圖4-4 精密機(jī)器人測量和分析系統(tǒng)三維顯示軟件前面板圖

　　　　　　　　　　　　　　
三維掃描軟件能詳細(xì)描繪整個(gè)三維空間和XY，XZ，YZ平面上的聲場分布的情況，由于空間分辨率高，可以顯示平面上的微小變化，通過不同聲壓或聲強(qiáng)與顏色的對應(yīng)關(guān)系，可以直觀看出聲場在空間的變化規(guī)律，為研究和工程人員提供可靠精確的分析途徑，其應(yīng)用界面見圖4-5、6。

頻譜分析采用離散傅里葉變換，對采集的聲場電信號處理。利用頻譜分析方法可研究高頻超聲信號的頻域分布（見圖4-6），對超聲場全面了解，也是換能器性能測定的重要指標(biāo)。

　　　　　　　　　　圖4-5三維自動測量和分析功能面板圖

　　　　　　　　　　　　　　圖4-6頻譜分析功能面板圖

系統(tǒng)整合了精密機(jī)器人，硬件和各軟件子系統(tǒng)的組成聲場自動化測量系統(tǒng)。在實(shí)際測量中，利用其高空間分辨率和實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性，可對超聲換能器的聲場特性和頻率特性準(zhǔn)確測定，及理論模型的建立提供了有效數(shù)據(jù)。

5.系統(tǒng)功能的驗(yàn)證
為了驗(yàn)證系統(tǒng)的主要功能，選擇一標(biāo)準(zhǔn)的凹球殼自聚焦超聲換能器，連續(xù)波超聲功率源驅(qū)動進(jìn)行超聲場聲壓分布參數(shù)的驗(yàn)證測試。換能器設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)分別為：換能器輻射面出口半徑r=30mm，球殼曲率半徑R=90mm，輻射中心頻率f=1.3MHz，水介質(zhì)的聲速取1500m/s。測量聲場的關(guān)鍵參數(shù)包括聲壓，聲強(qiáng)和聲焦域等，相應(yīng)描述聲場的基本形式主要有軸線聲壓曲線圖，焦平面徑向聲壓曲線圖，焦平面聲場曲面圖，焦斑三維立體圖。

經(jīng)過測試換能器軸線聲壓曲線圖顯示了軸線上聲壓幅值隨距離的變化的規(guī)律。水聽器初始位置為聲束中心軸線距離換能器40mm，經(jīng)逐點(diǎn)掃描到140mm處結(jié)束，各點(diǎn)間距為0.5mm，測量值與理論值驗(yàn)證的結(jié)果如圖5-1所示：

　　
圖5-1 軸向聲壓分布的理論值與測量值；(a)本文系統(tǒng)的實(shí)際測量值 (b)聚焦超聲場理論模型仿真值和測量值比較

圖5-1(a)是本文開發(fā)的系統(tǒng)的實(shí)際測量的數(shù)據(jù)值，該數(shù)據(jù)點(diǎn)是由機(jī)器人單軸掃描方式測試而得。圖5-1(b)是在軸向上根據(jù)經(jīng)典聲場軸向聲壓分布模型建模計(jì)算的聲壓理論值與實(shí)測值比較的結(jié)果，波動的曲線是實(shí)際測量值，光滑實(shí)線是理論模型值。由模型可知在焦點(diǎn)以外的聲壓分布顯示為低能量振蕩，并逐漸衰減，而且在近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū)的衰減幅度并不對稱。測試結(jié)果顯示測量值與理論值在主峰處擬和得很好，但是在旁瓣處，測量的聲壓值偏大，主要由于高頻超聲換能器在連續(xù)脈沖的激勵下產(chǎn)生復(fù)雜的諧波，水聽器和凌華科技9846H數(shù)字化儀響應(yīng)頻率范圍寬，檢測到的多種諧波頻率分量疊加產(chǎn)生的能量，而理論模型和手工示波器檢測固定在一個(gè)核心頻率處，使信息不全。

由于發(fā)射換能器為凹球殼面，傳播的波面也為球面，可以測量在焦平面一條直徑的聲壓曲線圖，作為超聲場分布的一個(gè)特性，反映了沿徑向聲壓幅值隨距離的變化規(guī)律，掃描各點(diǎn)間距為0.05mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5-2所示。
　　　
　　　
　　　
　　　
　　　
圖5-2 焦平面面徑向聲壓分布的理論值與測量值比較結(jié)果；(a)測量系統(tǒng)的實(shí)際測量值 (b)聚焦超聲場理論模型仿真值和測量值比較結(jié)果

圖5-2(a)是本文系統(tǒng)的實(shí)際測量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)是由單軸掃描方式測得。圖5-2(b)是在焦平面徑向上經(jīng)經(jīng)典聲壓理論建模計(jì)算的值與實(shí)際值比較結(jié)果。波動的曲線是實(shí)際測量值，光滑實(shí)線是理論模擬值，可見焦平面聲壓分布是振蕩而且沿中心點(diǎn)對稱分布的。從圖5-2(b)理論值與實(shí)際測量值比較結(jié)果可知，主峰處擬和得比較好，但是在旁瓣處，實(shí)際測的值豐富，原因仍是由于超聲換能器有復(fù)雜的諧波，水聽器與凌華科技9846H數(shù)字化儀頻率響應(yīng)寬，可采集到諧波能量，理論模型只是核心頻率建立的模型。

在焦平面上，按規(guī)定的掃描路徑，順序測量聲場中各點(diǎn)的聲壓值，掃描步距為0.5mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和焦平面的理論模型如下圖5-3所示：
　　
　　
　　圖5-3 測試換能器焦平面聲壓分布的實(shí)際測量值(a)與聲場理論模型仿真值

圖5-3圖中(a)圖是基于精密機(jī)器人測量和分析系統(tǒng)的實(shí)際測量的焦平面數(shù)據(jù)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)點(diǎn)是由機(jī)器人聲場掃描運(yùn)動軟件測試并保存，經(jīng)測量超聲聲場分析軟件處理而得。(b)圖是由在焦平面上建模計(jì)算的聲壓理論值。從焦域的二維模型可知，焦平面上聲壓的能量比較集中，聲壓沿徑向是振蕩衰減的，非焦點(diǎn)區(qū)域的能量分布很低，而且單頻凹球殼的聲場在焦平面是沿超聲換能器的主軸線中心對稱分布的。比較實(shí)際值與理論值可知，在聚焦區(qū)域的主峰處擬合很好，在非聚焦區(qū)域?qū)嶋H測量值更豐富，表現(xiàn)出凌華科技PCI-9846H良好的寬帶頻率響應(yīng)，使采集到的數(shù)據(jù)比單頻率的理論模型貼切實(shí)際情況，對換能器設(shè)計(jì)參數(shù)及制作工藝及產(chǎn)品質(zhì)量評估及安全使用有重要的意義。
　　
6. 結(jié)論
通過驗(yàn)證試驗(yàn)可見，以凌華科技9846高性能數(shù)字化儀為中心的，超聲信號采集與分析系統(tǒng)可滿足超聲場自動測量與建模的應(yīng)用，使信號采集的精度、速度，及參數(shù)的測量比以往有很多的改進(jìn)。本文以凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀為中心，組合前置放大器與水聽器，開發(fā)高效聲場信號采集系統(tǒng)，通過高效的數(shù)據(jù)采集模塊，將三維聲場的聲壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和保存。通過電機(jī)驅(qū)動的四軸精密工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動控制與自動信號采集與測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了超聲場任意部位的立體定位及測量點(diǎn)自動定位控制和數(shù)據(jù)采集之間的協(xié)調(diào)。實(shí)現(xiàn)了聲場測量數(shù)據(jù)的回放及多功能綜合分析系統(tǒng)及三維聲場的可視化分析與顯示。

該超聲場自動化測量系統(tǒng)，對聲場的分布參數(shù)和頻率特性進(jìn)行了準(zhǔn)確可靠的測量。測量結(jié)果顯示，測量點(diǎn)可達(dá)到較高的高空間分辨率，能精確快速的完成聲場檢測，使采集到得超聲場信號譜更廣。經(jīng)過驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證了測量功能的的準(zhǔn)確性，通過可視化圖形顯示，對數(shù)據(jù)分析更直觀，全面和精確，為超聲換能器的性能評估及超聲場人體的生物效應(yīng)建模提供了有效的參數(shù)。
　　
致謝
　　感謝凌華科技科技提供PCI-9846H高速數(shù)字化儀，為本文研發(fā)的超聲場自動測量與分析系統(tǒng)的研究提供了有力支持。

主要參考文獻(xiàn)
趙玉柱, 王玲君, 孫國斌. 醫(yī)用超聲源的檢定及其意義[J]. 2009, 3, 31-32.
張志偉, 剛鐵, 王軍. 超聲波檢測計(jì)算機(jī)模擬和仿真的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 應(yīng)用聲學(xué), 2003, 22(3) ,39-44.
Takashi, F., Kazuhiro, D. Materials Evaluation [M]. 1994, 52(9):1108-1111.
王秀, 程建政, 倪園. 高速超聲信號采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J], 無損檢測. 2009, 02(31): 144-146.
劉俊松. 醫(yī)用超聲技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢與新技術(shù)展望[J]. 醫(yī)療設(shè)備信息, 2005, 12(20): 38-39.
雷振山, 趙晨光, 魏麗, 郭濤. LabVIEW 8.2 基礎(chǔ)教程[M]. 中國鐵道出版社，2008.