超聲波測距聲場仿真研究

劉雪林　史湘偉　黃興洲　薛德寬　陳文娟

摘 要： 通過對聲場理論模型的研究，利用Matlab軟件對聲場進行仿真并且給出了可視化的結果，從而使聲場的分析大大簡化。另外通過控制變量法分別討論了發射頻率以及超聲波換能器的尺寸等對聲場分布的影響，有利于加深對抽象聲場的理解，從而對超聲波測距系統進行優化。

關鍵詞： Matlab； 超聲場分布； 發射頻率； 超聲波換能器

中圖分類號： TN710?34； TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0101?04

0 引 言

對于超聲波測距系統而言，超聲波的分布關系到被測物體定位的可靠性和準確性，因此在超聲波檢測的研究中，超聲波聲場的模擬尤為重要。從目前國際上的研究現狀來看，超聲波的模擬主要包含了：工件中聲場分布的模擬，聲源發射聲場的模擬，各向異性材料和高衰減的不均勻材料中聲場模擬等，這方面研究包括瑞典烏普薩拉大學開放的基于Matlab的工具箱程序包DREAM，法國的Pierre Calmon先生等創建的Champ?sons數學模等。我國的超聲檢測模擬和仿真技術的發展相對滯后，新技術研發中計算機技術的應用一直是我國超聲檢測的薄弱環節。20世紀90年代，浙江大學開發了CAPPNDT系統，冶金部壓力容器站研發了NDTS軟件，標志著我國超聲檢測模擬技術得到了進一步發展。但從整體上看，我國在超聲檢測模擬和仿真技術方面的研究成果相對較少。

1 超聲場理論研究

1.1 描述超聲場的物理量

超聲波聲場即在介質中超聲振動所波及的質點所占據的空間范圍。超聲波聲場的大小形狀受到各種因素的影響，通常采用聲壓、聲強和聲阻抗等物理量描述超聲場。

2 超聲波探測模塊

為了研究超聲場的特性，選擇超聲波接收發射模塊，對其聲波特性進行檢測，模塊實物圖如圖2所示。該模塊所采用的是間斷多脈沖發射，發射電路主要由反向器和超聲波發射傳感器構成，單片機端口輸出的方波信號一路經一級反向器后送到超聲波傳感器的一個電極，另一路經兩級反向器后進到超聲波傳感器的另一個電極。超聲波接收器將超聲波調制脈沖轉換為電壓信號，超聲波接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強的機械振動。

3 超聲場模擬仿真

3.1 換能器圓盤聲源軸線上的聲壓分布

盡管實際聲場與理論分析有所差異，但是在遠場區是基本符合的，所以基于該理論推導并仿真出來的實驗結果，基本滿足實際的測距系統要求。

4 結 語

影響測距系統精度的因素很多，包括超聲波傳播過程的衰減和環境溫度等。因此本系統采用了多級放大電路放大接收的信號，并引入了溫度補償技術，以提高其測量精度。本研究采用基爾霍夫積分法，推導出了超聲波換能器在圓盤聲源軸線上、遠場任意點和聲束橫截面上的聲場，利用Matlab對均勻介質中的超聲波聲場進行模擬并將模擬結果可視化，總結了超聲波聲場的傳播特性和分布規律，可以有效地降低檢測成本。因此，將可視化技術應用于無損檢測和超聲波聲場的模擬中具有重要的實際意義。

注：本文通訊作者為陳文娟。

參考文獻

[1] 蒙海英.基于Matlab的超聲波聲場模擬及可視化研究[D].大連：大連理工大學，2008.

[2] SISTER V G， KIRSHANKOVA E V. Ultrasonic techniques in removing surfactants from effluents by electrocoagulation [J]. Chemical and Petroleum Engineering， 2005， 41（9?10）： 553?556.

[3] 馬旭輝，馬宏偉.超聲無損檢測技術的現狀和發展趨勢[J].機械制造，2002，40（7）：24?26.

[4] LICZNERSKI T J， JARO?SKI J， KOSZ D. Ultrasonic system for accurate distance measurement in the air [J]. Ultrasonics， 2011， 51（8）： 960?965.

[5] 吳飛斌，張晉平，陳文娟.太陽能超聲波導盲器的研制[J].現代電子技術，2011，34（17）：137?140.

[6] HASHINO S， YAMADA S， K. An ultrasonic blind guidance system for street crossings [J]. Lecture Notes in Computer Science， 2010， 6180： 235?238.

[7] 張偉志，鋼鐵，王軍.超聲檢測計算機模擬和仿真的研究及應用現狀[J].電子應用聲學，2003（3）：39?45.

[8] 方海濱，周曉軍.計算機輔助無損檢測工藝設計系統開發研究[J].無損探傷，1999（2）：6?9.

[9] 《國防科技工業無損檢測人員資格鑒定與認證培訓教材》編審委員會.超聲檢測[M].北京：機械工業出版社，2005.

[10] 楊慶，陳桂明，董振旗.一種改進的高精度超聲測距方法研究[J].計算機技術與發展，2010，20（12）：209?212.

[11] 施超，陳愛華，楊本全，等.基于C8051F020的高精度超聲波測距系統設計[J].現代電子技術，2012，35（16）：15?16.

摘 要： 通過對聲場理論模型的研究，利用Matlab軟件對聲場進行仿真并且給出了可視化的結果，從而使聲場的分析大大簡化。另外通過控制變量法分別討論了發射頻率以及超聲波換能器的尺寸等對聲場分布的影響，有利于加深對抽象聲場的理解，從而對超聲波測距系統進行優化。

關鍵詞： Matlab； 超聲場分布； 發射頻率； 超聲波換能器

中圖分類號： TN710?34； TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0101?04

0 引 言

對于超聲波測距系統而言，超聲波的分布關系到被測物體定位的可靠性和準確性，因此在超聲波檢測的研究中，超聲波聲場的模擬尤為重要。從目前國際上的研究現狀來看，超聲波的模擬主要包含了：工件中聲場分布的模擬，聲源發射聲場的模擬，各向異性材料和高衰減的不均勻材料中聲場模擬等，這方面研究包括瑞典烏普薩拉大學開放的基于Matlab的工具箱程序包DREAM，法國的Pierre Calmon先生等創建的Champ?sons數學模等。我國的超聲檢測模擬和仿真技術的發展相對滯后，新技術研發中計算機技術的應用一直是我國超聲檢測的薄弱環節。20世紀90年代，浙江大學開發了CAPPNDT系統，冶金部壓力容器站研發了NDTS軟件，標志著我國超聲檢測模擬技術得到了進一步發展。但從整體上看，我國在超聲檢測模擬和仿真技術方面的研究成果相對較少。

1 超聲場理論研究

1.1 描述超聲場的物理量

超聲波聲場即在介質中超聲振動所波及的質點所占據的空間范圍。超聲波聲場的大小形狀受到各種因素的影響，通常采用聲壓、聲強和聲阻抗等物理量描述超聲場。

2 超聲波探測模塊

為了研究超聲場的特性，選擇超聲波接收發射模塊，對其聲波特性進行檢測，模塊實物圖如圖2所示。該模塊所采用的是間斷多脈沖發射，發射電路主要由反向器和超聲波發射傳感器構成，單片機端口輸出的方波信號一路經一級反向器后送到超聲波傳感器的一個電極，另一路經兩級反向器后進到超聲波傳感器的另一個電極。超聲波接收器將超聲波調制脈沖轉換為電壓信號，超聲波接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強的機械振動。

3 超聲場模擬仿真

3.1 換能器圓盤聲源軸線上的聲壓分布

盡管實際聲場與理論分析有所差異，但是在遠場區是基本符合的，所以基于該理論推導并仿真出來的實驗結果，基本滿足實際的測距系統要求。

4 結 語

影響測距系統精度的因素很多，包括超聲波傳播過程的衰減和環境溫度等。因此本系統采用了多級放大電路放大接收的信號，并引入了溫度補償技術，以提高其測量精度。本研究采用基爾霍夫積分法，推導出了超聲波換能器在圓盤聲源軸線上、遠場任意點和聲束橫截面上的聲場，利用Matlab對均勻介質中的超聲波聲場進行模擬并將模擬結果可視化，總結了超聲波聲場的傳播特性和分布規律，可以有效地降低檢測成本。因此，將可視化技術應用于無損檢測和超聲波聲場的模擬中具有重要的實際意義。

注：本文通訊作者為陳文娟。

參考文獻

[1] 蒙海英.基于Matlab的超聲波聲場模擬及可視化研究[D].大連：大連理工大學，2008.

[2] SISTER V G， KIRSHANKOVA E V. Ultrasonic techniques in removing surfactants from effluents by electrocoagulation [J]. Chemical and Petroleum Engineering， 2005， 41（9?10）： 553?556.

[3] 馬旭輝，馬宏偉.超聲無損檢測技術的現狀和發展趨勢[J].機械制造，2002，40（7）：24?26.

[4] LICZNERSKI T J， JARO?SKI J， KOSZ D. Ultrasonic system for accurate distance measurement in the air [J]. Ultrasonics， 2011， 51（8）： 960?965.

[5] 吳飛斌，張晉平，陳文娟.太陽能超聲波導盲器的研制[J].現代電子技術，2011，34（17）：137?140.

[6] HASHINO S， YAMADA S， K. An ultrasonic blind guidance system for street crossings [J]. Lecture Notes in Computer Science， 2010， 6180： 235?238.

[7] 張偉志，鋼鐵，王軍.超聲檢測計算機模擬和仿真的研究及應用現狀[J].電子應用聲學，2003（3）：39?45.

[8] 方海濱，周曉軍.計算機輔助無損檢測工藝設計系統開發研究[J].無損探傷，1999（2）：6?9.

[9] 《國防科技工業無損檢測人員資格鑒定與認證培訓教材》編審委員會.超聲檢測[M].北京：機械工業出版社，2005.

[10] 楊慶，陳桂明，董振旗.一種改進的高精度超聲測距方法研究[J].計算機技術與發展，2010，20（12）：209?212.

[11] 施超，陳愛華，楊本全，等.基于C8051F020的高精度超聲波測距系統設計[J].現代電子技術，2012，35（16）：15?16.

摘 要： 通過對聲場理論模型的研究，利用Matlab軟件對聲場進行仿真并且給出了可視化的結果，從而使聲場的分析大大簡化。另外通過控制變量法分別討論了發射頻率以及超聲波換能器的尺寸等對聲場分布的影響，有利于加深對抽象聲場的理解，從而對超聲波測距系統進行優化。

關鍵詞： Matlab； 超聲場分布； 發射頻率； 超聲波換能器

中圖分類號： TN710?34； TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0101?04

0 引 言

對于超聲波測距系統而言，超聲波的分布關系到被測物體定位的可靠性和準確性，因此在超聲波檢測的研究中，超聲波聲場的模擬尤為重要。從目前國際上的研究現狀來看，超聲波的模擬主要包含了：工件中聲場分布的模擬，聲源發射聲場的模擬，各向異性材料和高衰減的不均勻材料中聲場模擬等，這方面研究包括瑞典烏普薩拉大學開放的基于Matlab的工具箱程序包DREAM，法國的Pierre Calmon先生等創建的Champ?sons數學模等。我國的超聲檢測模擬和仿真技術的發展相對滯后，新技術研發中計算機技術的應用一直是我國超聲檢測的薄弱環節。20世紀90年代，浙江大學開發了CAPPNDT系統，冶金部壓力容器站研發了NDTS軟件，標志著我國超聲檢測模擬技術得到了進一步發展。但從整體上看，我國在超聲檢測模擬和仿真技術方面的研究成果相對較少。

1 超聲場理論研究

1.1 描述超聲場的物理量

超聲波聲場即在介質中超聲振動所波及的質點所占據的空間范圍。超聲波聲場的大小形狀受到各種因素的影響，通常采用聲壓、聲強和聲阻抗等物理量描述超聲場。

2 超聲波探測模塊

為了研究超聲場的特性，選擇超聲波接收發射模塊，對其聲波特性進行檢測，模塊實物圖如圖2所示。該模塊所采用的是間斷多脈沖發射，發射電路主要由反向器和超聲波發射傳感器構成，單片機端口輸出的方波信號一路經一級反向器后送到超聲波傳感器的一個電極，另一路經兩級反向器后進到超聲波傳感器的另一個電極。超聲波接收器將超聲波調制脈沖轉換為電壓信號，超聲波接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強的機械振動。

3 超聲場模擬仿真

3.1 換能器圓盤聲源軸線上的聲壓分布

盡管實際聲場與理論分析有所差異，但是在遠場區是基本符合的，所以基于該理論推導并仿真出來的實驗結果，基本滿足實際的測距系統要求。

4 結 語

影響測距系統精度的因素很多，包括超聲波傳播過程的衰減和環境溫度等。因此本系統采用了多級放大電路放大接收的信號，并引入了溫度補償技術，以提高其測量精度。本研究采用基爾霍夫積分法，推導出了超聲波換能器在圓盤聲源軸線上、遠場任意點和聲束橫截面上的聲場，利用Matlab對均勻介質中的超聲波聲場進行模擬并將模擬結果可視化，總結了超聲波聲場的傳播特性和分布規律，可以有效地降低檢測成本。因此，將可視化技術應用于無損檢測和超聲波聲場的模擬中具有重要的實際意義。

注：本文通訊作者為陳文娟。

參考文獻

[1] 蒙海英.基于Matlab的超聲波聲場模擬及可視化研究[D].大連：大連理工大學，2008.

[2] SISTER V G， KIRSHANKOVA E V. Ultrasonic techniques in removing surfactants from effluents by electrocoagulation [J]. Chemical and Petroleum Engineering， 2005， 41（9?10）： 553?556.

[3] 馬旭輝，馬宏偉.超聲無損檢測技術的現狀和發展趨勢[J].機械制造，2002，40（7）：24?26.

[4] LICZNERSKI T J， JARO?SKI J， KOSZ D. Ultrasonic system for accurate distance measurement in the air [J]. Ultrasonics， 2011， 51（8）： 960?965.

[5] 吳飛斌，張晉平，陳文娟.太陽能超聲波導盲器的研制[J].現代電子技術，2011，34（17）：137?140.

[6] HASHINO S， YAMADA S， K. An ultrasonic blind guidance system for street crossings [J]. Lecture Notes in Computer Science， 2010， 6180： 235?238.

[7] 張偉志，鋼鐵，王軍.超聲檢測計算機模擬和仿真的研究及應用現狀[J].電子應用聲學，2003（3）：39?45.

[8] 方海濱，周曉軍.計算機輔助無損檢測工藝設計系統開發研究[J].無損探傷，1999（2）：6?9.

[9] 《國防科技工業無損檢測人員資格鑒定與認證培訓教材》編審委員會.超聲檢測[M].北京：機械工業出版社，2005.

[10] 楊慶，陳桂明，董振旗.一種改進的高精度超聲測距方法研究[J].計算機技術與發展，2010，20（12）：209?212.

[11] 施超，陳愛華，楊本全，等.基于C8051F020的高精度超聲波測距系統設計[J].現代電子技術，2012，35（16）：15?16.