专利名称：一种矩形超声换能器声场仿真方法
技术领域：
本发明涉及超声换能器的声场特性研究技术领域，尤其是涉及ー种矩形超声换能器声场仿真方法。
背景技术：
超声换能器常用于エ业无损检测中，超声换能器的性能在エ业无损检测中起着非常重要的作用，其中声场的声压分布特性是衡量超声换能器的重要性能之一，它对缺陷检测的分辨率、定位和尺寸的判断有着极大的影响。因此在超声换能器的设计和使用前选择过程中，有必要提前知道超声换能器辐射声场在空间的分布情况，包括近场区长度、声轴线上的声压分布等。现有技术中，为了得到超声换能器的声压分布，主要采用测量的办法，如辐射カ法、水听器法、光纤检测法和小球反射法等，这些测量方法都需要在设计并加工制造出样品后采用实物才能进行测量，而且无论哪种測量方法都需要专业的仪器和设备，耗费大量人力物力。为了解决这些问题，ー些研究人员开始研究超声换能器声场仿 真方法，对于圆形超声换能器，斯蒂帕尼森(P. R. Stepanishen)早在1971第49期的美国声学学报(Journal of the Acoustical Society of America)中的第 841-849 页，就发表了文章《刚性无限平面障板活塞源的时变カ和福射阻抗》(The time-dependent forceand radiation impedance on a piston in a rigid infinite planar baffleノ，提出,一种空间脉冲响应的仿真模型，但是对于矩形超声换能器，因为矩形超声换能器需要用长和宽两个參数进行描述，因此仿真较为复杂，目前尚没有其空间声压的简便仿真方法；奥切尔(K. B. Ocheltree)和弗里泽尔(L. A. Frizzel)在1989年第36期的IEEE超声学、铁电体和频率控制(IEEE Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control)期刊中的第242-248页,发表了文章《矩形超声换能器的声场仿真》(Sound Field Calculation forRectangular Sources),将矩形超声换能器分割成微小阵元,各阵元满足远场近似的条件，然后将所有阵元的空间脉冲响应求和，得到矩形换能器的脉冲响应，这样得到声压是近似的，会影响声场计算准确性，而且仿真过程复杂，仿真效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供ー种矩形超声换能器声场仿真方法，其设计新颖合理，实现方便且成本低，仿真效率高、准确度高，能够为优化矩形换能器的设计和制定无损检测エ艺提供理论依据，实用性强，使用效果好，推广应用价值高。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是ー种矩形超声换能器声场仿真方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、建立空间直角坐标系以矩形超声换能器AB⑶的中心为坐标圆点，过矩形超声换能器AB⑶的中心且平行于矩形超声换能器AB⑶的长边BC和DA的直线为X轴，过矩形超声换能器AB⑶的中心且平行于矩形超声换能器AB⑶的宽边AB和⑶的直线为Y轴，过矩形超声换能器AB⑶的中心且垂直于矩形超声换能器AB⑶所在平面的直线为Z轴，建立空间直角坐标系；其中，矩形超声换能器ABCD的顶点A位于由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第四象限内，矩形超声换能器ABCD的顶点B位于由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第一象限内，矩形超声换能器ABCD的顶点C位于由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第二象限内，矩形超声换能器ABCD的顶点D位于由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第三象限内；步骤ニ、对由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第四象限进行区域划分以矩形超声换能器AB⑶的顶点A为中心，将第四象限划分为如下四个区域I区a〈x，y<-b, II区a < x, _b < y < 0,111 区0 ^ x<a, _b〈y ^ 0, IV区0 < x < a, y < _b ;其中，a 为矩形
超声换能器AB⑶的长边BC和DA的长度的I，b为矩形超声换能器AB⑶的宽边AB和⑶的长度的I;步骤三、采用计算机且在仿真软件环境下对矩形超声换能器ABCD的声场进行仿 真，其声场仿真具体过程如下步骤301、初始參数设定与存储采用计算机的參数输入装置将矩形超声换能器AB⑶的长边BC和DA的长度2a、宽边AB和⑶的长度2b，以及矩形超声换能器AB⑶所处空间中的介质密度P和超声波在所述介质中的传播速度c输入至计算机，并通过所述计算机将输入的数据同步存储到数据存储器中；步骤302、矩形超声换能器AB⑶的声场辐射空间内任意一点P(x，y, z)的坐标设定采用计算机的參数输入装置将矩形超声换能器ABCD的声场辐射空间内任意一点P(x, y, z)的横坐标X、纵坐标Y和竖坐标z输入至计算机；其中，z>0;步骤303、点P(x，y, z)的位置判断及映射所述计算机调用空间点位置判断模块判断点P(x，y，Z)位于空间直角坐标系的哪ー个卦限内并得出判断结果；当判断得出点P(x, y, z)位于空间直角坐标系的第一卦限、第二卦限或第三卦限内时，先将点P(x，y，z)映射到由X轴、Y轴和Z轴构成的空间直角坐标系中的第四卦限中，得到点P" (X’，y’，z’)，再将点P" (x’，y’，z’)映射到由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第四象限中，得到投影点P’(x’，y');当判断得出点P(x，y，z)位于空间直角坐标系的第四卦限内时，直接将点PU，y, z)映射到由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第四象限中，得到投影点P’(X，，y，);其中，X’ = I X I , y’ =_ I y I ； 步骤304、确定由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第四象限中的IV区中任意ー个投影点P’ (X，，y，)所对应的空间点P(x, y, z)对换能器的空间脉冲响应h(x, y, z, t)与点P(x, y, z)的横坐标X、纵坐标y和竖坐标z,以及a和b的函数关系h(x, y, z, t) =rec_response (x, y, z, a, b)，其确定过程如下步骤3041、以投影点P’(x’，y’)为圆心，r =如)2 -z2为半径画投影圆，记录投影圆与矩形超声换能器ABCD的长边BC的切点F和投影圆与矩形超声换能器ABCD的长边DA的切点E，并定义矩形超声换能器ABCD的顶点A、顶点B、顶点C、顶点D以及切点F和切点E为空间内任意一点P对矩形超声换能器ABCD的空间脉冲响应的不连续点；其中，t为任意时刻；
步骤3042、根据如下公式计算投影点P’(X’，y’)到达各不连续点的时刻投影点P，(X，，y’)到达E点的时亥Ij tE=d4/c,投影点P’(X’，デ)到达A点的时刻
权利要求
1.ー种矩形超声换能器声场仿真方法，其特征在于该方法包括以下步骤 步骤一、建立空间直角坐标系以矩形超声换能器AB⑶的中心为坐标圆点，过矩形超声换能器AB⑶的中心且平行于矩形超声换能器AB⑶的长边BC和DA的直线为X轴，过矩形超声换能器AB⑶的中心且平行于矩形超声换能器AB⑶的宽边AB和⑶的直线为Y轴，过矩形超声换能器AB⑶的中心且垂直于矩形超声换能器AB⑶所在平面的直线为Z轴，建立空间直角坐标系；其中，矩形超声换能器ABCD的顶点A位于由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第四象限内，矩形超声换能器ABCD的顶点B位于由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第一象限内，矩形超声换能器ABCD的顶点C位于由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第二象限内，矩形超声换能器ABCD的顶点D位于由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第三象限内； 步骤ニ、对由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第四象限进行区域划分以矩形超声换能器AB⑶的顶点A为中心，将第四象限划分为如下四个区域I区a〈x，y<-b, II区a < X，_b < y < O,III区0 ^ x<a, _b〈y ^ 0, IV区0 < x < a, y < _b ;其中，a 为矩形超声换能器AB⑶的长边BC和DA的长度的I，b为矩形超声换能器AB⑶的宽边AB和⑶的长度的！， 步骤三、采用计算机且在仿真软件环境下对矩形超声换能器ABCD的声场进行仿真，其声场仿真具体过程如下 步骤301、初始參数设定与存储采用计算机的參数输入装置将矩形超声换能器ABCD的长边BC和DA的长度2a、宽边AB和⑶的长度2b，以及矩形超声换能器AB⑶所处空间中的介质密度P和超声波在所述介质中的传播速度c输入至计算机，并通过所述计算机将输入的数据同步存储到数据存储器中； 步骤302、矩形超声换能器AB⑶的声场辐射空间内任意一点P (X，y, z)的坐标设定采用计算机的參数输入装置将矩形超声换能器ABCD的声场辐射空间内任意一点P(x，y, z)的横坐标X、纵坐标y和竖坐标z输入至计算机；其中，z>0; 步骤303、点P(x，y，z)的位置判断及映射所述计算机调用空间点位置判断模块判断点P(x，y, z)位于空间直角坐标系的哪ー个卦限内并得出判断結果；当判断得出点P(x, y, z)位于空间直角坐标系的第一卦限、第二卦限或第三卦限内时，先将点P(x，y，z)映射到由X轴、Y轴和Z轴构成的空间直角坐标系中的第四卦限中，得到点P" (X’，y’，z’)，再将点P" (x’，y’，z’)映射到由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第四象限中，得到投影点P’(x’，W );当判断得出点P(x，y，z)位于空间直角坐标系的第四卦限内时，直接将点P(x，y，z)映射到由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第四象限中，得到投影点P’(X，，y，);其中，X’ = IXI，y’ =-1y I ； 步骤304、确定由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第四象限中的IV区中任意一个投影点P’ (X，，y，)所对应的空间点Ρ(χ, y, z)对换能器的空间脉冲响应h(x, y, z, t)与点P(x, y, z)的横坐标X、纵坐标Y和竖坐标z,以及a和b的函数关系h(x, y, z, t) =rec_response (x, y, z, a, b)，其确定过程如下 步骤3041、以投影点P’(x’，y’)为圆心，r = Ac/)2-夕为半径画投影圆，记录投影圆与矩形超声换能器ABCD的长边BC的切点F和投影圆与矩形超声换能器ABCD的长边DA的切点E，并定义矩形超声换能器ABCD的顶点A、顶点B、顶点C、顶点D以及切点F和切点E为空间内任意一点P对矩形超声换能器ABCD的空间脉冲响应的不连续点；其中，t为任意时刻； 步骤3042、根据如下公式计算投影点P’(X’，f )到达各不连续点的时刻 投影点P’ (X，，y’)到达E点的时亥ij tE=d4/c, 投影点P’(X’，y’)到达A点的时刻:
2.按照权利要求I所述的ー种矩形超声换能器声场仿真方法，其特征在于步骤三种所述仿真软件为MATLAB软件。
3.按照权利要求I所述的ー种矩形超声换能器声场仿真方法，其特征在于步骤·306中矩形超声换能器的振动特性Vsひ)=0.5(l-cos(￥))sin(2;r/0，其中，t为任意时刻且·0〈t〈T，T为激励信号的持续时间，f为激励信号的中心频率。
4.按照权利要求I所述的ー种矩形超声换能器声场仿真方法，其特征在于步骤308中所述设定横截面为矩形超声换能器ABCD声轴线上多个空间点对换能器的多个声压最大值中的极大值对应的空间点所在的横截面。
全文摘要
本发明公开了一种矩形超声换能器声场仿真方法，包括以下步骤一、建立空间直角坐标系；二、对第四象限进行区域划分；三、采用计算机且在仿真软件环境下对矩形超声换能器的声场进行仿真，具体为301、初始参数设定与存储，302、声场辐射空间内任意一点P(x,y,z)的坐标设定，303、点P(x,y,z)的位置判断及映射，304、确定函数关系h(x,y,z,t)=rec_response(x,y,z,a,b)，305、空间点P(x,y,z)对换能器的空间脉冲响应h(x,y,z,t)的确定，306、空间点P(x,y,z)对换能器的瞬态声压p(x,y,z,t)的确定，307、空间点P(x,y,z)对换能器的声压最大值pmax(x,y,z)的确定，308、矩形超声换能器声压分布规律的确定。本发明设计新颖合理，实现方便且成本低，仿真效率高、准确度高，为优化矩形换能器的设计和制定无损检测工艺提供了理论依据，实用性强。
文档编号G06F17/50GK102867099SQ201210374559
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者马宏伟, 董明, 陈渊, 毛清华, 齐爱玲 申请人:西安科技大学