專利名稱：一種矩形超聲換能器聲場仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲換能器的聲場特性研究技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及ー種矩形超聲換能器聲場仿真方法。
背景技術(shù)：
超聲換能器常用于エ業(yè)無損檢測中，超聲換能器的性能在エ業(yè)無損檢測中起著非常重要的作用，其中聲場的聲壓分布特性是衡量超聲換能器的重要性能之一，它對缺陷檢測的分辨率、定位和尺寸的判斷有著極大的影響。因此在超聲換能器的設(shè)計和使用前選擇過程中，有必要提前知道超聲換能器輻射聲場在空間的分布情況，包括近場區(qū)長度、聲軸線上的聲壓分布等。現(xiàn)有技術(shù)中，為了得到超聲換能器的聲壓分布，主要采用測量的辦法，如輻射カ法、水聽器法、光纖檢測法和小球反射法等，這些測量方法都需要在設(shè)計并加工制造出樣品后采用實物才能進行測量，而且無論哪種測量方法都需要專業(yè)的儀器和設(shè)備，耗費大量人力物力。為了解決這些問題，ー些研究人員開始研究超聲換能器聲場仿 真方法，對于圓形超聲換能器，斯蒂帕尼森(P. R. Stepanishen)早在1971第49期的美國聲學學報(Journal of the Acoustical Society of America)中的第 841-849 頁，就發(fā)表了文章《剛性無限平面障板活塞源的時變カ和福射阻抗》(The time-dependent forceand radiation impedance on a piston in a rigid infinite planar baffleノ，提出,一種空間脈沖響應的仿真模型，但是對于矩形超聲換能器，因為矩形超聲換能器需要用長和寬兩個參數(shù)進行描述，因此仿真較為復雜，目前尚沒有其空間聲壓的簡便仿真方法；奧切爾(K. B. Ocheltree)和弗里澤爾(L. A. Frizzel)在1989年第36期的IEEE超聲學、鐵電體和頻率控制(IEEE Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control)期刊中的第242-248頁,發(fā)表了文章《矩形超聲換能器的聲場仿真》(Sound Field Calculation forRectangular Sources),將矩形超聲換能器分割成微小陣元,各陣元滿足遠場近似的條件，然后將所有陣元的空間脈沖響應求和，得到矩形換能器的脈沖響應，這樣得到聲壓是近似的，會影響聲場計算準確性，而且仿真過程復雜，仿真效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供ー種矩形超聲換能器聲場仿真方法，其設(shè)計新穎合理，實現(xiàn)方便且成本低，仿真效率高、準確度高，能夠為優(yōu)化矩形換能器的設(shè)計和制定無損檢測エ藝提供理論依據(jù)，實用性強，使用效果好，推廣應用價值高。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是ー種矩形超聲換能器聲場仿真方法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟一、建立空間直角坐標系以矩形超聲換能器AB⑶的中心為坐標圓點，過矩形超聲換能器AB⑶的中心且平行于矩形超聲換能器AB⑶的長邊BC和DA的直線為X軸，過矩形超聲換能器AB⑶的中心且平行于矩形超聲換能器AB⑶的寬邊AB和⑶的直線為Y軸，過矩形超聲換能器AB⑶的中心且垂直于矩形超聲換能器AB⑶所在平面的直線為Z軸，建立空間直角坐標系；其中，矩形超聲換能器ABCD的頂點A位于由X軸和Y軸構(gòu)成的平面直角坐標系的第四象限內(nèi)，矩形超聲換能器ABCD的頂點B位于由X軸和Y軸構(gòu)成的平面直角坐標系的第一象限內(nèi)，矩形超聲換能器ABCD的頂點C位于由X軸和Y軸構(gòu)成的平面直角坐標系的第二象限內(nèi)，矩形超聲換能器ABCD的頂點D位于由X軸和Y軸構(gòu)成的平面直角坐標系的第三象限內(nèi)；步驟ニ、對由X軸和Y軸構(gòu)成的平面直角坐標系的第四象限進行區(qū)域劃分以矩形超聲換能器AB⑶的頂點A為中心，將第四象限劃分為如下四個區(qū)域I區(qū)a〈x，y<-b, II區(qū)a < x, _b < y < 0,111 區(qū)0 ^ x<a, _b〈y ^ 0, IV區(qū)0 < x < a, y < _b ;其中，a 為矩形
超聲換能器AB⑶的長邊BC和DA的長度的I，b為矩形超聲換能器AB⑶的寬邊AB和⑶的長度的I;步驟三、采用計算機且在仿真軟件環(huán)境下對矩形超聲換能器ABCD的聲場進行仿 真，其聲場仿真具體過程如下步驟301、初始參數(shù)設(shè)定與存儲采用計算機的參數(shù)輸入裝置將矩形超聲換能器AB⑶的長邊BC和DA的長度2a、寬邊AB和⑶的長度2b，以及矩形超聲換能器AB⑶所處空間中的介質(zhì)密度P和超聲波在所述介質(zhì)中的傳播速度c輸入至計算機，并通過所述計算機將輸入的數(shù)據(jù)同步存儲到數(shù)據(jù)存儲器中；步驟302、矩形超聲換能器AB⑶的聲場輻射空間內(nèi)任意一點P(x，y, z)的坐標設(shè)定采用計算機的參數(shù)輸入裝置將矩形超聲換能器ABCD的聲場輻射空間內(nèi)任意一點P(x, y, z)的橫坐標X、縱坐標Y和豎坐標z輸入至計算機；其中，z>0;步驟303、點P(x，y, z)的位置判斷及映射所述計算機調(diào)用空間點位置判斷模塊判斷點P(x，y，Z)位于空間直角坐標系的哪ー個卦限內(nèi)并得出判斷結(jié)果；當判斷得出點P(x, y, z)位于空間直角坐標系的第一卦限、第二卦限或第三卦限內(nèi)時，先將點P(x，y，z)映射到由X軸、Y軸和Z軸構(gòu)成的空間直角坐標系中的第四卦限中，得到點P" (X’，y’，z’)，再將點P" (x’，y’，z’)映射到由X軸和Y軸構(gòu)成的平面直角坐標系的第四象限中，得到投影點P’(x’，y');當判斷得出點P(x，y，z)位于空間直角坐標系的第四卦限內(nèi)時，直接將點PU，y, z)映射到由X軸和Y軸構(gòu)成的平面直角坐標系的第四象限中，得到投影點P’(X，，y，);其中，X’ = I X I , y’ =_ I y I ； 步驟304、確定由X軸和Y軸構(gòu)成的平面直角坐標系的第四象限中的IV區(qū)中任意ー個投影點P’ (X，，y，)所對應的空間點P(x, y, z)對換能器的空間脈沖響應h(x, y, z, t)與點P(x, y, z)的橫坐標X、縱坐標y和豎坐標z,以及a和b的函數(shù)關(guān)系h(x, y, z, t) =rec_response (x, y, z, a, b)，其確定過程如下步驟3041、以投影點P’(x’，y’)為圓心，r =如)2 -z2為半徑畫投影圓，記錄投影圓與矩形超聲換能器ABCD的長邊BC的切點F和投影圓與矩形超聲換能器ABCD的長邊DA的切點E，并定義矩形超聲換能器ABCD的頂點A、頂點B、頂點C、頂點D以及切點F和切點E為空間內(nèi)任意一點P對矩形超聲換能器ABCD的空間脈沖響應的不連續(xù)點；其中，t為任意時刻；
步驟3042、根據(jù)如下公式計算投影點P’(X’，y’)到達各不連續(xù)點的時刻投影點P，(X，，y’)到達E點的時亥Ij tE=d4/c,投影點P’(X’，デ)到達A點的時刻
權(quán)利要求
1.ー種矩形超聲換能器聲場仿真方法，其特征在于該方法包括以下步驟 步驟一、建立空間直角坐標系以矩形超聲換能器AB⑶的中心為坐標圓點，過矩形超聲換能器AB⑶的中心且平行于矩形超聲換能器AB⑶的長邊BC和DA的直線為X軸，過矩形超聲換能器AB⑶的中心且平行于矩形超聲換能器AB⑶的寬邊AB和⑶的直線為Y軸，過矩形超聲換能器AB⑶的中心且垂直于矩形超聲換能器AB⑶所在平面的直線為Z軸，建立空間直角坐標系；其中，矩形超聲換能器ABCD的頂點A位于由X軸和Y軸構(gòu)成的平面直角坐標系的第四象限內(nèi)，矩形超聲換能器ABCD的頂點B位于由X軸和Y軸構(gòu)成的平面直角坐標系的第一象限內(nèi)，矩形超聲換能器ABCD的頂點C位于由X軸和Y軸構(gòu)成的平面直角坐標系的第二象限內(nèi)，矩形超聲換能器ABCD的頂點D位于由X軸和Y軸構(gòu)成的平面直角坐標系的第三象限內(nèi)； 步驟ニ、對由X軸和Y軸構(gòu)成的平面直角坐標系的第四象限進行區(qū)域劃分以矩形超聲換能器AB⑶的頂點A為中心，將第四象限劃分為如下四個區(qū)域I區(qū)a〈x，y<-b, II區(qū)a < X，_b < y < O,III區(qū)0 ^ x<a, _b〈y ^ 0, IV區(qū)0 < x < a, y < _b ;其中，a 為矩形超聲換能器AB⑶的長邊BC和DA的長度的I，b為矩形超聲換能器AB⑶的寬邊AB和⑶的長度的！， 步驟三、采用計算機且在仿真軟件環(huán)境下對矩形超聲換能器ABCD的聲場進行仿真，其聲場仿真具體過程如下 步驟301、初始參數(shù)設(shè)定與存儲采用計算機的參數(shù)輸入裝置將矩形超聲換能器ABCD的長邊BC和DA的長度2a、寬邊AB和⑶的長度2b，以及矩形超聲換能器AB⑶所處空間中的介質(zhì)密度P和超聲波在所述介質(zhì)中的傳播速度c輸入至計算機，并通過所述計算機將輸入的數(shù)據(jù)同步存儲到數(shù)據(jù)存儲器中； 步驟302、矩形超聲換能器AB⑶的聲場輻射空間內(nèi)任意一點P (X，y, z)的坐標設(shè)定采用計算機的參數(shù)輸入裝置將矩形超聲換能器ABCD的聲場輻射空間內(nèi)任意一點P(x，y, z)的橫坐標X、縱坐標y和豎坐標z輸入至計算機；其中，z>0; 步驟303、點P(x，y，z)的位置判斷及映射所述計算機調(diào)用空間點位置判斷模塊判斷點P(x，y, z)位于空間直角坐標系的哪ー個卦限內(nèi)并得出判斷結(jié)果；當判斷得出點P(x, y, z)位于空間直角坐標系的第一卦限、第二卦限或第三卦限內(nèi)時，先將點P(x，y，z)映射到由X軸、Y軸和Z軸構(gòu)成的空間直角坐標系中的第四卦限中，得到點P" (X’，y’，z’)，再將點P" (x’，y’，z’)映射到由X軸和Y軸構(gòu)成的平面直角坐標系的第四象限中，得到投影點P’(x’，W );當判斷得出點P(x，y，z)位于空間直角坐標系的第四卦限內(nèi)時，直接將點P(x，y，z)映射到由X軸和Y軸構(gòu)成的平面直角坐標系的第四象限中，得到投影點P’(X，，y，);其中，X’ = IXI，y’ =-1y I ； 步驟304、確定由X軸和Y軸構(gòu)成的平面直角坐標系的第四象限中的IV區(qū)中任意一個投影點P’ (X，，y，)所對應的空間點Ρ(χ, y, z)對換能器的空間脈沖響應h(x, y, z, t)與點P(x, y, z)的橫坐標X、縱坐標Y和豎坐標z,以及a和b的函數(shù)關(guān)系h(x, y, z, t) =rec_response (x, y, z, a, b)，其確定過程如下 步驟3041、以投影點P’(x’，y’)為圓心，r = Ac/)2-夕為半徑畫投影圓，記錄投影圓與矩形超聲換能器ABCD的長邊BC的切點F和投影圓與矩形超聲換能器ABCD的長邊DA的切點E，并定義矩形超聲換能器ABCD的頂點A、頂點B、頂點C、頂點D以及切點F和切點E為空間內(nèi)任意一點P對矩形超聲換能器ABCD的空間脈沖響應的不連續(xù)點；其中，t為任意時刻； 步驟3042、根據(jù)如下公式計算投影點P’(X’，f )到達各不連續(xù)點的時刻 投影點P’ (X，，y’)到達E點的時亥ij tE=d4/c, 投影點P’(X’，y’)到達A點的時刻:
2.按照權(quán)利要求I所述的ー種矩形超聲換能器聲場仿真方法，其特征在于步驟三種所述仿真軟件為MATLAB軟件。
3.按照權(quán)利要求I所述的ー種矩形超聲換能器聲場仿真方法，其特征在于步驟·306中矩形超聲換能器的振動特性Vsひ)=0.5(l-cos(￥))sin(2;r/0，其中，t為任意時刻且·0〈t〈T，T為激勵信號的持續(xù)時間，f為激勵信號的中心頻率。
4.按照權(quán)利要求I所述的ー種矩形超聲換能器聲場仿真方法，其特征在于步驟308中所述設(shè)定橫截面為矩形超聲換能器ABCD聲軸線上多個空間點對換能器的多個聲壓最大值中的極大值對應的空間點所在的橫截面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種矩形超聲換能器聲場仿真方法，包括以下步驟一、建立空間直角坐標系；二、對第四象限進行區(qū)域劃分；三、采用計算機且在仿真軟件環(huán)境下對矩形超聲換能器的聲場進行仿真，具體為301、初始參數(shù)設(shè)定與存儲，302、聲場輻射空間內(nèi)任意一點P(x,y,z)的坐標設(shè)定，303、點P(x,y,z)的位置判斷及映射，304、確定函數(shù)關(guān)系h(x,y,z,t)=rec_response(x,y,z,a,b)，305、空間點P(x,y,z)對換能器的空間脈沖響應h(x,y,z,t)的確定，306、空間點P(x,y,z)對換能器的瞬態(tài)聲壓p(x,y,z,t)的確定，307、空間點P(x,y,z)對換能器的聲壓最大值pmax(x,y,z)的確定，308、矩形超聲換能器聲壓分布規(guī)律的確定。本發(fā)明設(shè)計新穎合理，實現(xiàn)方便且成本低，仿真效率高、準確度高，為優(yōu)化矩形換能器的設(shè)計和制定無損檢測工藝提供了理論依據(jù)，實用性強。
文檔編號G06F17/50GK102867099SQ201210374559
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者馬宏偉, 董明, 陳淵, 毛清華, 齊愛玲 申請人:西安科技大學