基于凌華PCI-9846的超聲場(chǎng)自動(dòng)檢測與分析

　　　　　　　　圖4-4 精密機器人測量和分析系統三維顯示軟件前面板圖

　　　　　　　　　　　　　　
三維掃描軟件能詳細描繪整個(gè)三維空間和XY，XZ，YZ平面上的聲場(chǎng)分布的情況，由于空間分辨率高，可以顯示平面上的微小變化，通過(guò)不同聲壓或聲強與顏色的對應關(guān)系，可以直觀(guān)看出聲場(chǎng)在空間的變化規律，為研究和工程人員提供可靠精確的分析途徑，其應用界面見(jiàn)圖4-5、6。

頻譜分析采用離散傅里葉變換，對采集的聲場(chǎng)電信號處理。利用頻譜分析方法可研究高頻超聲信號的頻域分布（見(jiàn)圖4-6），對超聲場(chǎng)全面了解，也是換能器性能測定的重要指標。

　　　　　　　　　　圖4-5三維自動(dòng)測量和分析功能面板圖

　　　　　　　　　　　　　　圖4-6頻譜分析功能面板圖

系統整合了精密機器人，硬件和各軟件子系統的組成聲場(chǎng)自動(dòng)化測量系統。在實(shí)際測量中，利用其高空間分辨率和實(shí)時(shí)準確性，可對超聲換能器的聲場(chǎng)特性和頻率特性準確測定，及理論模型的建立提供了有效數據。

5.系統功能的驗證
為了驗證系統的主要功能，選擇一標準的凹球殼自聚焦超聲換能器，連續波超聲功率源驅動(dòng)進(jìn)行超聲場(chǎng)聲壓分布參數的驗證測試。換能器設計的幾何參數分別為：換能器輻射面出口半徑r=30mm，球殼曲率半徑R=90mm，輻射中心頻率f=1.3MHz，水介質(zhì)的聲速取1500m/s。測量聲場(chǎng)的關(guān)鍵參數包括聲壓，聲強和聲焦域等，相應描述聲場(chǎng)的基本形式主要有軸線(xiàn)聲壓曲線(xiàn)圖，焦平面徑向聲壓曲線(xiàn)圖，焦平面聲場(chǎng)曲面圖，焦斑三維立體圖。

經(jīng)過(guò)測試換能器軸線(xiàn)聲壓曲線(xiàn)圖顯示了軸線(xiàn)上聲壓幅值隨距離的變化的規律。水聽(tīng)器初始位置為聲束中心軸線(xiàn)距離換能器40mm，經(jīng)逐點(diǎn)掃描到140mm處結束，各點(diǎn)間距為0.5mm，測量值與理論值驗證的結果如圖5-1所示：

　　
圖5-1 軸向聲壓分布的理論值與測量值；(a)本文系統的實(shí)際測量值 (b)聚焦超聲場(chǎng)理論模型仿真值和測量值比較

圖5-1(a)是本文開(kāi)發(fā)的系統的實(shí)際測量的數據值，該數據點(diǎn)是由機器人單軸掃描方式測試而得。圖5-1(b)是在軸向上根據經(jīng)典聲場(chǎng)軸向聲壓分布模型建模計算的聲壓理論值與實(shí)測值比較的結果，波動(dòng)的曲線(xiàn)是實(shí)際測量值，光滑實(shí)線(xiàn)是理論模型值。由模型可知在焦點(diǎn)以外的聲壓分布顯示為低能量振蕩，并逐漸衰減，而且在近場(chǎng)區和遠場(chǎng)區的衰減幅度并不對稱(chēng)。測試結果顯示測量值與理論值在主峰處擬和得很好，但是在旁瓣處，測量的聲壓值偏大，主要由于高頻超聲換能器在連續脈沖的激勵下產(chǎn)生復雜的諧波，水聽(tīng)器和凌華科技9846H數字化儀響應頻率范圍寬，檢測到的多種諧波頻率分量疊加產(chǎn)生的能量，而理論模型和手工示波器檢測固定在一個(gè)核心頻率處，使信息不全。

由于發(fā)射換能器為凹球殼面，傳播的波面也為球面，可以測量在焦平面一條直徑的聲壓曲線(xiàn)圖，作為超聲場(chǎng)分布的一個(gè)特性，反映了沿徑向聲壓幅值隨距離的變化規律，掃描各點(diǎn)間距為0.05mm，實(shí)驗結果如圖5-2所示。
　　　
　　　
　　　
　　　
　　　
圖5-2 焦平面面徑向聲壓分布的理論值與測量值比較結果；(a)測量系統的實(shí)際測量值 (b)聚焦超聲場(chǎng)理論模型仿真值和測量值比較結果

圖5-2(a)是本文系統的實(shí)際測量的數據點(diǎn)，該數據是由單軸掃描方式測得。圖5-2(b)是在焦平面徑向上經(jīng)經(jīng)典聲壓理論建模計算的值與實(shí)際值比較結果。波動(dòng)的曲線(xiàn)是實(shí)際測量值，光滑實(shí)線(xiàn)是理論模擬值，可見(jiàn)焦平面聲壓分布是振蕩而且沿中心點(diǎn)對稱(chēng)分布的。從圖5-2(b)理論值與實(shí)際測量值比較結果可知，主峰處擬和得比較好，但是在旁瓣處，實(shí)際測的值豐富，原因仍是由于超聲換能器有復雜的諧波，水聽(tīng)器與凌華科技9846H數字化儀頻率響應寬，可采集到諧波能量，理論模型只是核心頻率建立的模型。

在焦平面上，按規定的掃描路徑，順序測量聲場(chǎng)中各點(diǎn)的聲壓值，掃描步距為0.5mm，實(shí)驗結果和焦平面的理論模型如下圖5-3所示：
　　
　　
　　圖5-3 測試換能器焦平面聲壓分布的實(shí)際測量值(a)與聲場(chǎng)理論模型仿真值

圖5-3圖中(a)圖是基于精密機器人測量和分析系統的實(shí)際測量的焦平面數據點(diǎn)，該數據點(diǎn)是由機器人聲場(chǎng)掃描運動(dòng)軟件測試并保存，經(jīng)測量超聲聲場(chǎng)分析軟件處理而得。(b)圖是由在焦平面上建模計算的聲壓理論值。從焦域的二維模型可知，焦平面上聲壓的能量比較集中，聲壓沿徑向是振蕩衰減的，非焦點(diǎn)區域的能量分布很低，而且單頻凹球殼的聲場(chǎng)在焦平面是沿超聲換能器的主軸線(xiàn)中心對稱(chēng)分布的。比較實(shí)際值與理論值可知，在聚焦區域的主峰處擬合很好，在非聚焦區域實(shí)際測量值更豐富，表現出凌華科技PCI-9846H良好的寬帶頻率響應，使采集到的數據比單頻率的理論模型貼切實(shí)際情況，對換能器設計參數及制作工藝及產(chǎn)品質(zhì)量評估及安全使用有重要的意義。
　　
6. 結論
通過(guò)驗證試驗可見(jiàn)，以凌華科技9846高性能數字化儀為中心的，超聲信號采集與分析系統可滿(mǎn)足超聲場(chǎng)自動(dòng)測量與建模的應用，使信號采集的精度、速度，及參數的測量比以往有很多的改進(jìn)。本文以凌華科技PCI-9846高速數字化儀為中心，組合前置放大器與水聽(tīng)器，開(kāi)發(fā)高效聲場(chǎng)信號采集系統，通過(guò)高效的數據采集模塊，將三維聲場(chǎng)的聲壓數據實(shí)時(shí)顯示和保存。通過(guò)電機驅動(dòng)的四軸精密工業(yè)機器人系統，實(shí)現了自動(dòng)控制與自動(dòng)信號采集與測量系統，實(shí)現了超聲場(chǎng)任意部位的立體定位及測量點(diǎn)自動(dòng)定位控制和數據采集之間的協(xié)調。實(shí)現了聲場(chǎng)測量數據的回放及多功能綜合分析系統及三維聲場(chǎng)的可視化分析與顯示。

該超聲場(chǎng)自動(dòng)化測量系統，對聲場(chǎng)的分布參數和頻率特性進(jìn)行了準確可靠的測量。測量結果顯示，測量點(diǎn)可達到較高的高空間分辨率，能精確快速的完成聲場(chǎng)檢測，使采集到得超聲場(chǎng)信號譜更廣。經(jīng)過(guò)驗證試驗驗證了測量功能的的準確性，通過(guò)可視化圖形顯示，對數據分析更直觀(guān)，全面和精確，為超聲換能器的性能評估及超聲場(chǎng)人體的生物效應建模提供了有效的參數。
　　
致謝
　　感謝凌華科技科技提供PCI-9846H高速數字化儀，為本文研發(fā)的超聲場(chǎng)自動(dòng)測量與分析系統的研究提供了有力支持。

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