一种指向性激光测试系统及方法与流程

本发明涉及超声地震物理模型技术研究领域，更具体地，涉及一种超声换能器指向性测试系统。

背景技术：

压电陶瓷超声换能器主要作用是激发和接收超声波，在地震物理模型技术中可以分别模拟地震波震源和接收器，其性能直接影响着地震物理模型数据资料的质量。由于压电陶瓷超声换能器本身条件的限制，其发射的能量在球面上分布不均匀，振幅随着角度的变化称为换能器的指向性。在进行振幅随角度变化特征(avo)等现象的地震物理模拟实验时，这种指向性会造成实验数据的不准确性。为了消除换能器指向性对实验数据精度的影响，需要对换能器的指向性进行测试研究。

目前，压电陶瓷超声换能器指向性研究集中在理论计算和实验测试两个领域。理论计算法是将换能器近似为薄圆板，并将薄圆板分割成无数个点，将每个点看成一个点震源，再将这些点震源产生的波场叠加计算出换能器指向性。换能器指向性实验测试分为固体测试和水中测试。固体测试方法是将激发换能器固定在半球状铝块底圆面的中心处，利用接收换能器接收辐射振幅值，从而得出激发换能器的指向性。固体测试方式的基本假设是换能器指向性在90°角时具有振幅极大值，以及在每个测量点上接收换能器与半球状铝块之间具有相同程度的耦合，这往往是很难做到的。水中测试方法是将发射换能器固定在一个可以旋转的轴上，接收换能器固定在与发射换能器处于同一水平面的高度上，接收换能器接收方向不变而旋转发射换能器，测量得到不同角度上的激发换能器辐射振幅值，得出激发换能器的指向特性。水中测试方式的基本假设也是换能器指向性在90°角时具有振幅极大值，虽然在水中可认为接收换能器与半球状铝块之间具有相同程度的耦合，但超声波在水中具有振幅衰减，因此测试结果也具有不确定性。

以往的换能器指向性实验测试，基本原理均是采取一个换能器激发超声波，另一个换能器在不同角度上接收超声波的方式进行。这种测试方式的基本假设是换能器指向性在90°角时具有振幅极大值，但由于换能器压电陶瓷晶片性能等原因，这一假设往往并不成立，这也就导致测试得到的结果精度较低甚至是错误的。另外，接收换能器与半球状铝块之间能否良好耦合也非常影响测试结果。因此，有必要开发一种能够得到更加精确的超声换能器指向性结果的测试系统和方法。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，提高测试精度，为地震物理模型数据校正提供更加准确的依据，本发明提出了一种超声换能器指向性测试系统及方法。

根据本发明的一方面，提出一种超声换能器指向性测试系统。该系统包括：

信号发生器，用于产生电信号；

超声换能器，与所述信号发生器连接，用于将所述电信号转换为超声波信号；

半球状金属块，所述超声换能器固定在所述半球状金属块底面的中心处，所述半球状金属块用于向外发送所述超声波信号；

激光测振仪，其在穿过所述半球状金属块球心的半圆弧面方向上，逐点记录不同角度上超声换能器的振幅值；

计算单元，对每个角度上的超声换能器的振幅值计算平均值并进行归一化，得到超声换能器指向性的测试结果。

优选地，所述超声换能器为压电陶瓷超声换能器。

优选地，所述半球状金属块的材料为铝。

优选地，所述激光测振仪在穿过所述半球状金属块球心的半圆弧面方向上发射激光。

优选地，所述超声换能器指向性的测试系统还包括与穿过所述半球状金属块球心的半圆弧面同心的半圆轨道，所述激光测振仪沿所述半圆轨道运行。

优选地，所述超声换能器和所述半球状金属块之间具有耦合剂。

优选地，所述信号发生器与所述超声换能器之间连接有信号放大器。

优选地，所述压电陶瓷超声换能器的直径为5mm。

优选地，所述半球状金属块的底面半径为5cm。

根据本发明的另一方面，提出一种超声换能器指向性测试方法，其利用如上所述的超声换能器指向性测试系统进行测试。该方法包括：

所述信号发生器将产生的电信号发送给所述超声换能器；

所述超声换能器将所述电信号转换为超声波信号并通过半球状金属块向外发送；

所述激光测振仪在所述半球状金属块过球心的半圆弧面上逐点移动，记录不同角度上超声换能器的振幅值；

进行多次测量，所述计算单元对于每个角度上的多次测量得到的超声换能器的振幅值计算平均值，并进行归一化，得到超声换能器指向性的测试结果。本发明提出的压电陶瓷超声换能器指向性激光测试方法，与固体测试相比解决了耦合对测试结果精度的影响，与水中测试相比不存在超声波水中传播振幅衰减对结果的影响，最终得到的指向性结果具有更高的精度，能够为地震物理模型数据校正提供更加准确的依据。

本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为根据本发明的示例性实施方案的超声换能器指向性测试系统的结构图；

图2为根据本发明的超声换能器指向性测试系统的测试结果与现有技术测试结果的对比图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1为根据本发明的示例性实施方案的超声换能器指向性测试系统的结构图。如图1所示，该超声换能器指向性测试系统包括：

信号发生器1，用于产生电信号；

超声换能器2，与信号发生器1连接，用于将所述电信号转换为超声波信号；

半球状金属块3，超声换能器2固定在半球状金属块3底面的中心处，半球状金属块3用于向外发送所述超声波信号；

激光测振仪4，其在穿过所述半球状金属块球心的半圆弧面方向上，逐点记录不同角度上超声换能器的振幅值；

计算单元5，对每个角度上的超声换能器的振幅值计算平均值并进行归一化，得到超声换能器指向性的测试结果。

在一个示例中，超声换能器2为压电陶瓷超声换能器，其用于激发超声波，即将所接收的电信号转换为超声波信号。

在一个示例中，半球状金属块3的材料为铝，即为半球状铝块。本领域技术人员应当理解，半球状金属块3可以采用任意适用于传导超声波的材料。

激光测振仪4是利用光学非接触式扫描来测量超声换能器的超声振幅。可以使激光测振仪4发射激光的方向是可以改变的，从而使激光测振仪4在穿过半球状金属块3球心的半圆弧面方向上发射激光，对超声换能器的超声振幅进行测量；也可以通过架设与穿过半球状金属块3球心的半圆弧面同心的半圆轨道，从而使激光测振仪4沿着该半圆轨道运行，对超声换能器的超声振幅进行测量。

激光测振仪4在穿过所述半球状金属块球心的半圆弧面方向上，0°-180°范围内逐点记录不同角度上超声换能器的振幅值。本领域技术人员应当理解，每次移动的角度间隔可以依据所要求的测试结果的精度而定。例如，可以每隔1°记录一个超声振幅，也可以每隔5°记录一个。

在一个示例中，超声换能器2和半球状金属块3之间具有耦合剂，以减少空气阻碍超声波传入金属块。

在一个示例中，信号发生器1与超声换能器2之间连接有信号放大器。该信号放大器的增益参数根据超声换能器2的主频进行设置。

压电陶瓷超声换能器的直径优选为5mm，其所设置在的半球状金属块3的底面半径优选为5cm。本领域技术人员应当理解，压电陶瓷超声换能器的直径和半球状金属块的底面半径可以根据实际应用情况而进行设定。

图2为根据本发明的超声换能器指向性测试系统的测试结果与现有技术测试结果的对比图。其中，最外圈线为根据本发明的方法进行测试的结果，中间线为固体测试结果，最内圈线为水中测试结果。通过对比可以看出，根据本发明的利用激光测振仪对超声换能器指向性进行测量得到的测试曲线幅度最大、波动最小、精度最高。

本发明还提出了一种超声换能器指向性测试方法，其利用如上所述的超声换能器指向性测试系统进行测试。该方法包括：

信号发生器1将产生的电信号发送给超声换能器2；

超声换能器2将所述电信号转换为超声波信号并通过半球状金属块3向外发送；

激光测振仪4在穿过半球状金属块3球心的半圆弧面方向上，逐点记录不同角度上超声换能器的振幅值；

进行多次测量，所述计算单元对于每个角度上的多次测量得到的超声换能器的振幅值计算平均值，并进行归一化，得到超声换能器指向性的测试结果。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。