专利名称：超声散斑水下稳态振动测量方法和测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于振动测量技术，具体涉及应用超声散斑对水下稳态振动物体的振动频率、振幅和相位进行测量的方法和装置。
背景技术：
水下振动测量在工程建设中有着特别的需求，例如需要对桥墩、船坞、潜艇等水下结构在稳态激励下振动频率和振幅进行不定时检测或实时在线监控；此外，水下振动测量在科学研究中同样有需求，例如，在结构设计中需对水下模型进行实验振动模态分析，这就要求对受迫稳态振动模型中各结点或关键处的振动频率、振幅和相位进行测量。传统的振动测量技术有使用应变计、电容传感器、压电传感器、光纤传感器和涡流传感器等多种方法。其中应变计由于简单精确而最早应用于振动测试中，它可用于振动频 率和相位的测量，但它局限于单点式的接触式测量，且不能有效地测量振动物体的振幅；电容式传感器也可用于振动测量，它具有测量范围大、结构简单、成本低，灵敏性高等优点，但它易受寄生电容的干扰，输出特性为非线性，特别是难以在水下应用；新型的压电式传感器精度高、动态范围大、频率响应宽，但它同样只适用于单点式的接触式测量；而近年来发展起来的光纤传感器系统，通过光纤耦合器和单模光纤构造干涉光路，根据反射物面振动所形成激光干涉状态的变化，来进行振幅、频率，速度等的测量，但它的测量受水的扰动影响比较大，水中工作不稳定，且难以对粗糙物面进行测量；涡流传感器可用于水下振动的测量，但由于它的非线性以及传感面端面比较大而存在缺陷，且它只能对金属物面的振动进行测量；目前，工程中的振动测量应用最多的激光三角法技术，它的优点是非接触测量，且量程大和分辨率高，但由于其线阵(XD(Charge Coupled Device)像元的光电响应不均勻性和非线性，以及精确度易受被测界面的倾斜和水的扰动影响，它难以对水下振动物进行测量，特别是它无法对粗糙振动物面进行测量。本发明的超声散斑水下振动测量方法和装置，可以克服上述各种测量方法所存在的困难，对水下物稳态振动的频率、振幅和相位实施高精度、非接触、扫描式的实时测量，且受物体材质和表面粗糙度、水流和温度变化的影响很少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声散斑水下稳态振动测量方法和测量装置，本发明适合于对水下粗糙物体稳态振动的频率、振幅和相位进行实时、稳定、非接触、全场扫描式测量。本发明提供的一种超声散斑水下稳态振动测量方法，其特征在于，该方法包括下述步骤第I步向水下待测振动物体表面重复发射聚焦于当前测点上的超声脉冲串；第2步根据接收到的待测振动物体的物面散斑信号的稳定情况，确定物体振动频率;
第3步进一步对发射的聚焦超声脉冲串进行延时处理，根据同步接收散斑信号所花费的最短和最长时间之差，确定振动物表面当前测点的振幅；第4步按照水下待测振动物体的振动频率，向其表面当前测点重复发射聚焦超声脉冲串，并进行延时处理，直到同步接收散斑信号花费时间最短；再将超声探头聚焦于水下待测振动物体表面当前测点的相邻测点，也对相邻测点重复发射聚焦超声脉冲串进行延时处理，使同步接收散斑信号花费时间最短；根据二个测点进行延时处理时的延时量之差确定相邻测点相对当前测点的相位差，即相邻测点的相位；第5步以该相邻测点作为当前测点；
第6步不断重复第3至第5步，依次确定水下振动物表面不同测点的相位和振幅。本发明提供的一种超声散斑水下稳态振动测量装置，其特征在于，该装置包括脉冲信号发生器，延时器，功率放大器，超声聚焦探头，电压放大器，数字存储示波器，微机和三维电控平移台；脉冲信号发生器依次通过延时器、功率放大器与超声聚焦探头的接口用电缆相连接；超声聚焦探头的接口又依次通过电压放大器、数字存储示波器与微机实施散斑信号数据传输连接；脉冲信号发生器又分别与微机和数字存储示波器实施控制连接；超声聚焦探头连接在三维电控平移台上，再与微机实施平移控制连接。应用本发明的方法和装置对水下振动物体进行测量时，要求被测物体位于水下30米以内，被测物表面各点曲率小于1，被测物面上水流速度小于I米/秒，水温低于60摄氏度，水流无气泡。应用本发明的方法和装置对水下振动物体进行测量时连续工作时间不限，频率测量的量程可以达到0.5赫兹至2000赫兹，测量误差可以达到±0.01赫兹；振幅测量的量程可以达到0. I毫米至10毫米，测量误差可以达到±0. 02毫米；相位测量的量程可以达到到-720度至720度，测量误差可以达到±0. 01度。
图I是超声聚焦探头发射和接收超声波的形式；图2是激励超声探头的电脉冲重复频率与示波器显示屏内的电子水平偏转扫描频率不同步时显示屏上显示的散斑信号；图3是激励超声探头的电脉冲重复频率与示波器显示屏内的电子水平偏转扫描频率同步时显示屏上显示的散斑信号；图4是本发明测量水下物体稳态振动频率时用以判断所显示的散斑信号是否稳定和测定频率的软件流程图；图5是振动物面运动至正向位移最大时稳定显示在示波器显示屏时间轴上极左侧位置上的散斑信号；图6是振动物面运动至反向位移最大时稳定显示在示波器显示屏时间轴上极右侧位置上的散斑信号；图7是本发明测量水下物体稳态振动振幅时操控散斑信号在示波器显示屏时间轴上极左侧和极右侧的位置间的变化和计算振幅的软件流程图；图8是本发明测量水下物体稳态振动相位时过程操控和计算的软件流程图；图9是本发明的超声散斑水下稳态振动测量装置示意图。
具体实施例方式本发明的超声散斑水下稳态振动测量方法的基本思想和原理是当超声入射到介质粗糙界面时，其散射波会在介质空间中相互干涉，形成振幅和相位随机分布的散斑场。在大多数工程检测和医学成像技术中，超声散斑被视为噪声而被避免和抑制，但超声散斑跟随散射界面作有规律运动的状态包含了散射界面的位移和变形的信息。此外，超声及其散斑有很多独特的优点，诸如超声不仅可在空气中传播，还能在水中和固体内部传播；水的一般扰动和温度变化对超声传播和散斑影响很小；超声具有穿透性，超声散斑可由超声聚焦探头远距离发射超声至粗糙物面上产生，也可同时由同一探头非接触地接收；在水中一般的超声波长在亚毫米和厘米之间，这与一般工程结构变形的量级相吻合；以上这些为本发明的超声散斑水下稳态振动测量方法的建立奠定了物理基础。超声聚焦探头发射和接收超声波的形式如图I所示。在以某一重复频率发生的电脉冲激励下，超声探头产生出一系列的超声脉冲串，它们传播至水下粗糙物体表面上后，散射波所产生的超声散斑被同一超声聚焦探头所接收。水下物体振动时，各处超声散斑也对 应粗糙物体表面上各点作相应的往复运动。超声波在聚焦范围内形成有一定直径和长度的焦柱，当超声探头聚焦于振动物面上，在焦柱范围内运动的超声散斑被聚焦超声探头接收后直接转换为电信号，经放大后可在示波器上显示。如果激励超声探头的电脉冲重复频率不等于物面振动频率的1/n (n=l，2，3……)，这时显示屏上显示的散斑信号是混乱不清的，如图2所示；反之，散斑信号可以稳定显示在显示屏时间轴上的某个位置上，如图3所示。这就是应用本发明测量水下物体稳态振动频率方法的原理。如果激励超声探头的电脉冲重复频率与物体振动频率不仅相同，而且当振动物面运动至正向位移最大时超声探头正好被电脉冲所触发，这时超声聚焦探头从发射超声脉冲串至接收被测物面上散斑信号期间所花费的时间为最短，对应的是数字存储示波器所同步记录的测点上的超声散斑信号驻留在显示屏时间轴上极左侧位置上，如图5所示，这可通过恰当延时电脉冲对聚焦探头的触发时刻来加以实现；同样情况下，当振动物面运动至反向位移最大时超声探头正好被电脉冲所触发，这时超声聚焦探头从发射超声脉冲串至接收被测物面上散斑信号期间所花费的时间为最长，对应的是数字存储示波器所同步记录的测点上的超声散斑信号驻留在显示屏时间轴上极右侧位置上，如图6所示。以上同样可通过延时电脉冲对聚焦探头的触发时刻来加以实现，并根据上述两种情况下接收散斑信号分别所花费的最短和最长时间之差，也就是使散斑信号分别稳定在示波器显示屏时间轴上极左侧和极右侧位置上时所调节的电脉冲延时的时间差，再根据超声波在水中传播的速度，微机就可计算出振动物体测点上的振幅值。超声聚焦探头从发射超声脉冲串至接收被测物面上散斑信号期间所花费的最短和最长时间的确定，亦即对应的数字存储示波器所同步记录的测点上的超声散斑信号驻留在显示屏时间轴上极左侧位置和极右侧位置的确定，以及振幅计算由图7所示流程图的计算机软件来完成。当振动物面当前测点上的散斑信号被聚焦探头接收后稳定驻留在显示屏时间轴上的极左位置上时，将仍处于工作状态下的聚焦探头平移并聚焦于邻近的相邻测点上，如果该两个测点振动的相位差等于零，也即相邻测点上的散斑信号也是测点振动至正向最大位移时被探头所接收，这时，该散斑信号也将驻留在显示屏时间轴上的极左侧位置上。由于两个测点相互邻近，它们之间相位差不会是2 。当然，一般情况下当前测点和相邻测点的振幅是不相同的，它们对应在显示屏上的极左侧的位置也不相同。如果当前测点和相邻测点振动的相位差不等于零，也即相邻测点上的散斑信号不是运动至正向最大位移时被探头所接收，这时所接收到的散斑信号将不驻留在显示屏时间轴上的极左侧位置上，也就是不在相邻测点振动至正向最 大位移时所对应的显示屏位置上，这时调节延时激励超声探头电脉冲的触发时刻，驻留在显示屏上的散斑信号就会左右来回移动。逐渐将此散斑信号移至显示屏时间轴上的最左位置上，根据电脉冲触发时刻的延时量和振动频率，可计算出相邻测点相对于邻近的当前测点振动相位的落后量。以上相位测量过程和计算由图8所示流程图的计算机软件来完成。总之，本发明实例提供的的超声散斑水下稳态振动测量方法包括以下步骤第I步向水下待测振动物体表面重复发射聚焦于测点上的超声脉冲串；第2步对接收到的待测振动物体的物面散斑信号进行处理，根据信号稳定情况，确定物体振动频率。显示的散斑信号是否稳定以及物体振动频率测定由计算机软件来加以判断和完成，所设计的软件流程如图4所示，其处理过程如下(2. I)设置某一个触发超声聚焦探头的电脉冲的重复频率F，F应低于物体振动的估计频率；若无法估计物体振动频率，则F值取一个小于等于0. 5赫兹的值；(2. 2)依次对超声聚焦探头连续同步重复接收的N1个散斑信号进行采样，其采样周期为TS，TS根据误差要求确定，Ts取值范围为0. 005微秒至0. I微秒％为大于等于5的正整数，本实例取N1=5 ；(2.3)分别计算这些散斑信号波形的平方值在时间域上的重心位置Gi,下标i表不散斑信号的序号，i = I,；(2. 4)判断上述散斑信号中的任意2个重心位置之差的最大值max I Gni-GnI (m=l, 2，——N1In=I, 2,. . . N1Iiii^ n)是否小于N2倍的采样周期Ts,若是,表示信号驻留稳定,贝U进入下一过程(2.5);若否，表示信号不稳定，则进入过程(2.7);下标m，n表示重心位置的序号，N2为正整数，它的取值范围为5至20，本实例N2=IO ；(2. 5)记录该重复频率F值为匕，同时进入过程(2. 6);下标j表示信号稳定时所取重复频率的序号，其初始值为I ;(2.6)步进增加重复频率F值，根据误差要求来取步长ZlF的值，再次进入过程(2. 2) 的取值范围为0. 01赫兹至0. I赫兹；(2. 7)步进增加重复频率F值，根据误差要求来取步长ZjF的值，此后将进入过程(2. 8) 的取值范围为0. 01赫兹至0. I赫兹；(2. 8)判断所递增后的频率值是否大于F±R，若是，进入步骤(2. 9);若否，则进入过程(2. 2);值!^_为预先设置物体振动频率的最大估计值；F±R的取值可根据水下结构的形式和材料来确定，其范围为10赫兹至2000赫兹。在分别经过过程(2. 6)和(2. 8)后，再次进入过程(2. 2)、(2. 3)、(2. 4)，以及(2. 5)或(2. 7)，在不断重复中从小到大取得一系列的Fj值后进入过程(2. 9);(2. 9)不断地取Fj的最大值并输出，直至递增后的重复频率值F大于F±R而软件运作停止，则匕的最大值即物体振动频率值。第3步进一步对发射的聚焦超声脉冲串进行延时处理，根据同步接收散斑信号所花费的最短和最长时间之差，确定振动物表面测点的振幅；如图7所示，所使用的软件处理过程如下(3. I)增加延时器的触发延时t，T = k A T ； A x为延时步长,其大小由测量误差要求确定，它的取值范围为0. 005微秒至0. I微秒；k为逐步增加的延时次数，k为连续正整数，它的初始值k = I ；(3. 2)将延时后的散斑信号波形进行平方运算，并计算它在时间域上的重心值Gk， 其上标k表示延时后波形的序号，它与步骤(3. I)中的延时次数k值一致，Gk将随着延时次数k的增加而变化；(3. 3)令k = k+1,重复步骤(3. I)和(3. 2);不断增加k值，重复步骤(3. I)和(3. 2)，直到确定Gk取得最小值，然后进入步骤(3.4);(3.4)记录Gk为最小值时的波形序号k值，k = K1;(3. 5)再增加延时器的触发延时T，T=kAT;AT仍为延时步长，k仍为逐步增加的延时次数，k为连续正整数，它的初始值k = 1+1 ；(3. 6)将延时后的散斑信号波形进行平方运算，计算它在时间域上的重心值Gk，Gk将随着延时次数k的增加而变大；(3.7)$k = k+l，重复步骤(3. 5)和(3. 6);不断增加k值，重复步骤(3. 5)和
(3.6)，直到确定Gk取得最大值，然后进入步骤(3.8);(3.8)记录Gk为最大值时的波形序号k值，k = K2;(3. 9)根据KjPK2值，可计算测点振幅A，A=V* (K2-K1) A x，V是超声在水中的传
播速度。第4步按照水下待测振动物体的振动频率，向其表面当前测点发射聚焦超声脉冲串，并进行延时处理，使同步接收散斑信号花费时间最短；再将超声探头聚焦于水下待测振动物体表面相邻测点，也对其重复发射聚焦超声脉冲串进行延时处理，使同步接收散斑信号花费时间最短。根据当前测点和相邻测点进行延时处理时的延时量之差可确定相邻测点相对当前测点的相位差，也就是相邻测点的相位。如图8所示，所使用的软件处理过程如下(4. I)将超声聚焦探头聚焦于作为基准的水下待测物体表面当前测点上；调节触发脉冲重复频率，使之与物体振动频率相同，其过程与图4的物体振动频率确定软件所示一致，在此基础上，进入过程(4. 2)；(4. 2)增加延时器的触发延时t，T = k A T ； A x为延时步长,其大小由测量误差要求确定，它的取值范围为0. 005微秒至0. I微秒；k为逐步增加的延时次数，k为连续正整数，它的初始值k = I ；(4. 3)将延时后的散斑信号波形进行平方运算，并计算它在时间域上的重心值Gf, Gf中的上标k表示延时后波形的序号，它与延时次数k值一致Of中的下标I表示当前测点。Gf将随着延时次数k的增加而变化；(4. 4)逐步增加k值，判断Gf是否为最小值，若否，则重新进入到过程(4. 2);若是，进入过程(4. 5)；(4. 5)记录Gf为最小值时的k值，k = kj(4. 6)平移超声探头，使之聚焦于与当前测点相邻近的相邻测点上；
(4. 7)逐步增加延时器的触发延时T，延时步长为A T，将延时后的散斑波形进行平方运算，并计算它在时间域上的重心值GhGf中的下标表示相邻测点，Gf将随着延时次数k的增加而变化；(4. 8)判断C是否为最小值，若否，则重新进入到过程(4.7);若是，进入过程(4. 9)；(4. 9)记录G〈为最小值时的k值，k = K2 ；(4. 10)根据K1和K2值，可计算相邻测点与当前测点振动相位之差^K2-Kl^r，其中f是当前测点的振动频率。第5步重复第3步，确定振动物表面邻近相邻测点的又一测点的振幅；第6步不断重复第4和第5步，依次确定水下振动物表面不同测点的相位和振幅。 如图9所示，本发明的超声散斑水下稳态振动测量装置包括脉冲信号发生器1，延时器2，功率放大器3，超声聚焦探头4，水下振动物体5，电压放大器6，数字存储示波器7，微机8和三维电控平移台9。它们之间相互连接如下脉冲信号发生器I依次通过延时器
2、功率放大器3与超声聚焦探头4的接口用电缆相连接；超声聚焦探头4的接口又依次通过电压放大器6、数字存储波器7与微机8实施散斑信号数据传输连接；脉冲信号发生器I又分别与微机8和数字存储示波器7实施控制连接；超声聚焦探头4连接在三维电控平移台9上，再与微机8实施平移控制连接。测量装置中各仪器和部件的作用功能如下脉冲信号发生器I产生一系列脉宽数十纳秒，幅值数百微伏，重复频率在数赫兹至数千赫兹内可调的尖峰状电脉冲，其重复频率的调节受微机8控制。所产生的电脉冲分别输入至延时器2和数字存储示波器7，来分别接受触发时刻的延时处理和实施对数字存储示波器7的扫描同步控制。延时器2的延时调节步长为0. 005微秒至0. I微秒内自定，其延时调节受微机8控制。经延时器2所输出的电脉冲输入至功率放大器3后，再输出至超声聚焦探头4。超声聚焦探头4受功率放大后的电脉冲激励，发射出长度为数微秒的超声脉冲串，超声脉冲串的中心频率与探头标称频率相一致，其重复频率与脉冲信号发生器产生的电脉冲重复频率相一致，其发生时刻与延时器2调节的电脉冲触发时刻相一致。超声聚焦探头4所发射的超声聚焦入射至水中振动物体5的粗糙表面上后，其表面上的散射波相互干涉所形成的超声散斑为同一超声聚焦探头4所接收，然后输入至电压放大器6。散斑信号经电压放大器6放大后输入至数字存储示波器7中进行信号预处理、采样和量化，然后输入至微机8中进行存储、运算和输出结果。另外，微机8发出控制信号至三维电控平移台9，使其所连接的超声聚焦探头4沿平行于水下振动物体5表面的两个正交方以及垂直于水下振动物体5表面的方向上作步进运动，以实行定位和扫描，其步长为0. 01毫米至I毫米内自定。应用本发明的超声散斑水下稳态振动测量装置对水下稳态振动物振动频率、振幅和相位测量的操作流程如下( I )水下被测物体处于静止状态，垂直于水下振动物体表面方向上放置超声聚焦探头4，通过微机8调节三维电控平移台9使超声聚焦探头4在水中进行扫描，应用超声无损检测中传统的脉冲回波法确定被测振动物静止时的表面轮廓高度。(II)调节三维电控平移台9使超声聚焦探头4发射的超声聚焦于振动物5表面的当前测点上。通过微机8从小到大步进调节脉冲信号发生器I所输出脉冲的重复频率至某个最大值，当微机8中流程如图4所示的频率测量软件判定被数字存储示波器7同步记录的超声散斑信号其时间域上的重心保持不变，即对应的显示屏上的超声散斑波形驻留不动时，此时所输出脉冲的重复频率的最大值就是所测物体表面的振动频率，微机8自动记录下这个频率值。(III)通过微机8调节延时器2输出到超声聚焦探头的脉冲激励信号的触发时刻，当微机8中流程如图7所示振幅测量软件判定超声聚焦探头4从发射超声脉冲串至接收散斑信号期间所经历的时间分别为最短和最长，即数字存储示波器7所同步记录的超声散斑信号驻留在示波器7显示屏时间轴上极左侧和极右侧位置上，根据这两者的时间差，微机8计算出测点振动的振幅。(IV)保持超声聚焦探头4从发射超声脉冲串至接收被测物面当前测点上散斑信号期间所经历的时间为最短，即数字存储示波器7所同步记录的超声散斑信号驻留在示波器7显示屏时间轴上极左侧位置上。通过微机8操控三维电控平移台9，使聚焦探头4聚焦于振动物5表面的相邻测点上。通过微机8对延时器2进行延时操作，当微机8中流程如图8所示相位测量软件判定超声聚焦探头4从发射超声脉冲串至接收被测物面相邻测点上散斑信号期间所经历的时间为最短，即数字存储示波器7所同步记录的相邻测点上的超声散斑信号驻留在示波器7显示屏时间轴上极左侧位置上。微机8记录这过程中延时器2所调节的时间差，计算出相邻测点相对于当前测点的振动相位差。(V)重复步骤(III)，测量出相邻测点的振幅值。(VI)重复步骤(IV)和(V)，依次测量出第三，四，…各测点的相位和振幅值，各测点的振动频率是相同的。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种超声散斑水下稳态振动测量方法，其特征在于，该方法包括下述步骤 第I步向水下待测振动物体表面重复发射聚焦于当前测点上的超声脉冲串； 第2步根据接收到的待测振动物体的物面散斑信号的稳定情况，确定物体振动频率；第3步进一步对发射的聚焦超声脉冲串进行延时处理，根据同步接收散斑信号所花费的最短和最长时间之差，确定振动物表面当前测点的振幅； 第4步按照水下待测振动物体的振动频率，向其表面当前测点重复发射聚焦超声脉冲串，并进行延时处理，直到同步接收散斑信号花费时间最短；再将超声探头聚焦于水下待测振动物体表面邻近于当前测点的相邻测点，也对相邻测点重复发射聚焦超声脉冲串进行延时处理，使同步接收散斑信号花费时间最短；根据二个测点进行延时处理时的延时量之差确定相邻测点相对当前测点的相位差，即相邻测点的相位； 第5步以该相邻测点作为当前测点； 第6步不断重复第3至第5步，依次确定水下振动物表面不同测点的相位和振幅。
2.根据权利要求I所述的超声散斑水下稳态振动测量方法，其特征在于，第2步中，按照下述过程判断是否信号稳定并计算物体振动频率 (2. I)设置某一个触发超声聚焦探头的电脉冲的重复频率F，F低于物体振动的估计频率，或取一个小于等于0. 5赫兹的值； (2. 2)依次对超声聚焦探头连续同步重复接收的N1个散斑信号进行采样，其采样周期为Ts ； (2. 3)分别计算N1个散斑信号波形的平方值在时间域上的重心位置Gi, i表示散斑信号的序号，i = l，2, ...,N1; (2. 4)判断上述散斑信号中的任意2个重心位置之差的最大值max I Gm-GnI (m=l, 2，....N1In=I, 2,. . . N1Iiii^ n)是否小于N2倍的采样周期Ts,若是,表示信号稳定,贝U进入下一过程(2.5);若否，表示信号不稳定，则进入过程(2.7) ;m，n表示不同的二个重心位置的序号，N2为正整数； (2. 5)记录该重复频率F值为匕，同时进入过程(2. 6) ；j表示信号稳定时所取重复频率的序号，其初始值为I; (2.6)步进增加重复频率F值，根据误差要求取步长为再次进入过程(2. 2)； (2. 7)步进增加重复频率F值，根据误差要求取步长为某值ZJ ,此后将进入过程(2. 8)； (2. 8)设置物体振动频率的最大估计值F±R，判断所递增后的频率值F是否大于F±r，若是，进入步骤(2. 9);若否，则进入过程(2.2)； (2. 9)以。的最大值作为物体振动频率值。
3.根据权利要求I或2所述的超声散斑水下稳态振动测量方法，其特征在于，第3步中，其处理过程如下 (3. I)增加延时器的触发延时T，T = kA T，延时步长为A T，k为逐步增加的延时次数，其初始值为k = I ; (3. 2)将延时后的散斑信号波形进行平方运算，并计算它在时间域上的重心值Gk ； (3. 3)令k = k+1，重复步骤(3. I)和(3. 2)，直到确定Gk取得最小值，然后进入步骤(3.4)；(3. 4)记录Gk为最小值时的波形序号k值，k = K1 ; (3. 5)再增加延时器的触发延时X，T = kA T ；^k = K:+l ； (3. 6)将延时后的散斑信号波形进行平方运算，，计算它在时间域上的重心值Gk，Gk将随着延时的增加而变大； (3. 7)令k = k+1,重复步骤(3. 5)和(3. 6)，直到确定Gk取得最大值，然后进入步骤(3. 8)； (3. 8)记录Gk为最大值时的波形序号k值，k = K2; (3. 9)根据K1和K2值，计算测点振幅A，A=V (K2-K1) AtjV是超声在水中的传播速度。
4.根据权利要求5所述的超声散斑水下稳态振动测量方法，其特征在于，第4步中，其处理过程如下 (4. I)将超声聚焦探头聚焦于作为基准的水下待测物体表面当前测点上；调节触发脉冲重复频率，使之与物体振动频率相同； (4. 2)增加延时器的触发延时T，T = kA T ;A T为延时步长，k为逐步增加的延时次数，k的初始值k = I ; (4. 3)将延时后的散斑信号波形进行平方运算，并计算它在时间域上的重心值( (4. 4)逐步增加k值，判断Gf是否为最小值，若否，则重新进入到过程(4. 2);若是，进入过程(4. 5)； (4. 5)记录Gf为最小值时的k值，k = K1; (4. 6)平移超声探头，使之聚焦于邻近的物体表面相邻测点上； (4. 7)逐步增加延时器的触发延时I延时步长为△ T，将延时后的散斑波形进行平方运算，并计算它在时间域上的重心值U1 , (4. 8)判断句是否为最小值，若否，则重新进入到过程(4.7);若是，进入过程(4.9)； (4. 9)记录G^r为最小值时的k值，k = K2 ; (4. 10)根据K1,和K2值,计算二个测点振动相位之差A￠7=2^/ ■ {K2 -K')At，其中f■是当前测点的振动频率。
5.根据权利要求4所述的超声散斑水下稳态振动测量方法，其特征在于，第2步中，ZlF的取值范围为0. 01赫兹至0. I赫兹，F±R的取值范围为10赫兹至2000赫兹。
6.一种超声散斑水下稳态振动测量装置，其特征在于，该装置包括脉冲信号发生器，延时器，功率放大器，超声聚焦探头，电压放大器，数字存储示波器，微机和三维电控平移台；脉冲信号发生器依次通过延时器、功率放大器与超声聚焦探头的接口用电缆相连接；超声聚焦探头的接口又依次通过电压放大器、数字存储示波器与微机实施散斑信号数据传输连接；脉冲信号发生器又分别与微机和数字存储示波器实施控制连接；超声聚焦探头连接在三维电控平移台上，再与微机实施平移和定位控制连接。
全文摘要
本发明属于振动测量技术，为一种超声散斑水下稳态振动测量方法和装置。通过向水下待测振动物体表面重复发射聚焦于当前测点上的超声脉冲串，根据接收到的物面散斑信号的稳定情况，确定物体振动频率；再通过对发射的聚焦超声脉冲串进行延时处理，根据同步接收散斑信号所花费的最短和最长时间之差，确定振动物表面当前测点的振幅；将超声脉冲串聚焦于相邻测点上，对重复发射的聚焦超声脉冲串进行延时处理，根据该二个测点进行延时处理时的延时量之差确定该二个测点的相位差，即相邻测点的相位。重复进行依次确定水下振动物表面不同测点的相位和振幅。本发明适合于对水下粗糙物体稳态振动的频率、振幅和相位进行实时、稳定、非接触、全场扫描式测量。
文档编号G01H3/00GK102721457SQ20121017099
公开日2012年10月10日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者朱鸿茂, 沈磊, 罗志华, 胡莉莉, 胡鹏, 褚俊 申请人:华中科技大学