电声转换效率测量装置和电声转换效率测量方法与流程

本发明属于电声转换效率测量技术领域，具体涉及一种电声转换效率测量装置和电声转换效率测量方法。

背景技术：

根据超声换能器特性测量国际标准，电声转换效率通过计算换能器输出声功率与输入电功率的百分比来确定。输入电功率可采用电功率计法或者直接获取换能器两端电压电流的阻抗法进行测量，输出声功率则通常采用辐射力天平法测量。

在对超声换能器的效率进行测量时，可以利用电功率计测量得到超声换能器的输入电功率，利用辐射力天平测量超声换能器工作在谐振点时的输出声功率，从而得到其电声转换效率。但是，现有技术中，利用辐射力天平测量超声换能器工作在谐振点时的输出声功率的具体测量大部分基于人工测量，而辐射力天平读数不稳定，因此，人工测试工作量非常大。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种快速、稳定地测量超声换能器的电声转换效率的电声转换效率测量装置。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种电声转换效率测量装置，包括用于测量超声换能器的输入电功率的输入电功率测量模块和用于测量超声换能器的输出声功率的辐射力天平，所述电声转换效率测量装置还包括处理模块，所述处理模块包括：

用于接收所述输入电功率和输出声功率的接收单元；

用于判断所述输出声功率是否稳定的判断单元；

用于在所述输出声功率稳定时，根据所述输入电功率和输出声功率计算电声转换效率的计算单元。

优选的，所述判断单元具体用于判断相邻时刻接收的输出声功率的预定位之前的部分是否相同，若相同，则所述输出声功率稳定，否则所述输出声功率不稳定。

进一步优选的，所述辐射力天平的测量精度至少为千分位；

所述预定位为千分位。

优选的，所述处理模块与所述输入电功率测量模块和辐射力天平之间通过串口通信连接。

优选的，所述处理模块还包括：

控制单元，用于控制所述超声换能器在不同频率和驱动功率下工作。

优选的，所述处理模块还包括：

显示单元，用于通过xy图控件保存并显示所述超声换能器的电声转换效率。

优选的，所述输入电功率测量模块包括：

定向耦合器，用于将用于驱动超声换能器的电功率驱动信号施加给超声换能器；

电功率计，用于根据所述定向耦合器的耦合电压测量超声换能器的输入电功率。

解决本发明技术问题所采用的另一技术方案是一种用于超声换能器的电声转换效率测量方法，包括：

处理模块接收输入电功率测量模块测量的超声换能器的输入电功率和辐射力天平测量的超声换能器的输出声功率；

处理模块判断所述输出声功率是否稳定；

当所述输出声功率稳定时，处理模块根据所述输入电功率和输出声功率计算电声转换效率。

优选的，所述处理模块判断所述输出声功率是否稳定包括：

所述辐射力天平的测量精确度至少为千分位；

处理模块判断相邻时刻接收的所述输出声功率的千分位之前的部分是否相同，若相同，则所述输出声功率稳定，否则所述输出声功率不稳定。

优选的，所述处理模块接收输入电功率测量模块所测量的超声换能器的输入电功率和辐射力天平所测量的超声换能器的输出声功率之前，还包括：

处理模块控制超声换能器在不同频率和驱动功率下工作。

本发明的电声转换效率测量装置通过处理模块对输入电功率测量模块和辐射力天平的测量数据进行判断、计算等处理，从而得出超声换能器的电声转换效率。通过该电声转换效率测量装置测量超声换能器的电声转换效率，相较于现有技术中的人工测量，可以更快速地对所测出的声功率的稳定性进行判断，从而降低吸收靶表面气泡的附着几率和脱气水的温升速率，进而提高测量的准确性和测量系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明的实施例1的电声转换效率测量装置的框图；

图2为本发明的实施例1的处理模块的框图；

图3为本发明的实施例2的电声转换效率测量方法的流程图；

图4为本发明的实施例2的电声转换效率测量方法的显示界面。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图1和2所示，本实施例提供一种电声转换效率测量装置，用于超声换能器(特别是聚焦型超声换能器)的电声转换效率测量。

如图1所示，该电声转换效率测量装置包括输入电功率测量模块、辐射力天平和处理模块。其中，

输入电功率测量模块测量超声换能器的输入电功率。该输入电功率测量模块可以包括示波器，通过示波器测量超声换能器的电压和电流信号的方式得到输入电功率。

优选的，输入电功率测量模块包括：定向耦合器和电功率计，定向耦合器将驱动超声换能器的电功率驱动信号施加给超声换能器；电功率计根据定向耦合器的耦合电压测量超声换能器的输入电功率。

其中，定向耦合器是一种具有方向性的功率耦合(分配)元件，其由直通线和耦合线组合成为四端口器件，直通线和耦合线之间通过一定的耦合机制将直通线前向传输和反向传输功率中的一部分耦合至耦合线中。

电功率计通过对耦合线中的耦合电压进行检波，即可得到功率传输中的前向传输和反向传输(反射)功率。其中，电功率计的采样频率可达1000ks/s，分辨率为10bit，可实现实时监测换能器工作过程中前向和反向电驱动功率的微弱瞬态波动，从而提高测量效率。

由于超声换能器工作频率在20mhz以下，故本实施例中优选采用基于串联匹配(tandemmatch)电路的定向耦合器。

辐射力天平测量超声换能器的输出声功率。

具体的，辐射力天平基于朗之万(langevin)辐射压力原理，测定超声场中吸收靶或者反射靶上所受的声传播方向的辐射力，将其换算成超声换能器的输出声功率的测量装置。辐射力天平的吸收靶的面积应远大于超声换能器的输出声束面积，并确保输出声束在水中垂直入射至吸收靶上，且声源与靶的距离d应为声焦距fpress的0.7倍，此时测得靶上所受的辐射力f，换能器的输出声功率由式(1)计算得到。

式(1)中，c为水中的声速；β为超声换能器的聚焦(半)角；β＝arcsin(a/fpress)；a为超声换能器的有效半径；α为水中的吸收系数；d为靶距，d＝0.7fpress。

优选的，辐射力天平的测量精度至少为千分位，即小数点后三位。

处理模块对输入电功率处理装置和辐射力天平的测量数据进行处理，从而得出超声换能器的电声转换效率。

本实施例中，处理模块优选为在计算机上基于虚拟仪器技术的图形化语言labview开发的上位机。该上位机对输入功率测量设备和辐射力天平的测量数据(输入电功率和输出声功率)进行处理与分析，从而方便、快捷地获取超声换能器的电声转换效率。

优选的，处理模块与输入电功率测量模块和辐射力天平之间通过串口通信连接，从而避免电磁信号的干扰。

如图2所示，该处理模块包括：接收单元、判断单元和计算单元。其中，

接收单元接收输入电功率和输出声功率。

优选的，通过设置串口通信中各串口的读取字节数来确定接收的数据(包括输入电功率和输出声功率)的不同精度。

判断单元判断输出声功率是否稳定。

由于在对超声换能器的电声转换效率进行测试时，经常会遇到辐射力天平读数不稳定的问题，故本实施例通过判断单元判断输出声功率是否稳定(即辐射力天平读数是否稳定)，从而减小超声换能器开始发射到完成辐射力天平读数的单次测量时间，进而降低吸收靶表面气泡的附着几率和脱气水的温升速率，减小由这两者所带来的测量误差，提高测量准确度。

具体的，本实施例中，通过在串口通信中的声功率计串口程序采用判断结构实现对输出声功率的判断。

优选的，判断单元具体用于判断相邻时刻接收的输出声功率的预定位之前的部分是否相同，若相同，则输出声功率稳定，否则输出声功率不稳定。

其中，预定位指处理模块接收的输出声功率值的某一位数，例如个位、十位、十分位、百分位等。

通过判断预定位之前的部分判断相邻时刻接收的输出声功率的变化，若预定位之前的部分相同，则变化较小，输出声功率稳定；若不同，则变化较大，输出声功率不稳定。根据对测量精度要求的不同，预定位也相应不同。优选的，预定位为千分位。

进一步优选的，判断单元在判断出输出声功率稳定后，还判断接收单元所接收的测量数据是否在时间上对应，当不对应时，继续接收测量数据，直到所接收的测量数据在时间上对应时，再进行处理，从而保证测量的准确性。

计算单元在输出声功率稳定时，根据输入电功率和输出声功率计算电声转换效率。

根据超声换能器特性测量国际标准，电声转换效率通过计算超声换能器的输出声功率与输入电功率的百分比来确定。

具体的，计算单元对电功率计获取的前向传输和反向传输电功率进行拆分处理，将数据串转化为字符串，运用拆分函数将其拆分为两个字符串，然后将拆分后的字符串转换为双精度的二维数组进行保存，采用索引函数一一提取出后，进行数值计算，得出电声转换效率。

优选的，处理模块还包括控制单元，控制超声换能器在不同频率和驱动功率下工作。

控制单元通过设置不同的测试参数，控制超声换能器在不同频率和驱动功率下工作，从而获得不同频率和驱动功率下超声换能器电声转换效率。

具体的，通过设置上位机中信号源参数便可产生不同的测试模式：(1)设置信号源起始频率、扫描步进和测量数据量，可获得不同频率下的超声换能器电声转换效率；(2)设置信号源幅值、起始频率、扫描步进和测量数据量，可获得不同驱动功率下的超声换能器电声转换效率。

优选的，处理模块还包括测量信息录入模块，控制单元根据测量信息录入模块中所录入的测量信息控制超声换能器的工作。

优选的，处理模块还包括显示单元，通过xy图控件保存并显示超声换能器的电声转换效率。

labview提供了多种数据图形显示控件，本实施例采用xy图控件，通过捆绑函数灵活改变波形显示的x，y变量，同时选择条件结构，利用布尔变量动态控制波形显示，调用xy图控件节点实现波形的保存。

优选的，处理模块还包括系统维护模块，自行检测系统运行是否正常，在发生故障时及时报警。

可以理解的是，电声转换效率测量装置还可包括函数发生器、功率放大器等电功率驱动设备。控制单元控制函数发生器产生激励信号，再经功率放大器放大，产生电功率驱动信号，并通过定向耦合器施加给待测的超声换能器，输出声功率。

需要说明的是，本实施例中的输入电功率测量模块、辐射力天平和电功率驱动设备等在20khz-20mhz的宽频带范围内工作，从而保证超声换能器电声转换效率的测试带宽。

本实施例提供的电声转换效率测量装置，通过处理模块对输入电功率测量模块和辐射力天平的测量数据进行判断、计算等处理，从而得出超声换能器的电声转换效率。通过该电声转换效率测量装置测量超声换能器的电声转换效率，相较于现有技术中的人工测量，可以更快速地对所测出的声功率的稳定性进行判断，从而降低吸收靶表面气泡的附着几率和脱气水的温升速率，进而提高测量的准确性和测量系统的稳定性。同时，电声转换效率测量装置中采用串口通信，避免了电磁信号的干扰。

实施例2：

如图3和4所示，本实施例提供一种超声换能器的电声转换效率测量方法，可通过实施例1提供的电声转换效率测量装置对超声换能器的电声转换效率进行测量。

如图3所示，该电声转换效率测量方法包括：

s1、处理模块接收输入电功率测量模块测量的超声换能器的输入电功率和辐射力天平测量的超声换能器的输出声功率。

优选的，s1之前，还包括：处理模块控制超声换能器在不同频率和驱动功率下工作。

控制单元通过设置不同的测试参数，控制超声换能器在不同频率和驱动功率下工作，从而获得不同频率和驱动功率下超声换能器电声转换效率。

s2、处理模块判断输出声功率是否稳定；

优选的，s2包括：辐射力天平的测量精确度至少为千分位；处理模块判断相邻时刻接收的输出声功率的千分位之前的部分是否相同，若相同，则输出声功率稳定，否则输出声功率不稳定。

通过判断千分位之前的部分判断相邻时刻接收的输出声功率的变化，若千分位之前的部分相同，则变化较小，输出声功率稳定；若不同，则变化较大，输出声功率不稳定。可以理解的是，若输出声功率不稳定，则重复s1继续接收测量数据，直到输出声功率稳定再进行处理，从而避免因输出声功率不稳定造成测量不准确。

进一步优选的，判断单元在判断出输出声功率稳定后，还判断接收单元所接收的测量数据是否在时间上对应，当不对应时，继续接收测量数据，直到所接收的测量数据在时间上对应时，再进行处理，从而保证测量的准确性。

s3、当输出声功率稳定时，处理模块根据输入电功率和输出声功率计算电声转换效率。

具体的，计算单元对电功率计获取的前向和反向电功率进行拆分处理，将数据串转化为字符串，运用拆分函数将其拆分为两个字符串，然后将拆分后的字符串转换为双精度的二维数组进行保存，采用索引函数一一提取出后，进行数值计算，得出电声转换效率。

优选的，电声转换效率测量方法还包括：s4、处理模块通过xy图控件保存并显示超声换能器的电声转换效率。

具体的，显示单元采用xy图控件，通过捆绑函数灵活改变波形显示的x，y变量，同时选择条件结构，利用布尔变量动态控制波形显示，调用xy图控件节点实现波形的保存，显示界面如图4所示。

基于本实施例提供的电声转换效率测量方法，选取表1中的设备测量了超声换能器在不同频率和驱动功率下的电声转换效率，通过计算测量结果的变异系数对系统的稳定性进行了分析，并与人工测试方法作对照，结果表明本测试系统具有较好的准确性，且单次测试时间缩短了5倍以上。其中，在驱动功率分别为10w、20w和30w情况下，本实施例所提供的超声测量设备方法(变异系数分别为4.06％、4.31％、4.65％)比人工测(变异系数分别为4.14％、4.69％、5.83％)更稳定，满足测试系统应用需求。

表1电声转换效率测量装置

本实施例提供的电声转换效率测量方法通过处理模块对输入电功率测量模块和辐射力天平的测量数据进行判断、计算等处理，从而得出超声换能器的电声转换效率。通过该电声转换效率测量装置测量超声换能器的电声转换效率，相较于现有技术中的人工测量，可以更快速地对所测出的声功率的稳定性进行判断，从而降低吸收靶表面气泡的附着几率和脱气水的温升速率，进而提高测量的准确性和测量系统的稳定性。同时，电声转换效率测量装置中采用串口通信，避免了电磁信号的干扰。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。