一种相控阵换能器非线性声场测量装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种相控阵换能器非线性声场测量装置。现有声场测量未考虑水听器指向性对接收数据的影响。本实用新型的相控阵换能器固定于三爪卡盘结构；计算机通过PLC控制器控制水听器驱动机构；FPGA数据采集系统的脉冲信号通过功率放大器放大后激励相控阵换能器向水中辐射声波，且FPGA数据采集系统对相控阵换能器的各个晶片阵元进行相控延时处理，使相控阵辐射声波偏转并聚焦到同一点；水听器驱动机构带动水听器进行扫描；水听器将接收到的声波信号转换成电信号传给FPGA数据采集系统，FPGA数据采集系统通过串口通讯将电信号传给计算机进行分析处理。本实用新型通过精确的角度调整来测量相控阵的非线性声场。
【专利说明】
一种相控阵换能器非线性声场测量装置
技术领域
[0001]本实用新型属于声学领域，具体涉及一种相控阵换能器非线性声场测量装置。
【背景技术】
[0002]利用超声进行诊断与治疗已成为医学生物工程的重要分支之一。传统超声束聚焦时其焦点都是固定的，而在超声治疗时常需要调整焦点，此时只能通过机械扫描、移动阵列才能对不同位置和深度的组织进行扫描治疗，但机械调整很不方便且速度较慢，限制了它的应用。于是便提出了相控阵方法，它是用电子技术调整焦点位置和聚焦的方向，实现动态偏转聚焦。超声相控阵技术已由最初的医疗领域逐渐发展到工业无损检测，目前对超声相控阵的研究主要集中在新型相控阵探头的开发及优化，它已成为近年来的一个研究热点。
[0003]超声相控阵换能器是指由多个独立的压电晶片组成阵列，按一定的规则和时序用电子控制系统控制激发各个晶片单元，来调节控制焦点的位置和聚焦的方向；常规的超声相控阵检测技术是基于传统线性超声，当相控阵系统是多阵元、高频率和高强度时，聚焦超声在媒质中传播，常见的媒质并非理想流体，而是具有黏性、热传导性和非线性的。高强度聚焦超声下，由于声波的声压以及频率比较大，媒质传播时质点的声压以及振动速度相对于大气压强以及声速来说不是很小或者可忽略不计的了，此时必须考虑传播介质的非线性效应，它将声波能量转向更高的频率成份，波形上表现为畸变。非线性效应带来的误差会对相控阵声场的精确控制带来影响，因此对相控阵非线性声场特性的研究有着重要的意义。
[0004]在进行相控阵换能器的声场测量时，因为水听器具有接收指向性，水听器与超声换能器的夹角会给声场的测试引入一定的误差，因此为保证测量相控阵非线性声场的准确性，关键是光纤水听器接收到的信号为直接有效的信号，此时必须保证水听器工作面与需测量的聚焦声束是平行位置，传统的声场测量是通过控制水听器相对相控阵超声换能器运动，测量相控阵超声换能器发射的超声波传播的空间声压分布，测量时未考虑水听器指向性对接收数据的影响，再加上超声波作用于液体时可产生大量小气泡，当声波功率较大时空化泡剧烈崩溃易产生空化现象对光纤水听器造成损坏，直接导致测量结果的不准确。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的是针对上述问题，提出一种相控阵换能器非线性声场测量装置对相控阵的非线性声场进行测量，设计了水听器夹具等结构对聚焦声束测量时的角度进行微调，通过PLC控制五个电机运动实现水听器的扫描运动，FPGA数据采集系统同时实现脉冲发射、多路相控延时、数据采集功能，最后在计算机上实现对采集数据的保存及后期的数据处理、声场分布显示和声参数计算等功能，以完整的实现对相控阵换能器非线性声场的检测。
[0006]本实用新型包括溶氧脱气装置、相控阵换能器、水听器驱动机构、PLC控制器、计算机、FPGA数据采集系统、功率放大器、水池和三爪卡盘结构；所述的相控阵换能器固定于三爪卡盘结构上，三爪卡盘结构固定于水池内侧壁;经溶氧脱气装置除气泡处理的除气水注满水池;计算机通过串口通讯端口与PLC控制器连接，对PLC控制器发送运动指令，PLC控制器通过步进电机驱动器控制水听器驱动机构的三个第一步进电机和两个第二步进电机;所述FPGA数据采集系统的脉冲信号由计算机控制产生，并通过功率放大器放大后激励相控阵换能器向水中辐射声波，且FPGA数据采集系统对相控阵换能器的各个晶片阵元进行相控延时处理，使相控阵辐射声波偏转并聚焦到同一点；计算机根据相控阵辐射声波的聚焦深度和声波偏转角度，控制水听器驱动机构带动水听器进行扫描;水听器将接收到的声波信号转换成电信号传给FPGA数据采集系统，FPGA数据采集系统通过串口通讯将电信号传给计算机进行分析处理。
[0007]所述的水听器驱动机构包括丝杆组、第一步进电机、第二步进电机、联轴器、弧形套圈、水听器夹具和导轨。所述的丝杆组由第一水平丝杆、第二水平丝杆和竖直丝杆组成；三根丝杆沿三维坐标系的三个轴向布置，且由三个第一步进电机分别驱动；一根导轨与第一水平丝杆上的螺母块固定，并与第二水平丝杆上的螺母块构成滑动副，支承第二水平丝杆的支承座与固定在水池上的另一根导轨构成滑动副;支承竖直丝杆的支撑板与第二水平丝杆上的螺母块固定;其中一个第二步进电机的输出轴与转轴一端通过联轴器连接，转轴另一端与弧形套圈固定;所述的水听器夹具与弧形套圈内壁开设有的弧形凹槽构成滑动副，并由另一个第二步进电机驱动;两个第二步进电机均固定在支撑板上。
[0008]本实用新型的有益效果是:
[0009]本实用新型使用五个自由度的高精度水听器驱动机构带动光纤水听器进行扫描，设计了光纤水听器角度微调结构，通过精确的角度调整来测量相控阵的非线性声场。同时克服了传统利用扫查运动轴的往返行程中来采集数据，未考虑到水听器指向性对接收数据的影响的缺点。本实用新型测量声场更准确、更直接，适用于各种相控阵偏转聚焦非线性声场的测量。
【附图说明】
[00?0]图1为本实用新型的不意图。
【具体实施方式】
[0011 ]下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0012]如图1所示，一种相控阵换能器非线性声场测量装置，包括溶氧脱气装置、相控阵换能器、水听器驱动机构、PLC控制器1、计算机2、FPGA数据采集系统3、功率放大器4、水池5和三爪卡盘结构6。先用溶氧脱气装置对普通水进行除气泡处理，再固定相控阵换能器于三爪卡盘结构6上，使除气水注满水池5 ；三爪卡盘结构6固定于水池内侧壁。计算机2通过串口通讯端口与PLC控制器I连接，对PLC控制器I发送运动指令，PLC控制器I通过步进电机驱动器控制水听器驱动机构的三个第一步进电机8和两个第二步进电机9，从而带动水听器实现五个自由度的运动，对声场进行扫描。FPGA数据采集系统3的脉冲信号由计算机2控制产生，并通过功率放大器4放大后激励相控阵换能器向水中辐射声波，且FPGA数据采集系统3对相控阵换能器的各个晶片阵元进行相控延时处理，使相控阵辐射声波偏转并聚焦到同一点；相控阵辐射声波的聚焦深度(相控阵换能器探头中心点到聚焦点的距离)和声波偏转角度由计算机2控制产生的脉冲信号决定，计算机根据相控阵辐射声波的聚焦深度和声波偏转角度，控制水听器驱动机构带动水听器进行扫描;水听器将接收到的声波信号转换成电信号传给FPGA数据采集系统3，FPGA数据采集系统通过串口通讯将电信号传给计算机进行分析处理;计算机对电信号的分析处理具体为提取谐波成份，并显示相控阵换能器的基波声场和谐波声场。
[0013]水听器驱动机构包括丝杆组7、第一步进电机8、第二步进电机9、联轴器10、弧形套圈11、水听器夹具12和导轨13。丝杆组7由第一水平丝杆、第二水平丝杆和竖直丝杆组成;三根丝杆沿三维坐标系的三个轴向布置，且由三个第一步进电机8分别驱动;一根导轨13与第一水平丝杆上的螺母块固定，并与第二水平丝杆上的螺母块构成滑动副，使得第一水平丝杆上的螺母块能带动第二水平丝杆沿固定在水池5上的另一根导轨13移动;支承竖直丝杆的支撑板与第二水平丝杆上的螺母块固定;其中一个第二步进电机9的输出轴与转轴一端通过联轴器10连接，转轴另一端与弧形套圈11固定;水听器夹具12置于弧形套圈11内壁开设有的弧形凹槽内，并由另一个第二步进电机9驱动沿弧形凹槽运动实现在竖直平面内角度的微调，克服了因水听器接收指向性对测量结果带来误差的影响，保证了测量数据的准确性;两个第二步进电机9均固定在支撑板上。因相控阵换能器安装误差的存在，设计了步进电机控制水听器沿五个自由度的自动化运动，第一步进电机实现了三维空间的运动，第二步进电机带动弧形套圈11实现在水平面内360°旋转角度的调节。
[0014]该相控阵换能器非线性声场测量装置的工作原理:
[0015]将相控阵换能器用三爪卡盘结构固定好后，计算机通过PLC控制第一步进电机8和第二步进电机9带动水听器运动到除气水中的一定高度，FPGA数据采集系统产生的脉冲信号通过功率放大器后激励相控阵换能器向水中辐射声波，并对相控阵换能器的多个阵元进行不同的延时处理，使换能器辐射声波偏转一定角度聚焦到同一点，根据聚焦深度和声束偏转角度，再控制第一步进电机使水听器运动到相控阵换能器的聚焦区域，并通过第二步进电机实现角度调整，使水听器和聚焦声束工作在同一条线，水听器接收到的信号通过数据采集卡进行采集并传递给计算机，计算机将接收到的信号进行基波和谐波的提取，并显示相控阵的基波声场和谐波声场分布图，与理论仿真图进行对比，分析误差，并分析非线性效应对相控阵换能器聚焦声场的影响。
【主权项】
1.一种相控阵换能器非线性声场测量装置，包括溶氧脱气装置、相控阵换能器、水听器驱动机构、PLC控制器、计算机、FPGA数据采集系统、功率放大器、水池和三爪卡盘结构，其特征在于:所述的相控阵换能器固定于三爪卡盘结构上，三爪卡盘结构固定于水池内侧壁;经溶氧脱气装置除气泡处理的除气水注满水池;计算机通过串口通讯端口与PLC控制器连接，对PLC控制器发送运动指令，PLC控制器通过步进电机驱动器控制水听器驱动机构的三个第一步进电机和两个第二步进电机;所述FPGA数据采集系统的脉冲信号由计算机控制产生，并通过功率放大器放大后激励相控阵换能器向水中辐射声波，且FPGA数据采集系统对相控阵换能器的各个晶片阵元进行相控延时处理，使相控阵辐射声波偏转并聚焦到同一点；计算机根据相控阵辐射声波的聚焦深度和声波偏转角度，控制水听器驱动机构带动水听器进行扫描;水听器将接收到的声波信号转换成电信号传给FPGA数据采集系统，FPGA数据采集系统通过串口通讯将电信号传给计算机。2.根据权利要求1所述的一种相控阵换能器非线性声场测量装置，其特征在于:所述的水听器驱动机构包括丝杆组、第一步进电机、第二步进电机、联轴器、弧形套圈、水听器夹具和导轨;所述的丝杆组由第一水平丝杆、第二水平丝杆和竖直丝杆组成;三根丝杆沿三维坐标系的三个轴向布置，且由三个第一步进电机分别驱动；一根导轨与第一水平丝杆上的螺母块固定，并与第二水平丝杆上的螺母块构成滑动副，支承第二水平丝杆的支承座与固定在水池上的另一根导轨构成滑动副;支承竖直丝杆的支撑板与第二水平丝杆上的螺母块固定;其中一个第二步进电机的输出轴与转轴一端通过联轴器连接，转轴另一端与弧形套圈固定;所述的水听器夹具与弧形套圈内壁开设有的弧形凹槽构成滑动副，并由另一个第二步进电机驱动;两个第二步进电机均固定在支撑板上。
【文档编号】H04R29/00GK205430608SQ201620169790
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月4日
【发明人】曹文旭, 郑慧峰, 吴筱, 葛昕
【申请人】中国计量学院