訊作者為陳文娟。

參考文獻(xiàn)

[1] 蒙海英.基于Matlab的超聲波聲場(chǎng)模擬及可視化研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[2] SISTER V G， KIRSHANKOVA E V. Ultrasonic techniques in removing surfactants from effluents by electrocoagulation [J]. Chemical and Petroleum Engineering， 2005， 41（9?10）： 553?556.

[3] 馬旭輝，馬宏偉.超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械制造，2002，40（7）：24?26.

[4] LICZNERSKI T J， JARO?SKI J， KOSZ D. Ultrasonic system for accurate distance measurement in the air [J]. Ultrasonics， 2011， 51（8）： 960?965.

[5] 吳飛斌，張晉平，陳文娟.太陽(yáng)能超聲波導(dǎo)盲器的研制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（17）：137?140.

[6] HASHINO S， YAMADA S， K. An ultrasonic blind guidance system for street crossings [J]. Lecture Notes in Computer Science， 2010， 6180： 235?238.

[7] 張偉志，鋼鐵，王軍.超聲檢測(cè)計(jì)算機(jī)模擬和仿真的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].電子應(yīng)用聲學(xué)，2003（3）：39?45.

[8] 方海濱，周曉軍.計(jì)算機(jī)輔助無(wú)損檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究[J].無(wú)損探傷，1999（2）：6?9.

[9] 《國(guó)防科技工業(yè)無(wú)損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材》編審委員會(huì).超聲檢測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[10] 楊慶，陳桂明，董振旗.一種改進(jìn)的高精度超聲測(cè)距方法研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2010，20（12）：209?212.

[11] 施超，陳愛(ài)華，楊本全，等.基于C8051F020的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（16）：15?16.

摘 要： 通過(guò)對(duì)聲場(chǎng)理論模型的研究，利用Matlab軟件對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行仿真并且給出了可視化的結(jié)果，從而使聲場(chǎng)的分析大大簡(jiǎn)化。另外通過(guò)控制變量法分別討論了發(fā)射頻率以及超聲波換能器的尺寸等對(duì)聲場(chǎng)分布的影響，有利于加深對(duì)抽象聲場(chǎng)的理解，從而對(duì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞： Matlab； 超聲場(chǎng)分布； 發(fā)射頻率； 超聲波換能器

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）05?0101?04

0 引 言

對(duì)于超聲波測(cè)距系統(tǒng)而言，超聲波的分布關(guān)系到被測(cè)物體定位的可靠性和準(zhǔn)確性，因此在超聲波檢測(cè)的研究中，超聲波聲場(chǎng)的模擬尤為重要。從目前國(guó)際上的研究現(xiàn)狀來(lái)看，超聲波的模擬主要包含了：工件中聲場(chǎng)分布的模擬，聲源發(fā)射聲場(chǎng)的模擬，各向異性材料和高衰減的不均勻材料中聲場(chǎng)模擬等，這方面研究包括瑞典烏普薩拉大學(xué)開(kāi)放的基于Matlab的工具箱程序包DREAM，法國(guó)的Pierre Calmon先生等創(chuàng)建的Champ?sons數(shù)學(xué)模等。我國(guó)的超聲檢測(cè)模擬和仿真技術(shù)的發(fā)展相對(duì)滯后，新技術(shù)研發(fā)中計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用一直是我國(guó)超聲檢測(cè)的薄弱環(huán)節(jié)。20世紀(jì)90年代，浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)了CAPPNDT系統(tǒng)，冶金部壓力容器站研發(fā)了NDTS軟件，標(biāo)志著我國(guó)超聲檢測(cè)模擬技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展。但從整體上看，我國(guó)在超聲檢測(cè)模擬和仿真技術(shù)方面的研究成果相對(duì)較少。

1 超聲場(chǎng)理論研究

1.1 描述超聲場(chǎng)的物理量

超聲波聲場(chǎng)即在介質(zhì)中超聲振動(dòng)所波及的質(zhì)點(diǎn)所占據(jù)的空間范圍。超聲波聲場(chǎng)的大小形狀受到各種因素的影響，通常采用聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗等物理量描述超聲場(chǎng)。

2 超聲波探測(cè)模塊

為了研究超聲場(chǎng)的特性，選擇超聲波接收發(fā)射模塊，對(duì)其聲波特性進(jìn)行檢測(cè)，模塊實(shí)物圖如圖2所示。該模塊所采用的是間斷多脈沖發(fā)射，發(fā)射電路主要由反向器和超聲波發(fā)射傳感器構(gòu)成，單片機(jī)端口輸出的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波傳感器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后進(jìn)到超聲波傳感器的另一個(gè)電極。超聲波接收器將超聲波調(diào)制脈沖轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，超聲波接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)。

3 超聲場(chǎng)模擬仿真

3.1 換能器圓盤聲源軸線上的聲壓分布

盡管實(shí)際聲場(chǎng)與理論分析有所差異，但是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)是基本符合的，所以基于該理論推導(dǎo)并仿真出來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基本滿足實(shí)際的測(cè)距系統(tǒng)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

影響測(cè)距系統(tǒng)精度的因素很多，包括超聲波傳播過(guò)程的衰減和環(huán)境溫度等。因此本系統(tǒng)采用了多級(jí)放大電路放大接收的信號(hào)，并引入了溫度補(bǔ)償技術(shù)，以提高其測(cè)量精度。本研究采用基爾霍夫積分法，推導(dǎo)出了超聲波換能器在圓盤聲源軸線上、遠(yuǎn)場(chǎng)任意點(diǎn)和聲束橫截面上的聲場(chǎng)，利用Matlab對(duì)均勻介質(zhì)中的超聲波聲場(chǎng)進(jìn)行模擬并將模擬結(jié)果可視化，總結(jié)了超聲波聲場(chǎng)的傳播特性和分布規(guī)律，可以有效地降低檢測(cè)成本。因此，將可視化技術(shù)應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)和超聲波聲場(chǎng)的模擬中具有重要的實(shí)際意義。

注：本文通訊作者為陳文娟。

參考文獻(xiàn)

[1] 蒙海英.基于Matlab的超聲波聲場(chǎng)模擬及可視化研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[2] SISTER V G， KIRSHANKOVA E V. Ultrasonic techniques in removing surfactants from effluents by electrocoagulation [J]. Chemical and Petroleum Engineering， 2005， 41（9?10）： 553?556.

[3] 馬旭輝，馬宏偉.超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械制造，2002，40（7）：24?26.

[4] LICZNERSKI T J， JARO?SKI J， KOSZ D. Ultrasonic system for accurate distance measurement in the air [J]. Ultrasonics， 2011， 51（8）： 960?965.

[5] 吳飛斌，張晉平，陳文娟.太陽(yáng)能超聲波導(dǎo)盲器的研制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（17）：137?140.

[6] HASHINO S， YAMADA S， K. An ultrasonic blind guidance system for street crossings [J]. Lecture Notes in Computer Science， 2010， 6180： 235?238.

[7] 張偉志，鋼鐵，王軍.超聲檢測(cè)計(jì)算機(jī)模擬和仿真的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].電子應(yīng)用聲學(xué)，2003（3）：39?45.

[8] 方海濱，周曉軍.計(jì)算機(jī)輔助無(wú)損檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究[J].無(wú)損探傷，1999（2）：6?9.

[9] 《國(guó)防科技工業(yè)無(wú)損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材》編審委員會(huì).超聲檢測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[10] 楊慶，陳桂明，董振旗.一種改進(jìn)的高精度超聲測(cè)距方法研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2010，20（12）：209?212.

[11] 施超，陳愛(ài)華，楊本全，等.基于C8051F020的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（16）：15?16.