一种声场测量机械轴与声束准直轴平行方法及系统与流程

本发明涉及水听器对准技术领域，尤其涉及一种声场测量机械轴与声束准直轴平行方法及系统。

背景技术：

标准jjf1518<<医用超声声场测量系统校准规范>>与gb/t16540<<声学-在0.5～15mhz频率范围内的超声场特性及其测量-水听器法>>中，使用水听器法进行声场测量，均有对水听器定位系统与使用方式的描述，“水听器安装在三维定位系统上,定位系统可沿xyz三个直角坐标系平移，调整后，其中一个轴应与声束准直轴平行”。其中在gb/t16540<<声学-在0.5～15mhz频率范围内的超声场特性及其测量-水听器法>>中7.2章节、7.3章节、附录a1.3都涉及到关于水听器定位调整的方式方法。详阅标准，其并未给出任一种机械轴与声束准直轴平行的方式方法描述，所涉内容仅起指导作用。

如公开号为cn102279044a的专利公开了一种在超声换能器声场测量中水听器与声轴自动准直的方法。在利用水听器测量换能器的轴向声压时，需要对水听器和换能器轴向进行准直，使换能器几何轴线与水听器接收方向轴线重合，通常都是采用手工调整，目测信号准直的方法。上述方案虽然可以实现水听器与声轴的自动准直，但该准直方法仅是在某个平面上寻找与声轴相交点的位置。从本质上是已然无法实现机械轴与声束准直轴平行的，上述方案强调单个声轴点的寻找，在实际声场测试过程中，实现机械轴与声束准直轴的平行，对后续声场测试的准确性和便捷性，至关重要。

针对上述技术问题，本发明提出一种声场测量机械轴与声束准直轴平行方法及系统。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种声场测量机械轴与声束准直轴平行方法及系统。对超声脉冲声场进行模型分析，在声场“近场”与“远场”处，分别寻找垂直于声束准直轴平面的声场波形幅值最大的两个位置点，两点所确定的直线即为声场的声束准直轴，通过调整换能器角度，即改变声束准直轴方向，达到声束准直轴与机械轴重合，在垂直于声束准直轴平面的其余位置处，机械轴与声束准直轴平行的目的。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种声场测量机械轴与声束准直轴平行方法，包括：

s1.调整换能器与水听器的相对平行位置；

s2.记录与水听器连接的三维定位系统在近场处xy轴方向搜索的声场波形最高幅值位置坐标；

s3.将水听器沿机械z轴方向移动至远场，并调整换能器角度，使水听器接收到声场波形最高幅值；

s4.将水听器沿机械z轴方向移动至近场，并记录与水听器连接的三维定位系统在近场处xy轴方向搜索的声场波形最高幅值位置坐标；

s5.将水听器沿机械z轴方向移动至远场，并记录与水听器连接的三维定位系统在远场处xy轴方向搜索的声场波形最高幅值位置坐标；

s6.计算步骤s4中记录的近场处的声场波形最高幅值位置坐标与步骤s5中记录的远场处的声场波形最高幅值位置坐标的误差，并判断计算得到的误差是否在λ/2内，若否，则执行步骤s3；若是，则得到机械z轴与换能器声束准直轴平行。

进一步的，所述步骤s2、步骤s4、步骤s5的具体方式均包括：

记录与水听器连接的三维定位系统在x轴方向搜索的声场波形最高幅值位置，并使三维定位系统带动水听器停止在x轴方向声场波形最高幅值的位置处；

驱动与水听器连接的三维定位系统沿当前停止位置的y轴方向进行搜索，记录在y轴搜索的声场波形最高幅值位置，并使三维定位系统停止在y轴方向声场波形最高幅值的位置处。

进一步的，所述步骤s1具体为：建立水听器与换能器的空间坐标，调整换能器发射角度。

进一步的，所述步骤s6中计算步骤s4中记录的近场处的声场波形最高幅值位置坐标与步骤s5中记录的远场处的声场波形最高幅值位置坐标的误差是通过计算机辅助软件计算的。

进一步的，所述声场波形是通过波形采集器监测和记录的。

相应的，还提供一种声场测量机械轴与声束准直轴平行系统，包括：

第一调整模块，用于调整换能器与水听器的相对平行位置；

第一记录模块，用于记录与水听器连接的三维定位系统在近场处xy轴方向搜索的声场波形最高幅值位置坐标；

第二调整模块，用于将水听器沿机械z轴方向移动至远场，并调整换能器角度，使水听器接收到声场波形最高幅值；

第二记录模块，用于将水听器沿机械z轴方向移动至近场，并记录与水听器连接的三维定位系统在近场处xy轴方向搜索的声场波形最高幅值位置坐标；

第三记录模块，用于将水听器沿机械z轴方向移动至远场，并记录与水听器连接的三维定位系统在远场处xy轴方向搜索的声场波形最高幅值位置坐标；

计算模块，用于计算第二记录模块中记录的近场处的声场波形最高幅值位置坐标与第三记录模块中记录的远场处的声场波形最高幅值位置坐标的误差，并判断计算得到的误差是否在λ/2内，若是，则得到机械z轴与换能器声束准直轴平行。

进一步的，所述第一记录模块、第二记录模块、第三记录模块的具体方式均包括：

第一搜索模块，用于记录与水听器连接的三维定位系统在x轴方向搜索的声场波形最高幅值位置，并使三维定位系统带动水听器停止在x轴方向声场波形最高幅值的位置处；

第二搜索模块，用于驱动与水听器连接的三维定位系统沿当前停止位置的y轴方向进行搜索，记录在y轴方向搜索的声场波形最高幅值位置，并使三维定位系统停止在y轴声场波形最高幅值的位置处。

进一步的，所述第一调整模块中调整换能器与水听器的相对平行位置具体为：建立水听器与换能器的空间坐标，调整换能器发射角度。

进一步的，所述计算模块中计算第二记录模块中记录的近场处的声场波形最高幅值位置坐标与第三记录模块中记录的远场处的声场波形最高幅值位置坐标的误差是通过计算机辅助软件计算的。

进一步的，所述声场波形是通过波形采集器监测和记录的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明基于定位系统的自动化，实现声束准直轴与机械轴重合的同时，缩短声场测试时间；

2、声束准直轴与机械轴对齐后的声场模型易于建立，数据易于分析；

3、计算机辅助系统自动记录、比较平面各点波形幅值，声场测试精确度高；

4、计算机辅助系统执行最终判据，提高结果准确度。

附图说明

图1是实施例一提供的一种声场测量机械轴与声束准直轴平行方法流程图；

图2是实施例一提供的水听器与换能器的空间坐标建立示意图；

图3是实施例一提供的水听器三维定位系统在“近场”处示意图；

图4是实施例一提供的水听器沿z轴从移动至“远场”处示意图；

图5是实施例一提供的水听器沿z轴从移动至“近场”处示意图。

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。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种声场测量机械轴与声束准直轴平行方法及系统。

实施例一

本实施例提供的一种声场测量机械轴与声束准直轴平行方法，如图1所示，包括：

s11.调整换能器与水听器的相对平行位置；

s12.记录与水听器连接的三维定位系统在近场处xy轴方向搜索的声场波形最高幅值位置坐标；

s13.将水听器沿机械z轴方向移动至远场，并调整换能器角度，使水听器接收到声场波形最高幅值；

s14.将水听器沿机械z轴方向移动至近场，并记录与水听器连接的三维定位系统在近场处xy轴方向搜索的声场波形最高幅值位置坐标；

s15.将水听器沿机械z轴方向移动至远场，并记录与水听器连接的三维定位系统在远场处xy轴方向搜索的声场波形最高幅值位置坐标；

s16.计算步骤s14中记录的近场处的声场波形最高幅值位置坐标与步骤s15中记录的远场处的声场波形最高幅值位置坐标的误差，并判断计算得到的误差是否在λ/2内，若否，则执行步骤s13；若是，则得到机械z轴与换能器声束准直轴平行。

在本实施例中，依据近场最高幅值点与远场最高幅值点确立声束准直轴，通过不断调整探头角度，不断减小机械轴与声束准直轴空间夹角，结合三维定位系统与计算机辅助软件，精确实现两轴之间平行。本实施例以薄膜水听器为例进行详细说明。

在步骤s11中，粗略调整换能器与水听器的相对平行位置。

如图2所示，水听器中的圆点为水听器有效尺寸单元，首先建立水听器与换能器的空间坐标，建立的空间坐标的x轴、y轴、z轴为确定水听器定位的三维定位系统，其中水听器安装在三维定位系统上，当建立好空间坐标后，调整换能器发射角度，使声束准直轴与机械z轴达到“重合”的目的。

在本实施例中，声束准直轴为换能器的声束准直轴；机械z轴即空间坐标的z轴。

在步骤s12中，记录与水听器连接的三维定位系统在近场处xy轴方向搜索的声场波形最高幅值位置坐标。具体为包括：

s121.记录与水听器连接的三维定位系统在x轴方向搜索的声场波形最高幅值位置，并使三维定位系统带动水听器停止在x轴方向声场波形最高幅值的位置处；

如图3所示，三维定位系统在“近场”的位置处，先进行x轴方向搜索，计算机辅助软件驱动三维定位系统搜索场波形幅值最大位置，并记录搜索结果，此时使三维定位系统带动水听器停止在声场波形幅值最大位置处。

上述计算机辅助软件包括但不限于使用labview语言进行编写，实现电机驱动、位置记录、位置误差对比、声场波形记录与分析等功能。

其中，在超声声场特性中，水听器沿声束准直轴所接收到声场信号最强，即幅值最高。

s122.驱动与水听器连接的三维定位系统沿当前停止位置的y轴方向进行搜索，记录在y轴搜索的声场波形最高幅值位置，并使三维定位系统停止在y轴方向声场波形最高幅值的位置处。

当水听器处于x轴方向的声场波形幅值最大位置处时，将该位置的水听器沿y轴方向再进行搜索，计算机辅助软件驱动三维定位系统搜索场波形幅值最大位置，并记录搜索结果，此时使三维定位系统带动水听器停止在声场波形幅值最大位置处。

本实施例通过在x轴方向和y轴方向的搜索，得到xy轴平面搜索的声场波形最高幅值位置坐标，使三维定位系统带动水听器停止在xy轴平面的波形幅值最高位置处。

在步骤s13中，将水听器沿机械z轴方向移动至远场，并调整换能器角度，使水听器接收到声场波形最高幅值。

如图4所示，三维定位系统带动水听器沿z轴从步骤s12中停止的波形幅值最高位置处移动至“远场”，并调整换能器角度(如探头的角度)，使水听器在远场位置处获得的声场波形幅值最高。

对换能器角度(如探头的角度)调整，不限于调整方式，可手动调节，亦可借助计算机辅助软件调节，实现机械轴与声束准直轴空间夹角减小的目的。

在步骤s14中，将水听器沿机械z轴方向移动至近场，并记录与水听器连接的三维定位系统在近场处xy轴方向搜索的声场波形最高幅值位置坐标。具体包括：

s141.记录与水听器连接的三维定位系统在x轴方向搜索的声场波形最高幅值位置，并使三维定位系统带动水听器停止在x轴方向声场波形最高幅值的位置处；

如图5所示，三维定位系统在“近场”的位置处，先进行x轴方向搜索，计算机辅助软件驱动三维定位系统搜索场波形幅值最大位置，并记录搜索结果，此时使三维定位系统带动水听器停止在声场波形幅值最大位置处。

s142.驱动与水听器连接的三维定位系统沿当前停止位置的y轴方向进行搜索，记录在y轴搜索的声场波形最高幅值位置，并使三维定位系统停止在y轴方向声场波形最高幅值的位置处。

当水听器处于x轴方向的声场波形幅值最大位置处时，将该位置的水听器沿y轴方向再进行搜索，计算机辅助软件驱动三维定位系统搜索场波形幅值最大位置，并记录搜索结果，此时使三维定位系统带动水听器停止在声场波形幅值最大位置处。

本实施例通过在x轴方向和y轴方向的搜索，得到xy轴平面搜索的声场波形最高幅值位置坐标，使三维定位系统带动水听器停止在xy轴平面的波形幅值最高位置处。

在步骤s15中，将水听器沿机械z轴方向移动至远场，并记录与水听器连接的三维定位系统在远场处xy轴方向搜索的声场波形最高幅值位置坐标。具体包括：

s151.记录与水听器连接的三维定位系统在x轴方向搜索的声场波形最高幅值位置，并使三维定位系统带动水听器停止在x轴方向声场波形最高幅值的位置处；

三维定位系统在“远场”的位置处，先进行x轴方向搜索，计算机辅助软件驱动三维定位系统搜索场波形幅值最大位置，并记录搜索结果，此时使三维定位系统带动水听器停止在声场波形幅值最大位置处。

s152.驱动与水听器连接的三维定位系统沿当前停止位置的y轴方向进行搜索，记录在y轴搜索的声场波形最高幅值位置，并使三维定位系统停止在y轴方向声场波形最高幅值的位置处。

当水听器处于x轴方向的声场波形幅值最大位置处时，将该位置的水听器沿y轴方向再进行搜索，计算机辅助软件驱动三维定位系统搜索场波形幅值最大位置，并记录搜索结果，此时使三维定位系统带动水听器停止在声场波形幅值最大位置处。

本实施例通过在x轴方向和y轴方向的搜索，得到xy轴平面搜索的声场波形最高幅值位置坐标，使三维定位系统带动水听器停止在xy轴平面的波形幅值最高位置处。

在步骤s16中，计算步骤s14中记录的近场处的声场波形最高幅值位置坐标与步骤s15中记录的远场处的声场波形最高幅值位置坐标的误差，并判断计算得到的误差是否在λ/2内，若否，则执行步骤s13；若是，则得到机械z轴与换能器声束准直轴平行。

计算机辅助软件计算近场xy平面坐标与远场xy平面坐标的误差，当两处位置在xy平面的坐标误差在λ/2内(λ为超声声波在水中传播波长)，可认为机械z轴与声束准直轴“重合”；若超出判据范围，重复步骤s13。

计算机辅助软件控制水听器定位及声场波形采集分析，通过最终判据判断机械轴与声束准直轴平行，当声束准直轴与机械轴对齐后，声场模型易于建立，数据易于分析。

需要说明的是，本实施例中所涉及到的声场波形均是通过波形采集器实现声场波形监测与记录的。

在本实施例中，通过逐次逼近的方式，使声束准直轴与机械轴间的空间夹角不断减小，最终达到机械轴与声束准直轴重合(平行)的目的，通过计算机辅助软件，精确计算偏离误差，使机械轴与声束准直轴达到理想的“平行”状态，同时缩短测试时间。

实施例二

本实施例提供一种声场测量机械轴与声束准直轴平行系统，包括：

第一调整模块，用于粗略调整换能器与水听器的相对平行位置；

第一记录模块，用于记录与水听器连接的三维定位系统在近场处xy轴方向搜索的声场波形最高幅值位置坐标；

第二调整模块，用于将水听器沿机械z轴方向移动至远场，并调整换能器角度，使水听器接收到声场波形最高幅值；

第二记录模块，用于将水听器沿机械z轴方向移动至近场，并记录与水听器连接的三维定位系统在近场处xy轴方向搜索的声场波形最高幅值位置坐标；

第三记录模块，用于将水听器沿机械z轴方向移动至远场，并记录与水听器连接的三维定位系统在远场处xy轴方向搜索的声场波形最高幅值位置坐标；

计算模块，用于计算第二记录模块中记录的近场处的声场波形最高幅值位置坐标与第三记录模块中记录的远场处的声场波形最高幅值位置坐标的误差，并判断计算得到的误差是否在λ/2内，若是，则得到机械z轴与换能器声束准直轴平行。

进一步的，所述第一记录模块、第二记录模块、第三记录模块的具体方式均包括：

第一搜索模块，用于记录与水听器连接的三维定位系统在x轴方向搜索的声场波形最高幅值位置，并使三维定位系统带动水听器停止在x轴方向声场波形最高幅值的位置处；

第二搜索模块，用于驱动与水听器连接的三维定位系统沿当前停止位置的y轴方向进行搜索，记录在y轴方向搜索的声场波形最高幅值位置，并使三维定位系统停止在y轴声场波形最高幅值的位置处。

进一步的，所述第一调整模块中粗略调整换能器与水听器的相对平行位置具体为：建立水听器与换能器的空间坐标，调整换能器发射角度。

进一步的，所述计算模块中计算第二记录模块中记录的近场处的声场波形最高幅值位置坐标与第三记录模块中记录的远场处的声场波形最高幅值位置坐标的误差是通过计算机辅助软件计算的。

进一步的，所述声场波形是通过波形采集器监测和记录的。

需要说明的是，本实施例提供的一种声场测量机械轴与声束准直轴平行系统与实施例一类似，在此不多做赘述。

与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：

1、基于定位系统的自动化，实现声束准直轴与机械轴重合的同时，缩短测试时间；

2、声束准直轴与机械轴对齐后的声场模型易于建立，数据易于分析；

3、计算机辅助系统自动记录、比较平面各点波形幅值，声场测试精确度高；

4、计算机辅助系统执行最终判据，提高结果准确度。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。