基于凌華PCI-9846高速數字化儀的復雜超聲場自動檢測與分析（三）

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進行超聲場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，水介質的聲速取1500m/s。測量聲場的關鍵參數包括聲壓，聲強和聲焦域等，相應描述聲場的基本形式主要有軸線聲壓曲線圖，焦平面徑向聲壓曲線圖，焦平面聲場曲面圖，焦斑三維立體圖。

　　經過測試換能器軸線聲壓曲線圖顯示了軸線上聲壓幅值隨距離的變化的規律。水聽器初始位置為聲束中心軸線距離換能器40mm，經逐點掃描到140mm處結束，各點間距為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）本文系統的實際測量值 （b）聚焦超聲場理論模型仿真值和測量值比較

　　圖5-1（a）是本文開發的系統的實際測量的數據值，該數據點是由機器人單軸掃描方式測試而得。圖5-1（b）是在軸向上根據經典聲場軸向聲壓分布模型建模計算的聲壓理論值與實測值比較的結果，波動的曲線是實際測量值，光滑實線是理論模型值。由模型可知在焦點以外的聲壓分布顯示為低能量振蕩，并逐漸衰減，而且在近場區和遠場區的衰減幅度并不對稱。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生復雜的諧波，水聽器和凌華科技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生的能量，而理論模型和手工示波器檢測固定在一個核心頻率處，使信息不全。

　　由于發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圖，作為超聲場分布的一個特性，反映了沿徑向聲壓幅值隨距離的變化規律，掃描各點間距為0.05mm，實驗結果如圖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）測量系統的實際測量值 （b）聚焦超聲場理論模型仿真值和測量值比較結果

　　圖5-2（a）是本文系統的實際測量的數據點，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經典聲壓理論建模計算的值與實際值比較結果。波動的曲線是實際測量值，光滑實線是理論模擬值，可見焦平面聲壓分布是振蕩而且沿中心點對稱分布的。從圖5-2（b）理論值與實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，順序測量聲場中各點的聲壓值，掃描步距為0.5mm，實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際測量值（a）與聲場理論模型仿真值

　　圖5-3圖中（a）圖是基于精密機器人測量和分析系統的實際測量的焦平面數據點，該數據點是由機器人聲場掃描運動軟件測試并保存，經測量超聲聲場分析軟件處理而得。（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，非焦點區域的能量分布很低，而且單頻凹球殼的聲場在焦平面是沿超聲換能器的主軸線中心對稱分布的。比較實際值與理論值可知，在聚焦區域的主峰處擬合很好，在非聚焦區域