隋永杰， 王雪晶， 祝海江

（北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029）

基于掃描數(shù)據(jù)可視化的超聲換能器參數(shù)測(cè)量

隋永杰， 王雪晶， 祝海江

（北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029）

超聲探頭是超聲無(wú)損檢測(cè)中的關(guān)鍵部件，其參數(shù)直接影響到對(duì)超聲檢測(cè)系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)與校準(zhǔn)。在自主建立的水浸超聲聲場(chǎng)自動(dòng)掃查系統(tǒng)基礎(chǔ)上，以標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1065－99為依據(jù)，利用水聽(tīng)器法對(duì)聚焦超聲換能器聲場(chǎng)進(jìn)行掃描，并將數(shù)據(jù)可視化。在數(shù)據(jù)可視化的基礎(chǔ)上，對(duì)聲場(chǎng)中若干重要參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合程度良好，所實(shí)現(xiàn)的聲場(chǎng)自動(dòng)掃查系統(tǒng)能夠真實(shí)反應(yīng)出換能器空間的聲場(chǎng)分布，能夠?yàn)槌晸Q能器應(yīng)用特性的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)提供可信的數(shù)據(jù)。

計(jì)量學(xué)；水聽(tīng)器；聚焦換能器；聲場(chǎng)特性

1 引 言

超聲探頭是超聲無(wú)損檢測(cè)中的關(guān)鍵部件，其參數(shù)直接影響到對(duì)超聲檢測(cè)系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)與校準(zhǔn)。本文依據(jù)美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)發(fā)布的ASTM E 1065—99“評(píng)估超聲探頭特性的標(biāo)準(zhǔn)指南”［1］中要求的實(shí)驗(yàn)條件（器材尺寸、精度等）和實(shí)驗(yàn)方法（水聽(tīng)器法），在自主建立的水浸超聲聲場(chǎng)自動(dòng)掃查系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)聚焦超探頭超聲場(chǎng)進(jìn)行掃描，并將掃描結(jié)果以圖像形式直觀顯示出來(lái)。超聲聲場(chǎng)是抽象不可見(jiàn)的，因此，讓聲場(chǎng)變?yōu)榭梢?jiàn)的圖形圖像，直觀地體現(xiàn)出來(lái)，是必然的需要?，F(xiàn)有3D數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化方法主要有幾何方法、顏色方法以及體繪制方法3種［2～4］。本文通過(guò)計(jì)算機(jī)采集到電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換為聲壓值之后，用顏色方法描繪聲場(chǎng)聲壓分布，并在可視化基礎(chǔ)上，對(duì)聲場(chǎng)若干重要參數(shù)（測(cè)量深度即焦距，橫向分辨率即焦點(diǎn)直徑，縱向分辨率即場(chǎng)深）進(jìn)行了計(jì)算。

2 球面聚焦探頭聲場(chǎng)分布

設(shè)球面探頭橫向半徑為a，曲率半徑為z0，離開(kāi)聲束軸線的距離為r，如圖1所示。

（1）焦距

根據(jù)惠更斯原理通過(guò)積分可求球面聚焦探頭的聲場(chǎng)［5］。通過(guò)計(jì)算證明，聲束寬度最小的平面約在z＝z0處，此平面稱(chēng)為焦平面。在焦平面聲壓幅值的橫向分布為

圖1 聚焦探頭原理圖

如圖2所示。

圖2 球面聚焦探頭焦平面橫向聲壓分布圖（歸一化）

圖3 球面聚焦探頭聲束軸線聲壓分布

（2）焦點(diǎn)直徑

（3）場(chǎng)深（焦柱長(zhǎng)度）

焦柱長(zhǎng)度表示的是焦點(diǎn)兩側(cè)軸線上聲壓幅度下降3dB的兩點(diǎn)間距離，焦柱長(zhǎng)度為：

也可以表示為：

3 數(shù)據(jù)的采集與處理方法

探頭激勵(lì)信號(hào)源采用Agilent33250A信號(hào)發(fā)生器，由于超聲探頭輻射的聲場(chǎng)具有高頻、強(qiáng)指向性等特點(diǎn)，因此，所選高頻水聽(tīng)器應(yīng)具有寬帶寬和小尺寸的特點(diǎn)。聲壓的平均效應(yīng)對(duì)聲場(chǎng)中某一點(diǎn)聲壓會(huì)產(chǎn)生影響，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［6，7］，為確?？臻g平均效應(yīng)對(duì)相關(guān)參數(shù)（主要是焦平面處的聲束寬度）的影響低于特定水平2%，水聽(tīng)器的尺寸必須符合標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 1065－99的要求。本文選擇了英國(guó)Precison Acoustics公司的HPM系列針狀高頻水聽(tīng)器，其直徑為0.2 mm，可用帶寬可達(dá)35 MHz以上，使用前水聽(tīng)器的校準(zhǔn)頻率范圍（1～20）MHz。本文所用超聲聲場(chǎng)掃描設(shè)備由兩個(gè)獨(dú)立的夾持調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（夾持機(jī)構(gòu)1，用于夾持小球或水聽(tīng)器；夾持機(jī)構(gòu)2，夾持和調(diào)節(jié)探頭）和一個(gè)水槽構(gòu)成，兩個(gè)夾持機(jī)構(gòu)都可以做三維運(yùn)動(dòng)和二維轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)。夾持機(jī)構(gòu)1（夾持小球或水聽(tīng)器）由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，空間分辨率優(yōu)于5μm，通過(guò)與計(jì)算機(jī)相連實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃查。掃描時(shí)，為減小測(cè)量系統(tǒng)空間分辨率對(duì)掃描結(jié)果帶來(lái)的不良影響，始終保持掃描點(diǎn)間隔小于波長(zhǎng)的長(zhǎng)度。然后，采用TEK DPO4054示波器采集原始電壓信號(hào)，示波器的輸入阻抗需要符合水聽(tīng)器校準(zhǔn)證書(shū)中的要求。最后，通過(guò)電壓信號(hào)計(jì)算出聲壓值，并將聲壓分布情況用直觀的圖像展示出來(lái)。

通過(guò)掃描系統(tǒng)得到的各頻率和聲壓，水中傳播不能被當(dāng)做是線性的。非線性傳播會(huì)導(dǎo)致接受到的波形信號(hào)中包含很多頻率分量。因此，使用水聽(tīng)器法來(lái)測(cè)量聲場(chǎng)參數(shù)將會(huì)受到參數(shù)獲取方法的影響，即聲壓是如何得到的。限制高頻分量的方法很多：FFT頻域分析的方法獲取所需要的頻率分量；加濾波器的方法濾掉高頻分量；控制信號(hào)發(fā)生器發(fā)射電壓的幅值以減小高頻分量幅度等。接收到的信號(hào)中的頻率分量幅度受到激勵(lì)波形電壓的影響，因此，本文通過(guò)控制激勵(lì)波形電壓的方法和頻域分析方法限制由于非線性等因素引起的高頻分量帶來(lái)的影響。

4 基于數(shù)據(jù)可視化的參數(shù)測(cè)量

評(píng)價(jià)水浸聚焦超聲探頭聲場(chǎng)特性有3個(gè)重要參數(shù)［8～10］：焦距、焦點(diǎn)直徑、場(chǎng)深（焦柱長(zhǎng)度）。最大幅值處為焦點(diǎn)，探頭表面至焦點(diǎn)的距離為焦距，影響探頭的掃描深度。垂直于聲軸方向，兩側(cè)幅度降為最大幅值70%的兩個(gè)點(diǎn)之間的距離為焦點(diǎn)直徑，影響探頭的橫向掃描分辨率。沿聲軸方向，接近探頭表面方向和遠(yuǎn)離探頭表面方向幅度降為最大幅值70%的兩點(diǎn)間距離為場(chǎng)深（焦柱長(zhǎng)度），影響探頭的縱向掃描分辨率。

本文通過(guò)信號(hào)發(fā)生器給5 MHz／.75探頭施加5 MHz10 V（峰峰值）信號(hào)，所用自動(dòng)掃查系統(tǒng)平面掃描采用z形掃描軌跡。應(yīng)用可視化技術(shù)中常用的pcolor等可視化方法進(jìn)行了數(shù)據(jù)的可視化重建。

（1）焦距

圖4 軸向聲場(chǎng)分布掃描結(jié)果

如圖4為一個(gè)距離探頭表面60 mm至160 mm之間的軸向聲場(chǎng)圖，圖5為聲軸聲壓分布圖，其中最大值點(diǎn)位焦點(diǎn)，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器的發(fā)射信號(hào)與焦點(diǎn)處的接受信號(hào)之間的時(shí)間差和聲速可以計(jì)算出焦距。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 焦距測(cè)量結(jié)果mm

從表1給出數(shù)據(jù)可以看出，頻域分析之后多次測(cè)量結(jié)果比較穩(wěn)定，說(shuō)明數(shù)據(jù)處理結(jié)果很好地限制了非線性傳播等不良因素帶來(lái)的影響。同時(shí)，本文也測(cè)量了10 V（峰峰值）激勵(lì)電壓時(shí)不經(jīng)過(guò)頻域分析直接通過(guò)接收信號(hào)來(lái)計(jì)算聲壓值。結(jié)果顯示，水聽(tīng)器法頻域分析之前的數(shù)據(jù)也很接近理想值，原因如之前提到的，通過(guò)限制激勵(lì)波形電壓方式能夠在一定程度上減小非線性傳播帶來(lái)的不良影響。

圖5 聲軸聲壓分布圖

（2）焦點(diǎn)直徑

本文在可視化基礎(chǔ)上，從聲軸的最大響應(yīng)下降3 dB時(shí)，通過(guò)最小二乘法計(jì)算得到焦點(diǎn)直徑（mm），如圖6可以直觀地反應(yīng)出聲場(chǎng)波束特征，圖7為焦平面內(nèi)垂直聲軸某直線的聲壓分布。測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 dFL測(cè)量結(jié)果mm

表2給出的多次測(cè)量結(jié)果比較穩(wěn)定，說(shuō)明數(shù)據(jù)處理結(jié)果很好地限制了非線性傳播等不良因素帶來(lái)的影響。同時(shí)注意到，測(cè)量值與標(biāo)稱(chēng)值之間差距很小，水聽(tīng)器的空間平均效應(yīng)對(duì)焦點(diǎn)直徑測(cè)量的影響得到了很好限制。同樣測(cè)量了10 V（峰峰值）激勵(lì)電壓時(shí)，不經(jīng)過(guò)頻域分析，直接通過(guò)接收信號(hào)的峰峰值來(lái)計(jì)算聲壓值，結(jié)果顯示，水聽(tīng)器法頻域分析之前的數(shù)據(jù)也很接近理想值，原因如之前提到的，通過(guò)限制激勵(lì)波形電壓的方式能夠在一定程度上減小非線性傳播帶來(lái)的不良影響。為進(jìn)一步證實(shí)這一點(diǎn)，在焦平面內(nèi)聲軸位置處，對(duì)水聽(tīng)器接收到的波形做頻域分析發(fā)現(xiàn)，二次諧波幅度只有基波幅度的約20%，更高次的諧波幅度已經(jīng)與噪聲幅度相差無(wú)幾，完全可以忽略它們帶來(lái)的影響。

（3）場(chǎng)深

如圖4、圖5，通過(guò)擬合方法計(jì)算出沿聲軸方向接近探頭表面方向和遠(yuǎn)離探頭表面方向幅度降為最大幅值70%（－3 dB）的兩點(diǎn)間的距離，即為場(chǎng)深（焦柱長(zhǎng)度）。測(cè)量結(jié)果如表3所示。

圖6

圖7

表3 FD測(cè)量結(jié)果mm

表3中數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)的差異來(lái)自于數(shù)據(jù)擬合時(shí)帶來(lái)的誤差，以及測(cè)量空間分辨率帶來(lái)的影響。為減小測(cè)量系統(tǒng)空間分辨率帶來(lái)的影響，在測(cè)量時(shí)使空間點(diǎn)分布距離小于波長(zhǎng)。由于以上這些處理方法使得數(shù)據(jù)之間的差異在可接受的范圍內(nèi)。最后，通過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)量給出了理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)平均值之間的比較，如表4所示。

表4 理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)平均值的比較

由此可以發(fā)現(xiàn)，該球面聚焦探頭聲場(chǎng)分布焦點(diǎn)附近基本上呈圓柱狀，隨著遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的距離增加，波束具有一定的衰減發(fā)散性。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的三維可視化重建，得到聲場(chǎng)分布結(jié)果圖和理論分析一致。該方法可以為聲場(chǎng)特性以及換能器的參數(shù)分析提供可靠依據(jù)。

5 結(jié) 論

本文利用自動(dòng)掃查系統(tǒng)，在聚焦探頭聲場(chǎng)理論分析的基礎(chǔ)上，討論了聚焦超聲探頭在水中的聲場(chǎng)分布，對(duì)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了可視化，直觀描繪了聚焦超聲探頭的聲場(chǎng)空間分布，和理論分析結(jié)果一致。在可視化的基礎(chǔ)上分析了探頭發(fā)射聲場(chǎng)特性，能夠?yàn)閷?shí)際應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

超聲聲場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量，是醫(yī)用與工業(yè)超聲設(shè)備與換能器（及換能器陣列）設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。超聲探頭有其他形狀如矩形，以及其他傳播介質(zhì)如固體，這些內(nèi)容將有待于后續(xù)研究工作的進(jìn)一步開(kāi)展。

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

［2］ 王映輝.3D建模與編程技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)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］ 應(yīng)崇福.超聲學(xué)［M］.北京：科學(xué)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］ 國(guó)家質(zhì)檢總局.GB／T 18694－2002超聲檢驗(yàn)探頭及其聲場(chǎng)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，山東煙臺(tái)人，北京化工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理。suiyongj＠yahoo.com.cn祝海江為本文通訊作者。zhuhj＠m(xù)ail.buct.edu.cn