基于扫描数据可视化的超声换能器参数测量

隋永杰， 王雪晶， 祝海江

（北京化工大学信息科学与技术学院，北京 100029）

基于扫描数据可视化的超声换能器参数测量

隋永杰， 王雪晶， 祝海江

（北京化工大学信息科学与技术学院，北京 100029）

超声探头是超声无损检测中的关键部件，其参数直接影响到对超声检测系统性能的评价与校准。在自主建立的水浸超声声场自动扫查系统基础上，以标准ASTM E1065－99为依据，利用水听器法对聚焦超声换能器声场进行扫描，并将数据可视化。在数据可视化的基础上，对声场中若干重要参数进行了测量。实验结果表明，测量结果与理论计算结果吻合程度良好，所实现的声场自动扫查系统能够真实反应出换能器空间的声场分布，能够为超声换能器应用特性的准确评价提供可信的数据。

计量学；水听器；聚焦换能器；声场特性

1 引 言

超声探头是超声无损检测中的关键部件，其参数直接影响到对超声检测系统性能的评价与校准。本文依据美国材料实验学会发布的ASTM E 1065—99“评估超声探头特性的标准指南”［1］中要求的实验条件（器材尺寸、精度等）和实验方法（水听器法），在自主建立的水浸超声声场自动扫查系统基础上，对聚焦超探头超声场进行扫描，并将扫描结果以图像形式直观显示出来。超声声场是抽象不可见的，因此，让声场变为可见的图形图像，直观地体现出来，是必然的需要。现有3D数据场可视化方法主要有几何方法、颜色方法以及体绘制方法3种［2～4］。本文通过计算机采集到电压信号，经过计算转换为声压值之后，用颜色方法描绘声场声压分布，并在可视化基础上，对声场若干重要参数（测量深度即焦距，横向分辨率即焦点直径，纵向分辨率即场深）进行了计算。

2 球面聚焦探头声场分布

设球面探头横向半径为a，曲率半径为z0，离开声束轴线的距离为r，如图1所示。

（1）焦距

根据惠更斯原理通过积分可求球面聚焦探头的声场［5］。通过计算证明，声束宽度最小的平面约在z＝z0处，此平面称为焦平面。在焦平面声压幅值的横向分布为

图1 聚焦探头原理图

如图2所示。

图2 球面聚焦探头焦平面横向声压分布图（归一化）

图3 球面聚焦探头声束轴线声压分布

（2）焦点直径

（3）场深（焦柱长度）

焦柱长度表示的是焦点两侧轴线上声压幅度下降3dB的两点间距离，焦柱长度为：

也可以表示为：

3 数据的采集与处理方法

探头激励信号源采用Agilent33250A信号发生器，由于超声探头辐射的声场具有高频、强指向性等特点，因此，所选高频水听器应具有宽带宽和小尺寸的特点。声压的平均效应对声场中某一点声压会产生影响，根据相关文献［6，7］，为确保空间平均效应对相关参数（主要是焦平面处的声束宽度）的影响低于特定水平2%，水听器的尺寸必须符合标准ASTM E 1065－99的要求。本文选择了英国Precison Acoustics公司的HPM系列针状高频水听器，其直径为0.2 mm，可用带宽可达35 MHz以上，使用前水听器的校准频率范围（1～20）MHz。本文所用超声声场扫描设备由两个独立的夹持调节机构（夹持机构1，用于夹持小球或水听器；夹持机构2，夹持和调节探头）和一个水槽构成，两个夹持机构都可以做三维运动和二维转动调节。夹持机构1（夹持小球或水听器）由伺服电机驱动，空间分辨率优于5μm，通过与计算机相连实现自动扫查。扫描时，为减小测量系统空间分辨率对扫描结果带来的不良影响，始终保持扫描点间隔小于波长的长度。然后，采用TEK DPO4054示波器采集原始电压信号，示波器的输入阻抗需要符合水听器校准证书中的要求。最后，通过电压信号计算出声压值，并将声压分布情况用直观的图像展示出来。

通过扫描系统得到的各频率和声压，水中传播不能被当做是线性的。非线性传播会导致接受到的波形信号中包含很多频率分量。因此，使用水听器法来测量声场参数将会受到参数获取方法的影响，即声压是如何得到的。限制高频分量的方法很多：FFT频域分析的方法获取所需要的频率分量；加滤波器的方法滤掉高频分量；控制信号发生器发射电压的幅值以减小高频分量幅度等。接收到的信号中的频率分量幅度受到激励波形电压的影响，因此，本文通过控制激励波形电压的方法和频域分析方法限制由于非线性等因素引起的高频分量带来的影响。

4 基于数据可视化的参数测量

评价水浸聚焦超声探头声场特性有3个重要参数［8～10］：焦距、焦点直径、场深（焦柱长度）。最大幅值处为焦点，探头表面至焦点的距离为焦距，影响探头的扫描深度。垂直于声轴方向，两侧幅度降为最大幅值70%的两个点之间的距离为焦点直径，影响探头的横向扫描分辨率。沿声轴方向，接近探头表面方向和远离探头表面方向幅度降为最大幅值70%的两点间距离为场深（焦柱长度），影响探头的纵向扫描分辨率。

本文通过信号发生器给5 MHz／.75探头施加5 MHz10 V（峰峰值）信号，所用自动扫查系统平面扫描采用z形扫描轨迹。应用可视化技术中常用的pcolor等可视化方法进行了数据的可视化重建。

（1）焦距

图4 轴向声场分布扫描结果

如图4为一个距离探头表面60 mm至160 mm之间的轴向声场图，图5为声轴声压分布图，其中最大值点位焦点，通过信号发生器的发射信号与焦点处的接受信号之间的时间差和声速可以计算出焦距。测量结果如表1所示。

表1 焦距测量结果mm

从表1给出数据可以看出，频域分析之后多次测量结果比较稳定，说明数据处理结果很好地限制了非线性传播等不良因素带来的影响。同时，本文也测量了10 V（峰峰值）激励电压时不经过频域分析直接通过接收信号来计算声压值。结果显示，水听器法频域分析之前的数据也很接近理想值，原因如之前提到的，通过限制激励波形电压方式能够在一定程度上减小非线性传播带来的不良影响。

图5 声轴声压分布图

（2）焦点直径

本文在可视化基础上，从声轴的最大响应下降3 dB时，通过最小二乘法计算得到焦点直径（mm），如图6可以直观地反应出声场波束特征，图7为焦平面内垂直声轴某直线的声压分布。测量结果如表2所示。

表2 dFL测量结果mm

表2给出的多次测量结果比较稳定，说明数据处理结果很好地限制了非线性传播等不良因素带来的影响。同时注意到，测量值与标称值之间差距很小，水听器的空间平均效应对焦点直径测量的影响得到了很好限制。同样测量了10 V（峰峰值）激励电压时，不经过频域分析，直接通过接收信号的峰峰值来计算声压值，结果显示，水听器法频域分析之前的数据也很接近理想值，原因如之前提到的，通过限制激励波形电压的方式能够在一定程度上减小非线性传播带来的不良影响。为进一步证实这一点，在焦平面内声轴位置处，对水听器接收到的波形做频域分析发现，二次谐波幅度只有基波幅度的约20%，更高次的谐波幅度已经与噪声幅度相差无几，完全可以忽略它们带来的影响。

（3）场深

如图4、图5，通过拟合方法计算出沿声轴方向接近探头表面方向和远离探头表面方向幅度降为最大幅值70%（－3 dB）的两点间的距离，即为场深（焦柱长度）。测量结果如表3所示。

图6

图7

表3 FD测量结果mm

表3中数据之间出现的差异来自于数据拟合时带来的误差，以及测量空间分辨率带来的影响。为减小测量系统空间分辨率带来的影响，在测量时使空间点分布距离小于波长。由于以上这些处理方法使得数据之间的差异在可接受的范围内。最后，通过多次试验测量给出了理论计算值与实测平均值之间的比较，如表4所示。

表4 理论计算值与实测平均值的比较

由此可以发现，该球面聚焦探头声场分布焦点附近基本上呈圆柱状，随着远离焦点的距离增加，波束具有一定的衰减发散性。通过实测数据的三维可视化重建，得到声场分布结果图和理论分析一致。该方法可以为声场特性以及换能器的参数分析提供可靠依据。

5 结 论

本文利用自动扫查系统，在聚焦探头声场理论分析的基础上，讨论了聚焦超声探头在水中的声场分布，对实验中的数据进行了可视化，直观描绘了聚焦超声探头的声场空间分布，和理论分析结果一致。在可视化的基础上分析了探头发射声场特性，能够为实际应用提供一定的依据。

超声声场的准确测量，是医用与工业超声设备与换能器（及换能器阵列）设计的重要依据。超声探头有其他形状如矩形，以及其他传播介质如固体，这些内容将有待于后续研究工作的进一步开展。

［1］ ASTM E1065－99 Standard Guide for Evaluating Characteristics of Ultrasonic Search Units［S］.1999.

［2］ 王映辉.3D建模与编程技术［J］.计算机应用研究，2004，21（1）：37－43.

［3］ Upson C，Rogers D F，etal.Volumtric Visualization Techniques，State of the Art in Computer Graphics－Visualizatjon and Modelling［M］.New York：Springer，1991，313－350.

［4］ Rogers D F，Earnshaw R A，etal.Scientific Visualization：advances and challenges［M］.New York：Academic Press，1994，367－390.

［5］ 应崇福.超声学［M］.北京：科学出版社，1990.

［6］ Zeqiri B，Hodnett M，Smith R A，etal.An assessment of pulse－echo and hydrophonemethods for characterising ultrasonic NDT transducers［J］.INSIGHT，1998，40（1）：20－27.

［7］ Haijiang Zhu，Yanqiang Feng，Ping Yang.Auto－scanning and visualizing system for the acoustic field of transducer［J］.RoboticsandComputerIntegratedManufacturing，2012，28（5）：631－636.

［8］ 国家质检总局.GB／T 18694－2002超声检验探头及其声场表征［S］.2002.

［9］ EN ISO 9001 Quality management systems—Requirements（ISO 9001：2008）［S］.2008.

［10］ BSEN 12668－2：2010 Non－destructive testing—Characterization and verification of ultrasonic examination equipment［S］.2010.

Param eter Measurem ent of U ltrasonic Transducer Based on Data Visualization

SUIYong-jie， WANG Xue-jing， ZHU Hai-jiang
（College of Information Science＆Technology，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

Ultrasonic transducer is an important part in ultrasonic NDT（nondestructive testing），and the parameter of the transducer directly affect the calibration and evaluation of ultrasonic testing system performance.The visualization of spatial ultrasound data obtained by high accuracy space scanning system and themeasurement of several acoustic parameters based on visualization are presented.Themeasured results are consistentwith that of theory value.Experiment results show that visualization directly can characterize ultrasonic field and provide the basis of reliable measurement and assess for ultrasound transducer.

Metrology；Hydrophone；Focused transducer；Characteristic of ultrasound field

TB95

A

1000-1158（2014）02-0173-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．02．17

2012-11-16；

2013-04-27

隋永杰（1987－），男，山东烟台人，北京化工大学硕士研究生，主要研究方向为信号处理。suiyongj＠yahoo.com.cn祝海江为本文通讯作者。zhuhj＠mail.buct.edu.cn