一种超声材料反射和透射系数激光测量系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种超声材料反射和透射系数激光测量系统。目前水听器测量法存在一定的误差。本实用新型将测试支架放置在水池中，测试支架上放置有测试样品，在测试支架的下方放置吸声材料，安装在机械定位机构上的聚焦换能器正对测试样品设置。函数发生器的信号输入至功率放大器，经放大后驱动聚焦换能器向水介质中辐射脉冲声波。激光测振仪放置在水池之外，激光测振仪发出的激光束通过安置在水池侧壁上的透镜入射到水介质中，并经过反射镜反射回激光测振仪，激光测振仪的输出信号经过前置放大器后输入到数字示波器。本实用新型利用激光测振法具有的非接触测量的特点进行换能器声场特性参数的测量，克服了使用水听器测量时对声场的干扰作用。
【专利说明】一种超声材料反射和透射系数激光测量系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于声学测量【技术领域】，涉及一种超声材料反射和透射系数激光测量系统。
【背景技术】
[0002]在工业和医疗超声设备研制过程及科研活动中，需要使用不同的声学无源材料来实现声波的透射、反射或吸收功能。除了密度、声速、硬度等物理参数外，对声学设备性能有较大影响的参数主要是材料的反射和透射系数，因此必须对其进行准确的测量。
[0003]一直以来，对材料反射和透射系数等声学参量的测量都是通过使用声学传感器(水听器)进行的。测量时，需要把水听器放置在待测声场中，首先测量出发射换能器所产生的辐射声压量值，而后将测试样品放置在已知声场中，利用水听器测量出样品的反射声压幅度和透射声压幅度，便可计算出材料的反射系数和透射系数参量。
[0004]由于水听器具有一定的空间尺寸，放置在声场中会对入射声波产生衍射作用，特别是当水听器与测试样品之间的距离较近时，会引起声波在二者间的多次反射，严重影响了对反射信号和透射信号的准确测量。而随着测量频率的升高，水听器所产生的衍射影响会不断增加，因此，使用水听器进行超声材料声学特性的测量具有不可避免的缺陷。
【发明内容】
[0005]本实用新型致力于克服使用水听器进行材料声学特性测量所固有的缺点，通过应用激光测振技术所具有的非接触性特点，消除使用水听器测量时对声场的干扰作用；同时，在本实用新型中利用聚焦换能器所产生的高强度平面声波以及激光测量时对平面声波的空间积分效应，提高测量的信噪比，增强了对各类声学材料的测量能力。
[0006]本实用新型解决技术问题所采取的技术方案为:
[0007]本实用新型包括函数发生器、功率放大器、机械定位机构、数字示波器、前置放大器、激光测振仪、聚焦换能器、反射镜、吸声材料、水池和测试支架。
[0008]测试支架放置在水池中，测试支架上放置有测试样品，在测试支架的下方放置吸声材料，安装在机械定位机构上的聚焦换能器正对测试样品设置。
[0009]函数发生器的信号输入至功率放大器，经放大后驱动聚焦换能器向水介质中辐射脉冲声波。
[0010]激光测振仪放置在水池之外，激光测振仪发出的平行于测试样品上表面的激光束通过安置在水池侧壁上的透镜入射到水介质中，并经过反射镜反射回激光测振仪，激光测振仪的输出信号经过前置放大器后输入到数字示波器，以获得所需测量的信号幅度量值。
[0011]所述激光测振仪分别测量出聚焦换能器在焦平面上声压振幅沿焦域直径方向的积分量值、聚焦波束经测试样品后所产生的反射声压振幅沿焦域直径方向的积分量值、聚焦波束经测试样品后所产生的透射声压振幅沿焦域直径方向的积分量值，利用上述三个积分量值完成测试样品反射和透射系数的计算。[0012]本实用新型的有益效果:
[0013]利用激光测振法具有的非接触测量的特点进行换能器声场特性参数的测量，克服了使用水听器测量时对声场的干扰作用。
[0014]使用聚焦换能器所产生的高强度聚焦平面波束进行检测，增加了测量的信噪比，提高了对声学材料的测量能力。
[0015]利用激光测振仪所测量出的声压积分量值进行反射系数和透射系数计算，克服了样品制作不均匀所产生的测量误差。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为超声材料反射和透射系数激光法测量原理框图。
[0017]图2为样品测量支架结构示意图。
[0018]图3为激光法聚焦换能器声场声压测量原理图。
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图对本实用新型作进一步描述。
[0020]本实用新型提出了利用激光测振技术对材料声学特性进行非侵入式测量的技术方案，通过使用激光测振仪测量聚焦换能器在焦平面上的辐射声压、以及测量样品在相同的声场条件下所产生的反射和透射声压，可准确地计算出材料的反射系数和透射损失，克服使用水听器进行材料声学参数测量时所固有的缺点。
[0021]如图1和图2所示，本实用新型主要由下列仪器设备所构成的测量系统实现:聚焦换能器7、函数发生器1、功率放大器2、机械定位机构3、激光测振仪6、前置放大器5、数字示波器4、水池11、反射镜8、测试支架12和吸声材料10等。
[0022]所述的聚焦换能器采用球型陶瓷元件制备而成，声波经过球型元件的内表面辐射后，在其焦域中汇集形成聚焦声波，波阵面将呈现出平面形式、声压幅度按高斯函数形式分布。
[0023]所述的函数发生器为通用电子仪表设备，可输出测量所需要的填充脉冲波信号、信号的频率、波数、脉冲周期、信号幅度等参量可以根据测量的要求进行调节。
[0024]所述的功率放大器为通用电子仪表设备，可对信号源的输入信号进行放大，形成可驱动声学换能器的输出电压信号，功率放大器的输出阻抗应与换能器的输入阻抗相匹配、并具有一定的工作带宽。
[0025]所述的机械定位系统用于固定聚焦换能器，并可对换能器的角度进行调节，从而改变辐射声波的传播方向；同时可以对换能器的入水深度进行调节，以使换能器的焦平面能与测试样品的表面相吻合。
[0026]所述的前置放大器为通用的电子仪表设备，对激光测振仪的输出信号进行放大，能在较宽的工作频率范围内工作，并具有较低的本底噪声。
[0027]所述的数字示波器为通用的电子仪表设备，可对前置放大器的输出信号进行量化处理、显示出测量信号波形、并能计算出输入信号的幅度大小，示波器的采样频率、垂直分辨率、平均次数等参数可以根据测量的需要进行调节。
[0028]所述的激光测振仪为通用电子仪表设备，该设备将辐射出测量激光束，作用在物体表面后将产生反射激光，测振仪通过接收反射激光信号测量物体表面的振速。
[0029]所述的测试支架由非金属材料制备而成、由二个圆环和四个支撑杆组成(结构示意图见图2)。测试样品被放置在支架上，当测量样品的透射系数时，应保证激光束能通过测试支架的支撑杆从材料的下表面穿过。
[0030]所述的反射镜采用光学镀膜平面玻璃镜片，该反射镜将被固定于水池侧壁上，用于将激光束反射回激光测振仪。
[0031]所述的吸声材料由具有尖劈结构的高分子材料制备而成，用于吸收聚焦换能器的声波，减少反射声波对测试结果的影响。
[0032]所述的测试样品9需要被制备成平面圆片形状，以保证反射声波能按原入射声波方向返回，透射声波的传播方向不发生偏离。样品的厚度应远小于聚焦换能器的焦长，以保证聚焦声波在样品上、下表面上的强度分布不会有明显的变化；测试样品的直径应远大于聚焦换能器的焦域，以避免辐射声波在样品边缘产生衍射效应。
[0033]由上述设备构成如附图1所示的测试系统，通过利用激光测振仪测量聚焦换能器在相同驱动信号下在焦平面上的辐射信号、经样品所产生的反射信号和透射信号，可以计算出测试样品材料的反射系数和透射系数。
[0034]本实用新型的工作过程:按图1所示构成测量系统，准备好仪表设备、在水池中注入除气水、将聚焦换能器安装在机械定位机构上、并将测试样品放置在测试支架上。在测试支架的下方放置吸声材料，用于吸收聚焦换能器的声波。
[0035]设置函数发生器发射填充脉冲信号，填充脉冲的频率为样品的待测频率，填充脉冲的周期需远大于水池的混响时间、填充脉冲的长度应保证经换能器辐射出的声波能达到稳态信号。函数发生器的信号将被输入至功率放大器，经放大后驱动聚焦换能器向水介质中辐射脉冲声波。聚焦换能器的角度将通过机械定位机构进行调节，以使辐射声波能垂直入射到测试样品的表面；同时，通过定位机构可调节聚焦换能器的入水深度，使测试样品的上表面与聚焦换能器的焦平面相重合。激光测振仪被放置在水池之外，激光束通过安置在水池侧壁上的透镜入射到水介质中，并经过反射镜反射回激光测振仪。激光束应与测试样品的上表面相平行，并与样品的表面相隔适当的距离，以便通过激光测振仪能区分出反射信号和入射声波信号。激光测振仪的输出信号经过前置放大器后被输入到数字示波器，以获得所需测量的信号幅度量值。在测量过程中，首先通过激光测振仪获得聚焦换能器焦平面上的辐射声波强度，而后测量样品放置在换能器焦平面上时所产生的反射信号；通过移动激光测振仪的位置，使激光束从与测试样品下表面相平行的方向穿过，测量透射声波信号。
[0036]通过使用所测得的换能器焦平面上的辐射信号幅度、测试样品所产生的反射和透射信号幅度等数据，便可计算待测材料的反射系数和透射系数。
[0037]超声材料反射和透射系数激光法测量工作原理:
[0038]使用激光法测量超声材料声学特性的工作原理如附图3所示，其中，聚焦换能器被固定在机械定位机构上，声轴被调节在处于垂直方向的z轴上。激光测振仪被放置在测量声场之外，福射出的激光束与声轴方向垂直。在换能器福射声场外放置反射镜，激光束在入射到反射镜面后沿原路径返回激光测振仪。
[0039]当激光束入射到声场中时，由于压光效应，声波对激光将产生调制作用。当激光测振仪沿I轴方向穿过聚焦换能器的声场时，根据声光干涉原理，输出信号rCr)可表示为:
[0040]
【权利要求】
1.一种超声材料反射和透射系数激光测量系统，其特征在于:包括函数发生器、功率放大器、机械定位机构、数字示波器、前置放大器、激光测振仪、聚焦换能器、反射镜、吸声材料、水池和测试支架；测试支架放置在水池中，测试支架上放置有测试样品，在测试支架的下方放置吸声材料，安装在机械定位机构上的聚焦换能器正对测试样品设置；函数发生器的信号输入至功率放大器，经放大后驱动聚焦换能器向水介质中辐射脉冲声波；激光测振仪放置在水池之外，激光测振仪发出的平行于测试样品上表面的激光束通过安置在水池侧壁上的透镜入射到水介质中，并经过反射镜反射回激光测振仪，激光测振仪的输出信号经过前置放大器后输入到数字示波器，以获得所需测量的信号幅度量值；所述激光测振仪分别测量出聚焦换能器在焦平面上声压振幅沿焦域直径方向的积分量值、聚焦波束经测试样品后所产生的反射声压振幅沿焦域直径方向的积分量值、聚焦波束经测试样品后所产生的透射声压振幅沿焦域直径方向的积分量值，利用上述三个积分量值完成测试样品反射和透射系数的计算。
【文档编号】G01H9/00GK203414165SQ201320520092
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年8月23日 优先权日:2013年8月23日
【发明者】王月兵 申请人:中国计量学院