基于Matlab的超聲場可視化研究及GUI仿真模擬

譚智源　沈洋　游泳

[摘 要]利用超聲場理論及對(duì)其數(shù)學(xué)計(jì)算，對(duì)常用圓形活塞換能器的聲軸線聲壓分布、軸向橫截面的聲壓分布及聲場指向性的理論計(jì)算進(jìn)行推導(dǎo)得出數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式，再通過Matlab數(shù)學(xué)軟件模擬仿真進(jìn)行可視化研究，以換能器的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)超聲場各個(gè)特征量的影響作為研究對(duì)象。最后利用人機(jī)交互界面（GUI）設(shè)計(jì)一個(gè)用戶界面，并在界面上完成輸入?yún)?shù)與輸出模擬仿真結(jié)果，有利于文章更加方便地觀察到超聲換能器的各參數(shù)對(duì)超聲場分布的影響，更有利于直觀地理解超聲場理論，從而提高研究的效率。

[關(guān)鍵詞]Matlab軟件；超聲波聲場分布；聲場可視化；人機(jī)交互界面（GUI）

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.06.233

在超聲波無損檢測中，發(fā)射超聲波的是超聲探頭，又稱換能器，是一種電聲轉(zhuǎn)換器件，它是超聲波檢測中用來探測物體的探測頭，是超聲檢測設(shè)備中的重要組成部分。超聲換能器的聲場關(guān)系到缺陷的定位定量以及檢測精度和靈敏度，了解聲場結(jié)構(gòu)及分布特征對(duì)于提高檢測可靠性、準(zhǔn)確性以及提高檢測效率都起著至關(guān)重要的作用。[1]由于聲場是抽象的，看不見摸不著，而表達(dá)式和聲場數(shù)據(jù)也是抽象的，雖然能夠概括聲場的特性，但是對(duì)于研究分析聲場來說，它們不利于人們對(duì)聲場較好地理解。因此，將聲場計(jì)算結(jié)果可視化，讓不可見的聲場變?yōu)榭梢姷膱D形圖像，然后結(jié)合探傷過程，選取合適的參數(shù)進(jìn)行探頭制造，這樣可以大大提高檢測質(zhì)量、減少試制探頭的不合格率，節(jié)省了檢測成本和探頭的制造成本。因此，將可視化技術(shù)應(yīng)用于無損檢測和超聲波聲場的模擬中有著重要的意義。

1 圓形活塞換能器的聲場理論計(jì)算

設(shè)一圓形活塞換能器，在固體鋼表面垂直入射。換能器表面上的每一個(gè)點(diǎn)可視為單一點(diǎn)源[2-3]，若聲源發(fā)射的聲波為連續(xù)的簡諧波，在無衰減情況下，聲軸線上的聲壓分布為：

2 Matlab聲場仿真結(jié)果及討論

根據(jù)圓形活塞聲場理論，使用Matlab數(shù)學(xué)軟件對(duì)換能器軸線上聲壓的分布進(jìn)行仿真與可視化處理。圖1為頻率f=1MHz，直徑D=40mm圓形換能器的聲場分布。由圖1（a）可看出，在近場區(qū)域內(nèi)（即rN時(shí)，聲軸線上的聲壓隨距離r單調(diào)遞減，不會(huì)再出現(xiàn)起伏波動(dòng)的情況。當(dāng)r≥3N時(shí)，由圖觀察可知，P∝1/r，與球面波的距離-振幅關(guān)系相似。于是在遠(yuǎn)場區(qū)，可將換能器近似看作點(diǎn)波源，并激發(fā)出球面波。從圖1（b）中可發(fā)現(xiàn)，軸線附近聲場衰減緩慢，軸線上的聲壓值最大，遠(yuǎn)離軸線則呈現(xiàn)出振蕩衰減趨勢，從而得出結(jié)論：聲場能量大部分集中在軸線以及軸線的周圍。

以輻射頻率和換能器尺寸為自變量研究換能器輻射聲場的指向性，如圖2所示。從仿真結(jié)果可看出，輻射頻率不變，隨著換能器尺寸的增大，指向性越好；換能器尺寸不變，隨著輻射頻率提高，指向性越好。

圖3給出了脈沖聲場軸線上的聲壓分布，從圖中可看出雖然在近場范圍內(nèi)脈沖波也存在著與連續(xù)波相似的波動(dòng)，但波動(dòng)幅度相對(duì)小很多，而且極大值遠(yuǎn)小于連續(xù)波聲場聲軸線的極大值，極小值遠(yuǎn)大于連續(xù)波聲場聲軸線的極小值。換能器的頻帶越寬，聲軸線上聲壓幅值的波動(dòng)就越小，反之越大。

3 基于超聲場理論及模型的GUI界面開發(fā)

為了更有效方便地分析研究，可以利用人機(jī)交互界面的形式輸出仿真結(jié)果。[5]在界面上輸入相應(yīng)的參數(shù)后，通過給計(jì)算機(jī)命令，即可將模型仿真的結(jié)果輸出并在界面呈現(xiàn)。在本設(shè)計(jì)的GUI界面上，實(shí)現(xiàn)的功能為：控制三組控件，分別為換能器參數(shù)、工件參數(shù)及計(jì)算方式（可視圖片、可視動(dòng)態(tài)圖），從而輸出四個(gè)結(jié)果，分別為活塞換能器的近場長度、三幅可視化的仿真圖片。設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示。