一种聚焦超声焦点声压测量仪器的制作方法

本发明属于聚焦超声焦点声压测量领域，特别是涉及一种聚焦超声焦点声压测量仪器。

背景技术：

聚焦超声焦点声压是聚焦超声场的一个重要指标，对其测量可通过相应的测量设备来实现。

目前聚焦超声焦点声压测量主要采用水听器法，该方法测量的基本思路是先用水听器进行三维扫描找到声压焦点的具体位置，再对聚焦声场进行扫描测量并计算出焦域的几何参数，然后在焦点处直接测量全功率下的声压。基于这种方法测量的方式主要有两种：压电水听器法和光纤水听器法。压电水听器法能够较为准确的测量低功率下的焦点声压，而在高功率下焦点处产生温升、冲击波、空化与声饱和等非线性效应容易造成传感器灵敏度下降，甚至损坏水听器。光纤水听器法是目前测量高声压的主要方法，但需要在测量处放置光纤传感器，这容易使测量处产生空化，导致测量结果与实际声压不一致，而且容易损坏光纤水听器。

目前最具潜力的焦点声压测量方式是利用激光偏转法进行非侵入式无干扰测量。基于激光偏转法测量聚焦超声焦点声压的原理是：当一束直径小于声波长的平行光入射到介质中时，由于声场的作用导致介质折射率呈周期性变化使光线发生偏转，从而根据光线的偏转轨迹来计算光线的偏移量，再建立光线偏转距离与焦点声压的关系来计算焦点声压。

根据以上测量原理，结合光线偏转轨迹(如图1所示)的几何关系，在不考虑非线性效应时有以下关系：

sinα＝L/r

tanα＝d/S≈sinα

其中，α为光线偏转角，L为有效声场宽度，r为光线偏转的曲率半径，d为偏转距离，S为屏幕到焦点距离。

当光线垂直于声波传播方向入射时，光线偏转的曲率半径r为：

r＝n/▽n

其中，n为介质折射率，▽n为折射率梯度。

等温条件下，声压梯度▽P与介质折射率梯度▽n成正比关系：

▽n＝k▽P

其中，

由以上关系式可以得到焦点声压与偏转距离的关系：

利用上述焦点声压与偏转距离的关系即可测量聚焦超声焦点声压，但是由于焦点处的声压梯度只比焦点附近区域的声压梯度略大，所以光束本身宽度可能造成光线偏转不显著，从而导致最终计算得到的焦点声压不准确；并且由于穿过焦点区域后光线偏转角度很小，接收光斑图像的CCD相机离焦点位置不够远时，光线的偏转距离不能达到最大也会使测量结果不准确。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种聚焦超声焦点声压测量仪器，以实现一种在使用中不会干扰声场，而且能够较为准确的测得焦点声压的聚焦超声焦点声压测量仪器。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种聚焦超声焦点声压测量仪器，包括：激光器、换能器位移调节装置、水槽、待测换能器、图像采集装置、控制处理装置，以及包括激光束细化装置及偏转角放大装置中的至少一个；所述激光器用于发射激光束；所述换能器位移调节装置用于固定和调节所述待测换能器的位置；所述水槽用于盛放脱气水，所述待测换能器置于脱气水中；所述图像采集装置用于接收穿过焦点后的光束，采集偏转光束图像；所述控制处理装置连接于所述换能器位移调节装置以及图像采集装置，用于调节控制待测换能器的移动，并用于光束图像处理以及声压计算；所述激光束细化装置放置于激光器后，用于将激光器发射出的激光束变细，使通过焦点的激光束直径小于声波长；所述偏转角放大装置放置于图像采集装置之前，用于将穿过焦点出射的激光束的偏转角度放大，使图像采集装置接收到的激光束的偏转距离尽量大，以使得图像采集装置在离焦点较近时，光线偏转距离能够分辨并准确测得。

作为本发明的聚焦超声焦点声压测量仪器的一种优选方案，所述聚焦超声焦点声压测量仪器设置有激光束细化装置，放置于激光器后，用于将激光器发射出的激光束变细，使通过焦点的激光束直径小于声波长。

作为本发明的聚焦超声焦点声压测量仪器的一种优选方案，所述聚焦超声焦点声压测量仪器设置有偏转角放大装置，放置于图像采集装置之前，用于将穿过焦点出射的激光束的偏转角度放大，使图像采集装置接收到的激光束的偏转距离尽量大，使得图像采集装置在离焦点较近时，光线偏转距离能够分辨并准确测得。

作为本发明的聚焦超声焦点声压测量仪器的一种优选方案，所述聚焦超声焦点声压测量 仪器同时设置有激光束细化装置及偏转角放大装置，所述激光束细化装置放置于激光器后，用于将激光器发射出的激光束变细，使通过焦点的激光束直径小于声波长；所述偏转角放大装置放置于图像采集装置之前，用于将穿过焦点出射的激光束的偏转角度放大，使图像采集装置接收到的激光束的偏转距离尽量大，使得图像采集装置在离焦点较近时，光线偏转距离能够分辨并准确测得。

作为本发明的聚焦超声焦点声压测量仪器的一种优选方案，所述激光束细化装置包括沿光路顺次排列的第一光学凸透镜以及第二光学凸透镜，所述第一光学凸透镜的焦点与所述第二光学凸透镜的焦点重合，并且，所述第一光学凸透镜的焦距大于所述第二光学凸透镜的焦距。

进一步地，所述激光束细化前后的直径满足公式D1/D2＝f1/f2，其中，D1、D2分别为细化前后的激光束直径，f1、f2分别为第一光学凸透镜以及第二光学凸透镜的焦距。

作为本发明的聚焦超声焦点声压测量仪器的一种优选方案，所述偏转角放大装置包括一个或两个以上的发散透镜，用于对激光束进行发散，使激光束的偏转角度增大。

作为本发明的聚焦超声焦点声压测量仪器的一种优选方案，所述控制处理装置包括计算机及移动智能设备中的一种。

作为本发明的聚焦超声焦点声压测量仪器的一种优选方案，所述图像采集装置包括CCD相机。

作为本发明的聚焦超声焦点声压测量仪器的一种优选方案，所述水槽底部设置有声吸收材料。

如上所述，本发明的聚焦超声焦点声压测量仪器，具有以下有益效果：本发明能方便准确的测量不同换能器产生的聚焦超声焦点声压，且测量过程不会对声场造成干扰。激光束细化装置能使穿过焦点区域的光束变窄，有利于焦点声压的精确测量。偏转角放大装置能将偏转角度放大，在CCD相机离焦点较近时，也能使偏转距离最大，这有利于缩短测量系统的总长，节省空间。本发明结构简单，效果显著，在聚焦超声焦点声压测量领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1显示为激光束偏转轨迹示意图。

图2显示为本发明的聚焦超声焦点声压测量仪器的系统结构示意图。

图3显示为本发明的聚焦超声焦点声压测量仪器的激光束细化装置原理示意图。

图4显示为本发明的聚焦超声焦点声压测量仪器的偏转角放大装置原理示意图。

图5及图6分别显示为本发明的聚焦超声焦点声压测量仪器两种不同实施例的系统结构示意图。

元件标号说明

1 激光器

2 激光束

3 换能器位移调节装置

4 待测换能器

5 聚焦超声焦点

6 水槽

7 声吸收材料

8 脱气水

9 图像采集装置

10 控制处理装置

11 激光束细化装置

12 偏转角放大装置

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2～图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图2所示，本实施例提供一种聚焦超声焦点声压测量仪器，包括：激光器1、换能器位移调节装置3、水槽6、待测换能器4、图像采集装置9、控制处理装置10、激光束细化装置11及偏转角放大装置12。

所述激光器1用于发射激光束2，所述激光束2的初始直径为D1。

所述换能器位移调节装置3，用于固定和调节所述待测换能器4的位置，以调整所述待测换能器4的焦点5。具体地，所述换能器位移调节装置3可以调整所述待测换能器4的上下位置以及左右位置。

所述水槽6用于盛放脱气水8，其底部设置有声吸收材料7，所述待测换能器4置于脱气水8中。所述水槽6的框架选用为激光透射率较高的材料，如玻璃、透明聚合物等，但并不限于此处所列举的示例。

所述图像采集装置9用于接收穿过焦点5后的光束，采集偏转光束图像。在本实施例中，所述图像采集装置9选用为CCD相机，当然，可以依据需求选用其它种类的图像采集设备，并不限于此处所列举的示例。

所述控制处理装置10连接于所述换能器位移调节装置3以及图像采集装置9，用于调节控制待测换能器4的移动，并用于光束图像处理以及声压计算。在本实施例中，所述控制处理装置10可以选用为计算机或者移动智能设备，如手机、平板电脑等。

如图3所示，所述激光束细化装置11放置于激光器1后，用于将激光器1发射出的激光束2变细，使通过焦点5的激光束2直径小于声波长。在本实施例中，所述激光束细化装置11包括沿光路顺次排列的第一光学凸透镜以及第二光学凸透镜，所述第一光学凸透镜的焦点与所述第二光学凸透镜的焦点重合，并且，所述第一光学凸透镜的焦距大于所述第二光学凸透镜的焦距。所述激光束2细化前后的直径满足公式D1/D2＝f1/f2，其中，D1、D2分别为细化前后的激光束2直径，f1、f2分别为第一光学凸透镜以及第二光学凸透镜的焦距。实际应用中，在满足工艺生产的条件下，可根据第一光学凸透镜，第二光学凸透镜的焦距比值来获得想要的细光束。

如图4所示，所述偏转角放大装置12放置于图像采集装置9之前，用于将穿过焦点5出射的激光束2的偏转角度放大，使图像采集装置9接收到的激光束2的偏转距离尽量大，以使得图像采集装置9在离焦点5较近时，光线偏转距离能够分辨并准确测得。作为示例，所述偏转角放大装置12包括一个或两个以上的发散透镜，用于对激光束2进行发散，使激光束2的偏转角度增大。在本实施例中，所述偏转角放大装置12包括一个发散透镜，当然，可以依据需求选择不同的发散透镜组合，并不限于此处所列举的示例。

本实施例还提供一种聚焦超声焦点声压测量仪器的测量方法，包括步骤：

步骤1)，将待测换能器4安装到位移调节装置上，水槽6内注入适量脱气水8，淹没待测换能器4。

步骤2)，打开电源，使激光器1、换能器、CCD相机、计算机能正常工作。

步骤3)，操作计算机控制调节换能器的位置，使激光束2恰好穿过焦点5，形成对称的椭圆形光斑且尺寸为最大时固定待测换能器4的位置。

步骤4)，由CCD相机采集光斑图像并上传到计算机。

步骤5)，对光斑图像进行处理，根据焦点声压与偏转距离的关系得到声压值。

实施例2

如图5所示，本实施例提供一种聚焦超声焦点声压测量仪器，包括：激光器1、换能器位移调节装置3、水槽6、待测换能器4、图像采集装置9、控制处理装置10以及激光束细化装置11。

所述激光器1用于发射激光束2，所述激光束2的初始直径为D1。

所述换能器位移调节装置3，用于固定和调节所述待测换能器4的位置，以调整所述待测换能器4的焦点5。具体地，所述换能器位移调节装置3可以调整所述待测换能器4的上下位置以及左右位置。

所述水槽6用于盛放脱气水8，其底部设置有声吸收材料7，所述待测换能器4置于脱气水8中。所述水槽6的框架选用为激光透射率较高的材料，如玻璃、透明聚合物等，但并不限于此处所列举的示例。

所述图像采集装置9用于接收穿过焦点5后的光束，采集偏转光束图像。在本实施例中，所述图像采集装置9选用为CCD相机，当然，可以依据需求选用其它种类的图像采集设备，并不限于此处所列举的示例。

所述控制处理装置10连接于所述换能器位移调节装置3以及图像采集装置9，用于调节控制待测换能器4的移动，并用于光束图像处理以及声压计算。在本实施例中，所述控制处理装置10可以选用为计算机或者移动智能设备，如手机、平板电脑等。

如图3所示，所述激光束细化装置11放置于激光器1后，用于将激光器1发射出的激光束2变细，使通过焦点5的激光束2直径小于声波长。在本实施例中，所述激光束细化装置11包括沿光路顺次排列的第一光学凸透镜以及第二光学凸透镜，所述第一光学凸透镜的焦点与所述第二光学凸透镜的焦点重合，并且，所述第一光学凸透镜的焦距大于所述第二光学凸透镜的焦距。所述激光束2细化前后的直径满足公式D1/D2＝f1/f2，其中，D1、D2分别为细化前后的激光束2直径，f1、f2分别为第一光学凸透镜以及第二光学凸透镜的焦距。实际应用中，在满足工艺生产的条件下，可根据第一光学凸透镜，第二光学凸透镜的焦距比值来获得想要的细光束。

实施例3

如图6所示，本实施例提供一种聚焦超声焦点声压测量仪器，包括：激光器1、换能器位移调节装置3、水槽6、待测换能器4、图像采集装置9、控制处理装置10及偏转角放大装置12。

所述激光器1用于发射激光束2，所述激光束2的初始直径为D1。

所述换能器位移调节装置3，用于固定和调节所述待测换能器4的位置，以调整所述待测换能器4的焦点5。具体地，所述换能器位移调节装置3可以调整所述待测换能器4的上下位置以及左右位置。

所述水槽6用于盛放脱气水8，其底部设置有声吸收材料7，所述待测换能器4置于脱气水8中。所述水槽6的框架选用为激光透射率较高的材料，如玻璃、透明聚合物等，但并不限于此处所列举的示例。

所述图像采集装置9用于接收穿过焦点5后的光束，采集偏转光束图像。在本实施例中，所述图像采集装置9选用为CCD相机，当然，可以依据需求选用其它种类的图像采集设备，并不限于此处所列举的示例。

所述控制处理装置10连接于所述换能器位移调节装置3以及图像采集装置9，用于调节控制待测换能器4的移动，并用于光束图像处理以及声压计算。在本实施例中，所述控制处理装置10可以选用为计算机或者移动智能设备，如手机、平板电脑等。

如图4所示，所述偏转角放大装置12放置于图像采集装置9之前，用于将穿过焦点5出射的激光束2的偏转角度放大，使图像采集装置9接收到的激光束2的偏转距离尽量大，以使得图像采集装置9在离焦点5较近时，光线偏转距离能够分辨并准确测得。作为示例，所述偏转角放大装置12包括一个或两个以上的发散透镜，用于对激光束2进行发散，使激光束2的偏转角度增大。在本实施例中，所述偏转角放大装置12包括一个发散透镜，当然，可以依据需求选择不同的发散透镜组合，并不限于此处所列举的示例。

如上所述，本发明的聚焦超声焦点声压测量仪器，具有以下有益效果：本发明能方便准确的测量不同换能器产生的聚焦超声焦点声压，且测量过程不会对声场造成干扰。激光束细化装置11能使穿过焦点区域的光束变窄，有利于焦点声压的精确测量。偏转角放大装置12能将偏转角度放大，在CCD相机离焦点较近时，也能使偏转距离最大，这有利于缩短测量系统的总长，节省空间。本发明结构简单，效果显著，在聚焦超声焦点声压测量领域具有广泛的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。