一種相控陣換能器非線性聲場(chǎng)測(cè)量裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種相控陣換能器非線性聲場(chǎng)測(cè)量裝置?，F(xiàn)有聲場(chǎng)測(cè)量未考慮水聽(tīng)器指向性對(duì)接收數(shù)據(jù)的影響。本實(shí)用新型的相控陣換能器固定于三爪卡盤(pán)結(jié)構(gòu)；計(jì)算機(jī)通過(guò)PLC控制器控制水聽(tīng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的脈沖信號(hào)通過(guò)功率放大器放大后激勵(lì)相控陣換能器向水中輻射聲波，且FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)相控陣換能器的各個(gè)晶片陣元進(jìn)行相控延時(shí)處理，使相控陣輻射聲波偏轉(zhuǎn)并聚焦到同一點(diǎn)；水聽(tīng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)水聽(tīng)器進(jìn)行掃描；水聽(tīng)器將接收到的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳給FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)串口通訊將電信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。本實(shí)用新型通過(guò)精確的角度調(diào)整來(lái)測(cè)量相控陣的非線性聲場(chǎng)。
【專利說(shuō)明】
一種相控陣換能器非線性聲場(chǎng)測(cè)量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于聲學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種相控陣換能器非線性聲場(chǎng)測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]利用超聲進(jìn)行診斷與治療已成為醫(yī)學(xué)生物工程的重要分支之一。傳統(tǒng)超聲束聚焦時(shí)其焦點(diǎn)都是固定的，而在超聲治療時(shí)常需要調(diào)整焦點(diǎn)，此時(shí)只能通過(guò)機(jī)械掃描、移動(dòng)陣列才能對(duì)不同位置和深度的組織進(jìn)行掃描治療，但機(jī)械調(diào)整很不方便且速度較慢，限制了它的應(yīng)用。于是便提出了相控陣方法，它是用電子技術(shù)調(diào)整焦點(diǎn)位置和聚焦的方向，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)聚焦。超聲相控陣技術(shù)已由最初的醫(yī)療領(lǐng)域逐漸發(fā)展到工業(yè)無(wú)損檢測(cè)，目前對(duì)超聲相控陣的研究主要集中在新型相控陣探頭的開(kāi)發(fā)及優(yōu)化，它已成為近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
[0003]超聲相控陣換能器是指由多個(gè)獨(dú)立的壓電晶片組成陣列，按一定的規(guī)則和時(shí)序用電子控制系統(tǒng)控制激發(fā)各個(gè)晶片單元，來(lái)調(diào)節(jié)控制焦點(diǎn)的位置和聚焦的方向；常規(guī)的超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是基于傳統(tǒng)線性超聲，當(dāng)相控陣系統(tǒng)是多陣元、高頻率和高強(qiáng)度時(shí)，聚焦超聲在媒質(zhì)中傳播，常見(jiàn)的媒質(zhì)并非理想流體，而是具有黏性、熱傳導(dǎo)性和非線性的。高強(qiáng)度聚焦超聲下，由于聲波的聲壓以及頻率比較大，媒質(zhì)傳播時(shí)質(zhì)點(diǎn)的聲壓以及振動(dòng)速度相對(duì)于大氣壓強(qiáng)以及聲速來(lái)說(shuō)不是很小或者可忽略不計(jì)的了，此時(shí)必須考慮傳播介質(zhì)的非線性效應(yīng)，它將聲波能量轉(zhuǎn)向更高的頻率成份，波形上表現(xiàn)為畸變。非線性效應(yīng)帶來(lái)的誤差會(huì)對(duì)相控陣聲場(chǎng)的精確控制帶來(lái)影響，因此對(duì)相控陣非線性聲場(chǎng)特性的研究有著重要的意義。
[0004]在進(jìn)行相控陣換能器的聲場(chǎng)測(cè)量時(shí)，因?yàn)樗?tīng)器具有接收指向性，水聽(tīng)器與超聲換能器的夾角會(huì)給聲場(chǎng)的測(cè)試引入一定的誤差，因此為保證測(cè)量相控陣非線性聲場(chǎng)的準(zhǔn)確性，關(guān)鍵是光纖水聽(tīng)器接收到的信號(hào)為直接有效的信號(hào)，此時(shí)必須保證水聽(tīng)器工作面與需測(cè)量的聚焦聲束是平行位置，傳統(tǒng)的聲場(chǎng)測(cè)量是通過(guò)控制水聽(tīng)器相對(duì)相控陣超聲換能器運(yùn)動(dòng)，測(cè)量相控陣超聲換能器發(fā)射的超聲波傳播的空間聲壓分布，測(cè)量時(shí)未考慮水聽(tīng)器指向性對(duì)接收數(shù)據(jù)的影響，再加上超聲波作用于液體時(shí)可產(chǎn)生大量小氣泡，當(dāng)聲波功率較大時(shí)空化泡劇烈崩潰易產(chǎn)生空化現(xiàn)象對(duì)光纖水聽(tīng)器造成損壞，直接導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的是針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種相控陣換能器非線性聲場(chǎng)測(cè)量裝置對(duì)相控陣的非線性聲場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，設(shè)計(jì)了水聽(tīng)器夾具等結(jié)構(gòu)對(duì)聚焦聲束測(cè)量時(shí)的角度進(jìn)行微調(diào)，通過(guò)PLC控制五個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)水聽(tīng)器的掃描運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)射、多路相控延時(shí)、數(shù)據(jù)采集功能，最后在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的保存及后期的數(shù)據(jù)處理、聲場(chǎng)分布顯示和聲參數(shù)計(jì)算等功能，以完整的實(shí)現(xiàn)對(duì)相控陣換能器非線性聲場(chǎng)的檢測(cè)。
[0006]本實(shí)用新型包括溶氧脫氣裝置、相控陣換能器、水聽(tīng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、PLC控制器、計(jì)算機(jī)、FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、功率放大器、水池和三爪卡盤(pán)結(jié)構(gòu)；所述的相控陣換能器固定于三爪卡盤(pán)結(jié)構(gòu)上，三爪卡盤(pán)結(jié)構(gòu)固定于水池內(nèi)側(cè)壁;經(jīng)溶氧脫氣裝置除氣泡處理的除氣水注滿水池;計(jì)算機(jī)通過(guò)串口通訊端口與PLC控制器連接，對(duì)PLC控制器發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，PLC控制器通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制水聽(tīng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三個(gè)第一步進(jìn)電機(jī)和兩個(gè)第二步進(jìn)電機(jī);所述FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的脈沖信號(hào)由計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)生，并通過(guò)功率放大器放大后激勵(lì)相控陣換能器向水中輻射聲波，且FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)相控陣換能器的各個(gè)晶片陣元進(jìn)行相控延時(shí)處理，使相控陣輻射聲波偏轉(zhuǎn)并聚焦到同一點(diǎn)；計(jì)算機(jī)根據(jù)相控陣輻射聲波的聚焦深度和聲波偏轉(zhuǎn)角度，控制水聽(tīng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)水聽(tīng)器進(jìn)行掃描;水聽(tīng)器將接收到的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳給FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)串口通訊將電信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。
[0007]所述的水聽(tīng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括絲桿組、第一步進(jìn)電機(jī)、第二步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、弧形套圈、水聽(tīng)器夾具和導(dǎo)軌。所述的絲桿組由第一水平絲桿、第二水平絲桿和豎直絲桿組成；三根絲桿沿三維坐標(biāo)系的三個(gè)軸向布置，且由三個(gè)第一步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)；一根導(dǎo)軌與第一水平絲桿上的螺母塊固定，并與第二水平絲桿上的螺母塊構(gòu)成滑動(dòng)副，支承第二水平絲桿的支承座與固定在水池上的另一根導(dǎo)軌構(gòu)成滑動(dòng)副;支承豎直絲桿的支撐板與第二水平絲桿上的螺母塊固定;其中一個(gè)第二步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與轉(zhuǎn)軸一端通過(guò)聯(lián)軸器連接，轉(zhuǎn)軸另一端與弧形套圈固定;所述的水聽(tīng)器夾具與弧形套圈內(nèi)壁開(kāi)設(shè)有的弧形凹槽構(gòu)成滑動(dòng)副，并由另一個(gè)第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng);兩個(gè)第二步進(jìn)電機(jī)均固定在支撐板上。
[0008]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0009]本實(shí)用新型使用五個(gè)自由度的高精度水聽(tīng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)光纖水聽(tīng)器進(jìn)行掃描，設(shè)計(jì)了光纖水聽(tīng)器角度微調(diào)結(jié)構(gòu)，通過(guò)精確的角度調(diào)整來(lái)測(cè)量相控陣的非線性聲場(chǎng)。同時(shí)克服了傳統(tǒng)利用掃查運(yùn)動(dòng)軸的往返行程中來(lái)采集數(shù)據(jù)，未考慮到水聽(tīng)器指向性對(duì)接收數(shù)據(jù)的影響的缺點(diǎn)。本實(shí)用新型測(cè)量聲場(chǎng)更準(zhǔn)確、更直接，適用于各種相控陣偏轉(zhuǎn)聚焦非線性聲場(chǎng)的測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[00?0]圖1為本實(shí)用新型的不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011 ]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0012]如圖1所示，一種相控陣換能器非線性聲場(chǎng)測(cè)量裝置，包括溶氧脫氣裝置、相控陣換能器、水聽(tīng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、PLC控制器1、計(jì)算機(jī)2、FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3、功率放大器4、水池5和三爪卡盤(pán)結(jié)構(gòu)6。先用溶氧脫氣裝置對(duì)普通水進(jìn)行除氣泡處理，再固定相控陣換能器于三爪卡盤(pán)結(jié)構(gòu)6上，使除氣水注滿水池5 ；三爪卡盤(pán)結(jié)構(gòu)6固定于水池內(nèi)側(cè)壁。計(jì)算機(jī)2通過(guò)串口通訊端口與PLC控制器I連接，對(duì)PLC控制器I發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，PLC控制器I通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制水聽(tīng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三個(gè)第一步進(jìn)電機(jī)8和兩個(gè)第二步進(jìn)電機(jī)9，從而帶動(dòng)水聽(tīng)器實(shí)現(xiàn)五個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行掃描。FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3的脈沖信號(hào)由計(jì)算機(jī)2控制產(chǎn)生，并通過(guò)功率放大器4放大后激勵(lì)相控陣換能器向水中輻射聲波，且FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3對(duì)相控陣換能器的各個(gè)晶片陣元進(jìn)行相控延時(shí)處理，使相控陣輻射聲波偏轉(zhuǎn)并聚焦到同一點(diǎn)；相控陣輻射聲波的聚焦深度(相控陣換能器探頭中心點(diǎn)到聚焦點(diǎn)的距離)和聲波偏轉(zhuǎn)角度由計(jì)算機(jī)2控制產(chǎn)生的脈沖信號(hào)決定，計(jì)算機(jī)根據(jù)相控陣輻射聲波的聚焦深度和聲波偏轉(zhuǎn)角度，控制水聽(tīng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)水聽(tīng)器進(jìn)行掃描;水聽(tīng)器將接收到的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳給FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)串口通訊將電信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理;計(jì)算機(jī)對(duì)電信號(hào)的分析處理具體為提取諧波成份，并顯示相控陣換能器的基波聲場(chǎng)和諧波聲場(chǎng)。
[0013]水聽(tīng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括絲桿組7、第一步進(jìn)電機(jī)8、第二步進(jìn)電機(jī)9、聯(lián)軸器10、弧形套圈11、水聽(tīng)器夾具12和導(dǎo)軌13。絲桿組7由第一水平絲桿、第二水平絲桿和豎直絲桿組成;三根絲桿沿三維坐標(biāo)系的三個(gè)軸向布置，且由三個(gè)第一步進(jìn)電機(jī)8分別驅(qū)動(dòng);一根導(dǎo)軌13與第一水平絲桿上的螺母塊固定，并與第二水平絲桿上的螺母塊構(gòu)成滑動(dòng)副，使得第一水平絲桿上的螺母塊能帶動(dòng)第二水平絲桿沿固定在水池5上的另一根導(dǎo)軌13移動(dòng);支承豎直絲桿的支撐板與第二水平絲桿上的螺母塊固定;其中一個(gè)第二步進(jìn)電機(jī)9的輸出軸與轉(zhuǎn)軸一端通過(guò)聯(lián)軸器10連接，轉(zhuǎn)軸另一端與弧形套圈11固定;水聽(tīng)器夾具12置于弧形套圈11內(nèi)壁開(kāi)設(shè)有的弧形凹槽內(nèi)，并由另一個(gè)第二步進(jìn)電機(jī)9驅(qū)動(dòng)沿弧形凹槽運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在豎直平面內(nèi)角度的微調(diào)，克服了因水聽(tīng)器接收指向性對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差的影響，保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;兩個(gè)第二步進(jìn)電機(jī)9均固定在支撐板上。因相控陣換能器安裝誤差的存在，設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)控制水聽(tīng)器沿五個(gè)自由度的自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)，第一步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了三維空間的運(yùn)動(dòng)，第二步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)弧形套圈11實(shí)現(xiàn)在水平面內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)節(jié)。
[0014]該相控陣換能器非線性聲場(chǎng)測(cè)量裝置的工作原理:
[0015]將相控陣換能器用三爪卡盤(pán)結(jié)構(gòu)固定好后，計(jì)算機(jī)通過(guò)PLC控制第一步進(jìn)電機(jī)8和第二步進(jìn)電機(jī)9帶動(dòng)水聽(tīng)器運(yùn)動(dòng)到除氣水中的一定高度，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)通過(guò)功率放大器后激勵(lì)相控陣換能器向水中輻射聲波，并對(duì)相控陣換能器的多個(gè)陣元進(jìn)行不同的延時(shí)處理，使換能器輻射聲波偏轉(zhuǎn)一定角度聚焦到同一點(diǎn)，根據(jù)聚焦深度和聲束偏轉(zhuǎn)角度，再控制第一步進(jìn)電機(jī)使水聽(tīng)器運(yùn)動(dòng)到相控陣換能器的聚焦區(qū)域，并通過(guò)第二步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)角度調(diào)整，使水聽(tīng)器和聚焦聲束工作在同一條線，水聽(tīng)器接收到的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集并傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將接收到的信號(hào)進(jìn)行基波和諧波的提取，并顯示相控陣的基波聲場(chǎng)和諧波聲場(chǎng)分布圖，與理論仿真圖進(jìn)行對(duì)比，分析誤差，并分析非線性效應(yīng)對(duì)相控陣換能器聚焦聲場(chǎng)的影響。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種相控陣換能器非線性聲場(chǎng)測(cè)量裝置，包括溶氧脫氣裝置、相控陣換能器、水聽(tīng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、PLC控制器、計(jì)算機(jī)、FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、功率放大器、水池和三爪卡盤(pán)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的相控陣換能器固定于三爪卡盤(pán)結(jié)構(gòu)上，三爪卡盤(pán)結(jié)構(gòu)固定于水池內(nèi)側(cè)壁;經(jīng)溶氧脫氣裝置除氣泡處理的除氣水注滿水池;計(jì)算機(jī)通過(guò)串口通訊端口與PLC控制器連接，對(duì)PLC控制器發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，PLC控制器通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制水聽(tīng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三個(gè)第一步進(jìn)電機(jī)和兩個(gè)第二步進(jìn)電機(jī);所述FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的脈沖信號(hào)由計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)生，并通過(guò)功率放大器放大后激勵(lì)相控陣換能器向水中輻射聲波，且FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)相控陣換能器的各個(gè)晶片陣元進(jìn)行相控延時(shí)處理，使相控陣輻射聲波偏轉(zhuǎn)并聚焦到同一點(diǎn)；計(jì)算機(jī)根據(jù)相控陣輻射聲波的聚焦深度和聲波偏轉(zhuǎn)角度，控制水聽(tīng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)水聽(tīng)器進(jìn)行掃描;水聽(tīng)器將接收到的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳給FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)串口通訊將電信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相控陣換能器非線性聲場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征在于:所述的水聽(tīng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括絲桿組、第一步進(jìn)電機(jī)、第二步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、弧形套圈、水聽(tīng)器夾具和導(dǎo)軌;所述的絲桿組由第一水平絲桿、第二水平絲桿和豎直絲桿組成;三根絲桿沿三維坐標(biāo)系的三個(gè)軸向布置，且由三個(gè)第一步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)；一根導(dǎo)軌與第一水平絲桿上的螺母塊固定，并與第二水平絲桿上的螺母塊構(gòu)成滑動(dòng)副，支承第二水平絲桿的支承座與固定在水池上的另一根導(dǎo)軌構(gòu)成滑動(dòng)副;支承豎直絲桿的支撐板與第二水平絲桿上的螺母塊固定;其中一個(gè)第二步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與轉(zhuǎn)軸一端通過(guò)聯(lián)軸器連接，轉(zhuǎn)軸另一端與弧形套圈固定;所述的水聽(tīng)器夾具與弧形套圈內(nèi)壁開(kāi)設(shè)有的弧形凹槽構(gòu)成滑動(dòng)副，并由另一個(gè)第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng);兩個(gè)第二步進(jìn)電機(jī)均固定在支撐板上。
【文檔編號(hào)】H04R29/00GK205430608SQ201620169790
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年3月4日
【發(fā)明人】曹文旭, 鄭慧峰, 吳筱, 葛昕
【申請(qǐng)人】中國(guó)計(jì)量學(xué)院