基于標準尺寸微球運動圖像的聲場測量方法研究

葉建東 范宗尉 吳玉光

摘 要：為了解決水環(huán)境下微小空間內(nèi)聲場難以測量問題，提出了一種基于標準尺寸微球運動圖像的聲場測量方法。首先根據(jù)水環(huán)境下聲場中標準尺寸微球的受力特性建立運動模型，然后根據(jù)標準尺寸微球運動圖像對微球運動情況進行分析得到運動參數(shù)，最后結(jié)合運動模型反求出標準尺寸微球在聲場中各處所受超聲輻射力的分布。實驗結(jié)果表明，該測量方法能較好地解決聲場測量問題，具有較高的實用性。

關(guān)鍵詞：超聲輻射力;近壁面;聲場測量;標準尺寸微球運動模型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.071

2.2 實驗方案設(shè)計

為了最大程度地實現(xiàn)聲場測量，必須對鏡頭視野內(nèi)的整個區(qū)域內(nèi)各處微球所受的超聲輻射力進行檢測。在圖1所示的坐標系中，以X軸正向方向為起始運動方向，在圓周方向上沿著逆時針方向以30°角為增量，進行12組數(shù)據(jù)采樣，從而實現(xiàn)全方位覆蓋式測量。同時采用來回反復兩次運動測量，即使標準尺寸微球按照指定方向運動出去后，再使其按原路返回到初始平衡位置。保證每組所采集的數(shù)據(jù)位置信息相對位移不變。具體為：首先合成聲場穩(wěn)定俘獲標準尺寸微球，并使其處于相機視野中心位置;然后控制的合成聲場，使微球按照指定方向運動;接著使微球按原路返回到初始平衡位置;最后改變角度，重復進行實驗，直到完成12組實驗采樣。

得到微球運動圖像之后，使用Tracker軟件對圖像進行處理得到微球的運動數(shù)據(jù)，并根據(jù)理論推導公式求出其在各處所受的超聲輻射力，進而得出聲場的分布。

3 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)實驗方案進行實驗，拍攝得到12組微球運動圖像。下面圖像為微球沿著與X軸成60°、-60°方向運動過程的圖像，具體如圖4，5所示。

根據(jù)得到的微球運動圖像完成實驗數(shù)據(jù)處理后，得到的結(jié)果是有限采樣點集合。為更直觀的表現(xiàn)聲場的空間分布，采用空間平滑濾波器對超聲輻射力分布圖進行插補，在三維圖中顯示超聲輻射力的分布。

從圖6可以看出，聲場中超聲輻射力分布基本符合理論仿真分布趨勢，但在有些方向上分布不規(guī)則，這是可能是實驗過程中如信號不穩(wěn)定、換能器之間存在差異、水中存在氣泡等其他因素引起，而且實驗數(shù)據(jù)在處理過程中也會產(chǎn)生一定的誤差。

4 結(jié)束語

本文在分析水環(huán)境中標準尺寸微球受力特性的基礎(chǔ)上，建立水環(huán)境中標準尺寸微球的運動學模型，并利用機器視覺技術(shù)實現(xiàn)對水環(huán)境中微球運動的識別，確定其相關(guān)的運動參數(shù)，從而根據(jù)實測的運動參數(shù)反求出微球所受超聲輻射力，實現(xiàn)了聲場測量。同時，完成了檢測實驗系統(tǒng)的開發(fā)，開展了實驗研究，證實了所研發(fā)技術(shù)的可行性與有效性。

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作者簡介：葉建東（1992-），男，浙江文成人，碩士研究生，主要研究方向：微納操縱。