實時聲波二維成像系統設計

李 響，單鳴雷，韓慶邦，謝祖鋒，朱昌平

（江蘇省輸配電裝備技術重點實驗室，常州市傳感器網絡和環境遙感重點實驗室，河海大學 計算機與信息學院，江蘇 常州 213022）

超聲聲波在介質中的傳播是一個比較復雜的過程，傳統研究方法大多基于簡單的介質參數、采用波動方程計算并仿真出聲波傳播規律，為工程應用提供理論支撐和先驗模型［1－3］。而對于復雜的聲波介質，如組成成分復雜的介質、多孔介質等，難以通過數學表達式準確地將聲波的傳輸特征表達出來，故難以得到供工程應用的直觀的先驗模型［4－6］。因此論文設計了實時聲波二維成像系統，通過在待測介質中激發出超聲波體波，采用掃描的方法獲得體波在介質中傳播的動態圖像［7］。該系統可為復雜介質中聲波的傳播規律和特點提供直觀的先驗模型。

1 檢測原理

超聲波激勵示意圖見圖1，灰黑色薄板為待測物體切片，白色部分為超聲波發射換能器。當薄板厚度和換能器長度尺寸H可比擬的時候，能在薄板中較好的激勵出超聲波，用涂有耦合劑的接收換能器在物體表面檢測，就能可視化地檢測到體波在物體內部的傳播規律［8－9］。

圖1 超聲波激勵示意圖

本文設計的成像系統的二維成像原理如圖2所示，圖2（a）為被測薄板俯視圖，圖中T為超聲波發射換能器，物體表面上的黑點代表超聲波接收換能器測量的位置（圖中僅列出5個），在該平面上有這樣的檢測點xmax×ymax個。采用右側脈沖波形激勵超聲換能器T，使之發射超聲波。聲波在薄板中傳播，到達接收換能器所在的位置A，可觀察到A點的時間－聲壓波形。脈沖信號和聲壓信號波形見圖2（b）。

圖2 二維成像原理

規定激勵脈沖下降沿時刻為t0，每隔單位時間Δt后有t1～tn時刻。就任意點A而言，在每一單位時刻具有瞬態能量f（t）。現在考慮t1時刻薄板上的任意一點A（x，y），在該點存在瞬時能量f（x，y，t1），如圖2（c）所示，按照成像原理，可認為薄板上有xmax×ymax個像素點，將各點瞬時能量作為灰度值，可繪制出t1時刻瞬時超聲波形圖。同理，可以得到t2～tn時刻的瞬時波形圖，若連續觀察各連續時刻的瞬時波形圖，則將得到聲波在被測物體中的實時傳播波過程。

2 系統設計

2.1 系統框圖

基于上文中提出的檢測原理，綜合應用機械、電子和計算機接口等相關技術，設計了圖3所示的檢測系統。其中，計算機端的上位機軟件，通過RS232串口向微控制器發布一系列控制命令，實現了由雙軸絲桿滑臺帶動超聲波接收換能器精確移動到各超聲成像像素點；微控制器亦能控制超聲發射和采集電路，將各像素點的聲波信號轉換為數字量，傳輸給上位機；上位機最終根據各像素點的采樣值輸出成像。

圖3 系統結構框圖

系統的工作流程圖如圖4所示。在系統上電完成后，上位機選定并打開一個串口，作為和下位機通信的鏈路。上位機通過發送控制方向幀（CMD＿DIR）和設置初始位置幀（CMD＿LSTR）控制接收換能器移動，以確定圖2中的像素坐標原點（0，0），并以同樣方法設置像素坐標終點（xmax，ymax）。之后，上位機通過自動運行幀（CMD＿AUTO），讓下位機進入自動采集狀態。下位機在自動運行狀態下，不斷返回當前位置（x，y）以及該位置的采樣值序列f（x，y，t0）～f（x，y，tn）。最終，計算機根據采樣值繪制出各時刻的波形圖。

2.2 系統主要部分設計

2.2.1 超聲波發射和接收電路

針對不同厚度的待測薄板，需要尺寸上與之匹配的換能器，才能得到較好的效果。而換能器的尺寸和工作頻率之間又存在一定的關系，因此所設計的超聲波收發電路，應具有一定的工作帶寬。圖5（a）是超聲波發射電路，選用了驅動容性負載性能較好的TPS2811作為超聲波發射換能器驅動器，該驅動器的圖騰式輸出達2A，最高工作頻率可達到10MHz（方波），能勝任本系統的要求。

圖4 系統軟件流程圖

超聲波接收端電路如圖5（b），采用單位增益帶寬50MHz的高速運放AD827作為信號放大單元。因驅動電路已具有較大的輸出功率，接收換能器能輸出較強的電信號，因此只設計了一級放大電路。接收電路還搭配了采樣率為20MHz的8位并行高速AD轉換器TLC5510A。

圖5 超聲波收發電路

2.2.2 上下位機通信接口

綜合考慮該裝置數據量、系統任務量后，下位機的控制核心選用了ATMEL公司的ATmega16單片機。它和上位機軟件之間的字節流由RS232保證。為了進一步保證通信質量，實驗中自定義了如表1所示的通信協議幀格式。其中命令字段和數據字段包含了諸如移動坐標、產生超聲波激勵信號、回饋采樣值等信息。命令字定義了圖4中的7種幀，每種幀格式中包含了與之對應的數據位長和數據位內容，校驗位字節用以對數據幀檢錯。對協議幀的解析通過狀態機來實現。圖6是狀態機的狀態切換圖，默認處于IDLE狀態，僅當獲取了2個正確的引導碼后才能進入STATE2狀態，并根據命令字和數據位作進一步解析，最終正確解析命令和收發數據。

表1 通信協議幀格式

圖6 狀態切換圖

2.2.3 雙軸絲杠滑臺

由成像原理可知，單位尺寸上像素點越多，則成像分辨率越高，因此，在設計中，采用絲杠滑臺來精確控制超聲波接收換能器的微距移動，減小像素點間距，提高分辨率。

設計中的滑臺由結構完全相同的兩組裝置組成，分別控制了接收換能器在x軸和y軸方向上的精確移動。每一組裝置均由一個步進電機帶動絲杠傳動工作臺移動［10－12］。系統中，滑臺的負載為質地較輕的超聲波換能器，因此選用了扭矩較小的二相混合式步進電機42BYG023，該電機最小步距角為1.8°，結合絲桿的傳動比，能控制超聲波換能器沿任意軸向移動的最小步距為0.1mm。

3 實驗結果和分析

實驗采用厚為7mm的有機玻璃板為檢測對象，成像區域約為20mm×20mm，選用中心頻率約為200kHz的壓電超聲波換能器作為超聲波發射源。

上位機控制成像時間間隔△t為2μs，將數據保存在磁盤中，通過程序與Matlab接口，由Matlab繪制出各時刻的檢測波形，如圖7所示。圖7（a）中能觀察到頭波波峰抵達成像區域，圖7（b）中頭波的波谷抵達成像區。從圖7（a）—（d），反映出頭波在傳播過程中有明顯的衰減。因實驗中選用的超聲波換能器的Q值較大，故從成像中能觀察到較多的余震（因篇幅關系，并未列出所有的波形圖）。

4 結束語

本文設計的實時聲波二維成像系統，通過在待測介質中激發出超聲波體波，采用掃描的方法獲得體波在介質中傳播的動態圖像。該系統能直觀地表現出難以用理論公式和仿真模型來表述復雜介質中的聲波傳播規律，能為構建聲波在復雜介質中傳播的工程應用模型提供基礎條件。

圖7 超聲波在有機玻璃中的傳播過程

致謝：特別感謝天津大學的沈建國老師悉心指導，教授我們以相關的理論知識，并提供用于本實驗的兩自由度絲杠滑臺。

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