專利名稱：超聲液浸換能器聲場精密測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種超聲液浸換能器聲場的精密測量方法，尤其涉及一種超聲水浸換能器聲 場的精密測量方法。
背景技術：
超聲液浸換能器的性能在超聲無損檢測技術中起著非常重要的作用，其中聲場的聲壓分 布特性是衡量超聲換能器的重要性能參數之一，它對缺陷檢測的分辨率、定位和尺寸的判斷 有極大的影響，隨著超聲液浸換能器服役時間的增加會發(fā)生匹配層磨損、機電耦合性能衰退 等現象而導致超聲液浸換能器性能變化，因此，定期對聲場參數進行檢測，并在使用過程中 進行校準后使用，對提高超聲檢測的正確率有著非常重要的意義。
目前，國內外測量超聲液浸換能器聲場的方法主要有輻射力法、水聽器法、光纖檢測法、 光學檢測法和小球反射法。由于采用小球反射法的測量裝置操作方便，結構簡單，成本較低， 所以在實際聲場測量中得到廣泛應用。在基于小球反射法的超聲液浸換能器脈沖聲場特性測 量中，是利用被測超聲液浸換能器接收由它本身激發(fā)的并被小球散射的聲場聲壓，因為小球 的尺寸較小，因此可以將被測超聲液浸換能器接收到的聲壓近似作為被測超聲液浸換能器聲 場中小球球面反射頂點處的聲壓。這種方法要求小球的尺寸要很小，最好是一個理想的點， 但在實際使用中小球的尺寸不能太小，因為如果小球尺寸太小，小球反射的超聲波也相應很 微弱，這樣被測換能器就有可能接收不到這微弱的超聲信號，或者這些微弱的超聲信號的幅 度與噪聲信號的幅度已具有可比性，被測換能器即使接收到超聲信號也不能用于有效的分析 計算。所以現在普遍采用直徑為4-5毫米的小球作為反射體，在基于這種尺寸的反射小球聲 場測量中，測量精度不高，不能正確地反映超聲液浸換能器的真實聲場。

發(fā)明內容
針對上述背景技術中存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種超聲液浸換能器聲場 的精密測量方法，實現對超聲液浸換能器聲場的精密測量。
本發(fā)明所述的超聲液浸換能器聲場精密測量方法分為三步，第一步測量沒有鉆孔的小 鋼球反射的被測換能器的聲場中每一測量點處的聲壓值，并存儲下來。其包括，將被測超聲 換能器連接到信號導管的下端，將沒有鉆孔的小鋼球與小鋼球支架固定，將小鋼球支架放在 反射斜面座的通孔中，用頂絲將其固定，將所述反射斜面座放在被測超聲換能器的正下方， 沒有鉆孔的小鋼球正對著被測超聲換能器的超聲發(fā)射面，被測超聲換能器產生的脈沖超聲波 在傳播中遇到沒有鉆孔的小鋼球后，就會被沒有鉆孔的小鋼球反射回去并被被測超聲換能器 接收，由于被測超聲換能器的接收面是有一定尺寸的，所以沒有鉆孔的小鋼球的一小塊區(qū)域 所反射的超聲波能夠被被測超聲換能器接收，被測超聲換能器將接收到的信號傳送到數據處 理存儲器中，經過數據處理存儲器的處理而得到聲壓值，并將此聲壓值存儲下來。當反射斜 面座靜止時，由三維運動控制器控制步進電機運轉，步進電機帶動X、 Y和Z方向導軌運動， 從而帶動被測超聲換能器相對于沒有鉆孔的小鋼球進行空間三維運動，則這樣就可以測得被 測超聲換能器的三維聲場中每一測量點處沒有鉆孔的小鋼球反射的聲壓值。
沒有被沒有鉆孔的小鋼球反射的超聲波會繼續(xù)向前傳播到反射斜面座的上表面上，由于 反射斜面座的上表面與下表面呈30度傾斜，可以將這部分超聲波以與入射方向呈60度夾角 反射出去，使得被測超聲換能器接收不到這部分超聲波。這樣，就不會影響超聲換能器聲場 的測量結果了。
第二步測量鉆有通孔的小鋼球反射的被測換能器的聲場中每一測量點處的聲壓值，并
存儲下來。其包括，將被測超聲換能器連接到信號導管上，將鉆有通孔的小鋼球與小鋼球支 架固定，值得說明的是，鉆有通孔的小鋼球與沒有鉆孔的小鋼球的尺寸是一樣的，將小鋼球 支架放在反射斜面座的通孔中，用頂絲將其固定，將所述反射斜面座放在被測超聲換能器的 正下方，鉆有通孔的小鋼球的通孔正對著被測超聲換能器的超聲發(fā)射面，被測超聲換能器產 生的脈沖超聲波在傳播中遇到鉆有通孔的小鋼球后，就會被鉆有通孔的小鋼球反射，同樣被 測換能器只能接收到鉆有通孔的小鋼球的一小塊區(qū)域反射的超聲波，并且這一小塊區(qū)域還不 包括鉆有通孔的小鋼球上的通孔區(qū)域，通孔區(qū)域的超聲波己經被通孔內的吸聲材料吸收了， 被測超聲換能器將接收到的信號傳送到數據處理存儲器中，經過數據處理存儲器的處理而得 到聲壓值，并將此聲壓值存儲下來。與第一步中一樣，可以通過步進電機帶動被測超聲換能 器相對于鉆有通孔的小鋼球進行空間三維運動，則這樣就可以測得被測超聲換能器的三維聲 場中每一測量點處鉆有通孔的小鋼球反射的聲壓值。與第一步中一樣沒有被鉆有通孔的小鋼 球反射的超聲波也不會影響超聲換能器聲場的測量結果。
第三步將存儲的每個測量點處的沒有鉆孔的小鋼球反射的聲壓值減去鉆有通孔的小鋼 球反射的聲壓值，就能得到鉆有通孔的小鋼球的通孔直徑大小的聲壓值，當通孔越小時，計 算得到的聲壓值就越接近一點的聲壓值，這比直接用小鋼球反射式測量和水聽器測量的精度 要高。經過實驗驗證當鉆有通孔的小鋼球的通孔直徑小于二十分之一的被測超聲換能器的直 徑，并且小鋼球的直徑小于八分之一的被測超聲換能器的直徑時，可以得到較好的測量結果。
本發(fā)明所述的超聲液浸換能器聲場精密測量方法采用的測量裝置包括三維掃査架、吸 聲水槽、反射斜面座、鉆有通孔的小鋼球、沒有鉆孔的小鋼球、小鋼球支架、超聲換能器架、 數據處理存儲器、三維運動控制器、步進電機。吸聲水槽位于三維掃查架的內部；三維掃查 架的三維運動部分在吸聲水槽的上方；反射斜面座位于吸聲水槽底面上，處于三維掃查架的 三維運動部分的下方；鉆有通孔的小鋼球固定于小鋼球支架上；沒有鉆孔的小鋼球固定于小 鋼球支架上；小鋼球支架固定于反射斜面座上；超聲換能器架通過螺紋固定在三維掃査架上； 數據處理存儲器與被測超聲換能器之間用信號線連接；三維運動控制器與步進電機之間用信 號線和電源線連接；步進電機通過螺紋固定在三維掃査架上。
所述三維掃査架具有四根支撐桿，兩根X方向導軌， 一根Y方向導軌， 一根Z方向導軌。 四根支撐桿通過螺紋連接四個地角螺母，可實現四根支撐桿高度的調整。兩根X方向導軌通 過螺紋固定在四根支撐桿上，并跟與其連接的支撐桿呈90度夾角。Y方向導軌通過螺紋固定 在X方向導軌的滑塊上，Z方向導軌通過螺紋固定在Y方向導軌的滑塊上。
所述吸聲水槽的內表面粘貼吸聲材料，并具有超大測量范圍，達到X方向1300毫米，Y 方向700毫米，Z方向800毫米。
所述超聲換能器架包括超聲換能器的信號導管和信號導管固定機構，信號導管固定機構 通過螺紋固定在Z方向導軌的滑塊上，信號導管由兩個頂絲固定在固定機構上。信號導管的 一端接有被測超聲換能器，另一端接有數據處理存儲器和超聲信號激發(fā)接收電路。
所述反射斜面座的上表面相對于水平的下表面呈30度傾斜，并且反射斜面座的上表面是 光滑的，雖然本實施例中是采用30度傾斜，但通過實際應用，發(fā)現在10度到70度的范圍內 都是可以的；在該反射斜面座上鉆有一通孔，用于放置小鋼球支架，并通過頂絲將小鋼球支 架固定在通孔中。
所述鉆有通孔的小鋼球可以通過焊接或者過盈配合的方式與小鋼球支架固定，并且小鋼 球的表面經過拋光處理，小鋼球的通孔中填充吸聲材料。
所述沒有鉆孔的小鋼球可以通過焊接或者過盈配合的方式與小鋼球支架固定，并且小鋼 球的表面經過拋光處理。


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圖1是本發(fā)明所述超聲液浸換能器聲場測量裝置的整體結構示意圖2是本發(fā)明所述超聲液浸換能器聲場測量裝置中的三維掃查架的結構示意圖3是本發(fā)明所述超聲液浸換能器聲場測量裝置中的超聲換能器架的結構示意圖4是本發(fā)明所述超聲液浸換能器聲場測量裝置中的反射斜面座的結構示意圖5是本發(fā)明所述超聲液浸換能器聲場測量裝置中的鉆有通孔的小鋼球的結構示意圖;
以及
圖6是本發(fā)明所述超聲液浸換能器聲場測量裝置中的沒有鉆孔的小鋼球的結構示意圖。
具體實施方式
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如圖1所示，本發(fā)明所述超聲液浸換能器聲場精密測量方法采用的測量裝置由三維掃查架l、吸聲水槽2、反射斜面座3、鉆有通孔的小鋼球4、沒有鉆孔的小鋼球5、小鋼球支架 6a、 6b、超聲換能器架7、數據處理存儲器8、三維運動控制器9、步進電機10。吸聲水槽2 位于三維掃查架1的內部，三維掃查架1的三維運動部分在吸聲水槽2的上方；反射斜面座 3位于吸聲水槽2底面上，處于三維掃查架1的三維運動部分的下方；超聲換能器架7通過 螺紋固定在三維掃査架1上；數據處理存儲器8與被測超聲換能器20之間用信號線連接；三 維運動控制器9與步進電機10之間用信號線和電源線連接；步進電機10通過螺紋固定在三 維掃查架1上。
如圖2所示，三維掃查架1的四根支撐桿11通過螺紋連接四個地角螺母12。兩根X方 向導軌13通過螺紋固定在四根支撐桿11上，并跟與其連接的支撐桿11呈90度夾角。Y方 向導軌15通過螺紋固定在X方向導軌13的滑塊14上，Z方向導軌17通過螺紋固定在Y方 向導軌15的滑塊16上，三個步進電機10通過螺紋分別與X方向導軌13中的一根、Y方向 導軌15、Z方向導軌17連接。采用了所述步進電機的超聲液浸換能器精密測量裝置操作方便， 自動化程度高。雖然本實施例中采用的是步進電機，但是也可以采用伺服電機。
如圖3所示，超聲換能器架7由信號導管71和信號導管固定機構72組成，信號導管固 定機構72通過螺紋固定在Z方向導軌17的滑塊18上，信號導管71由兩個頂絲固定在信號 導管固定機構72上。信號導管71的一端接有被測超聲換能器20，另一端接有數據處理存儲 器8和超聲信號激發(fā)接收電路80。
如圖4所示，反射斜面座3的上表面31與水平的下表面32呈30度傾斜，反射斜面座3 的上表面31是光滑的并具有大于被測超聲換能器20尺寸的尺寸，雖然本實施例中是采用30 度傾斜，但通過實際應用，發(fā)現在10度到70度的范圍內都是可以的。在反射斜面座3的中 心鉆有一通孔33，小鋼球支架6a/6b放置于通孔33中，并用頂絲將其固定。雖然本實施例中 是在反射斜面座3的中心鉆有通孔33，但并不僅限于中心位置。
如圖5所示，鉆有通孔的小鋼球4可以通過焊接或者過盈配合的方式與小鋼球支架6b固 定，并且小鋼球4經過拋光處理，小鋼球4的通孔中填充吸聲材料。
如圖6所示，沒有鉆孔的小鋼球5可以通過焊接或者過盈配合的方式與小鋼球支架6a固 定，并且小鋼球5經過拋光處理。采用所述鉆有通孔的小鋼球和沒有鉆孔的小鋼球的本發(fā)明 的超聲液浸換能器聲場精密測量裝置操作方便，結構簡單，價格低廉，而且測量精度高。
本發(fā)明所述的超聲液浸換能器聲場精密測量方法分為三步，第一步測量沒有鉆孔的小 鋼球反射的被測換能器的聲場中每一測量點處的聲壓值，并存儲下來。其包括，將被測超聲 換能器20連接到信號導管71的下端，將沒有鉆孔的小鋼球5與小鋼球支架6a固定，將小鋼 球支架6a放在反射斜面座3的通孔33中，用頂絲將其固定，將所述反射斜面座3放在被測 超聲換能器20的正下方，沒有鉆孔的小鋼球5正對著被測超聲換能器20的超聲發(fā)射面，被 測超聲換能器20產生的脈沖超聲波在傳播中遇到沒有鉆孔的小鋼球5后，就會被沒有鉆孔的 小鋼球5反射回去并被被測超聲換能器20接收，由于被測超聲換能器20的接收面是有一定 尺寸的，所以沒有鉆孔的小鋼球5的 一小塊區(qū)域所反射的超聲波能夠被被測超聲換能器20接 收，被測超聲換能器20將接收到的信號傳送到數據處理存儲器8中，經過數據處理存儲器8
的處理而得到聲壓值，并將此聲壓值存儲下來。當反射斜面座3靜止時，由三維運動控制器 9控制步進電機10運轉，步進電機10帶動X、 Y和Z方向導軌13、 15和17運動，從而帶 動被測超聲換能器20相對于沒有鉆孔的小鋼球5進行空間三維運動，則這樣就可以測得被測 超聲換能器20的三維聲場中每一測量點處沒有鉆孔的小鋼球5反射的聲壓值。
沒有被沒有鉆孔的小鋼球5反射的超聲波會繼續(xù)向前傳播到反射斜面座3的上表面31 上，由于反射斜面座3的上表面31與下表面32呈30度傾斜，可以將這部分超聲波以與入射 方向呈60度夾角反射出去，使得被測超聲換能器20接收不到這部分超聲波。這樣，就不會 影響超聲換能器聲場的測量結果了。
第二步測量鉆有通孔的小鋼球反射的被測換能器的聲場中每一測量點處的聲壓值，并 存儲下來。其包括，將被測超聲換能器20連接到信號導管71上，將鉆有通孔的小鋼球4與 小鋼球支架6b固定，值得說明的是，鉆有通孔的小鋼球4與沒有鉆孔的小鋼球5的尺寸是一 樣的，將小鋼球支架6b放在反射斜面座3的通孔33中，用頂絲將其固定，將所述反射斜面 座3放在被測超聲換能器20的正下方，鉆有通孔的小鋼球4的通孔正對著被測超聲換能器 20的超聲發(fā)射面，被測超聲換能器20產生的脈沖超聲波在傳播中遇到鉆有通孔的小鋼球4 后，就會被鉆有通孔的小鋼球4反射，同樣被測換能器20只能接收到鉆有通孔的小鋼球4的 一小塊區(qū)域反射的超聲波，并且這一小塊區(qū)域還不包括鉆有通孔的小鋼球4上的通孔區(qū)域， 通孔區(qū)域的超聲波已經被通孔內的吸聲材料吸收了 ，被測超聲換能器20將接收到的信號傳送 到數據處理存儲器8中，經過數據處理存儲器8的處理而得到聲壓值，并將此聲壓值存儲下 來。與第一步中一樣，可以通過步進電機10帶動被測超聲換能器20相對于鉆有通孔的小鋼 球4進行空間三維運動，則這樣就可以測得被測超聲換能器20的三維聲場中每一測量點處鉆 有通孔的小鋼球4反射的聲壓值。與第一步中一樣沒有被鉆有通孔的小鋼球4反射的超聲波 也不會影響超聲換能器聲場的測量結果。
第三步將存儲的每個測量點處的沒有鉆孔的小鋼球5反射的聲壓值減去鉆有通孔的小 鋼球4反射的聲壓值，就能得到鉆有通孔的小鋼球4的通孔直徑大小的聲壓值，當通孔越小 時，計算得到的聲壓值就越接近一點的聲壓值，這比直接用小鋼球反射式測量和水聽器測量 的精度要高。經過實驗驗證當鉆有通孔的小鋼球4的通孔直徑小于二十分之一的被測超聲換 能器20的直徑，并且小鋼球4的直徑小于八分之一的被測超聲換能器20的直徑時，可以得 到較好的測量結果。
權利要求
1. 一種超聲液浸換能器聲場精密測量方法，其特征在于其包括三個步驟，其中，第一步測量沒有鉆孔的小鋼球反射的被測換能器的聲場中每一測量點處的聲壓值，并存儲下來；第二步測量鉆有通孔的小鋼球反射的被測換能器的聲場中每一測量點處的聲壓值，并存儲下來；第三步將存儲的每個同一測量點處的沒有鉆孔的小鋼球反射的被測換能器聲場的聲壓值減去鉆有通孔的小鋼球反射的被測換能器聲場的聲壓值，就能得到鉆有通孔的小鋼球的通孔直徑大小的聲壓值，當通孔越小時，計算得到的聲壓值就越接近一點的聲壓值。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中第一步包括:將被測超聲換能器連接到信號導管的下端， 將沒有鉆孔的小鋼球與小鋼球支架固定，將小鋼球支架放在反射斜面座的通孔中，用頂絲 將其固定，將所述反射斜面座放在被測超聲換能器的正下方，沒有鉆孔的小鋼球正對著被 測超聲換能器的超聲發(fā)射面，被測超聲換能器產生的脈沖超聲波在傳播中遇到沒有鉆孔的 小鋼球后，就會被沒有鉆孔的小鋼球反射回去并被被測超聲換能器接收，由于被測超聲換 能器的接收面是有一定尺寸的，所以沒有鉆孔的小鋼球的一小塊區(qū)域所反射的超聲波能夠 被被測超聲換能器接收，被測超聲換能器將接收到的信號傳送到數據處理存儲器中，經過 數據處理存儲器的處理而得到聲壓值，并將此聲壓值存儲下來。當反射斜面座靜止時，由 三維運動控制器控制步進電機運轉，步進電機帶動X、 Y和Z方向導軌運動，從而帶動被 測超聲換能器相對于沒有鉆孔的小鋼球進行空間三維運動，則這樣就可以測得被測超聲換 能器的三維聲場中每一測量點處沒有鉆孔的小鋼球反射的聲壓值。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中第二步包括將被測超聲換能器連接到信號導管上，將 鉆有通孔的小鋼球與小鋼球支架固定，值得說明的是，鉆有通孔的小鋼球與沒有鉆孔的小 鋼球的尺寸是一樣的，將小鋼球支架放在反射斜面座的通孔中，用頂絲將其固定，將所述 反射斜面座放在被測超聲換能器的正下方，鉆有通孔的小鋼球的通孔正對著被測超聲換能 器的超聲發(fā)射面，被測超聲換能器產生的脈沖超聲波在傳播中遇到鉆有通孔的小鋼球后， 就會被鉆有通孔的小鋼球反射，同樣被測換能器只能接收到鉆有通孔的小鋼球的一小塊區(qū) 域反射的超聲波，并且這一小塊區(qū)域還不包括鉆有通孔的小鋼球上的通孔區(qū)域，通孔區(qū)域 的超聲波已經被通孔內的吸聲材料吸收了，被測超聲換能器將接收到的信號傳送到數據處 理存儲器中，經過數據處理存儲器的處理而得到聲壓值，并將此聲壓值存儲下來。與第一 步中一樣，可以通過步進電機帶動被測超聲換能器相對于鉆有通孔的小鋼球進行空間三維運動，則這樣就可以測得被測超聲換能器的三維聲場中每一測量點處鉆有通孔的小鋼球反 射的聲壓值。
4. 根據權利要求1所述的方法采用的測量裝置，其特征在于其包括三維掃査架、吸聲水槽、 反射斜面座、鉆有通孔的小鋼球、沒有鉆孔的小鋼球、小鋼球支架、超聲換能器架、數據 處理存儲器、三維運動控制器、步進電機，其中，吸聲水槽位于三維掃査架的內部；三維 掃查架的三維運動部分在吸聲水槽的上方；反射斜面座位于吸聲水槽底面上，處于三維掃 査架的三維運動部分的下方；鉆有通孔的小鋼球固定于一個小鋼球支架上；沒有鉆孔的小 鋼球固定于另一個小鋼球支架上；小鋼球支架固定于反射斜面座上；超聲換能器架通過螺 紋固定在三維掃查架上；數據處理存儲器與被測超聲換能器之間用信號線連接；三維運動 控制器與步進電機之間用信號線和電源線連接；步進電機通過螺紋固定在三維掃査架上。
5. 根據權利要求l所述的方法采用的測量裝置，其特征在于所述三維掃査架具有四根支撐 桿，兩根X方向導軌， 一根Y方向導軌， 一根Z方向導軌，四根支撐桿通過螺紋連接四 個地角螺母，可實現四根支撐桿高度的調整；兩根X方向導軌通過螺紋固定在四根支撐 桿上，并跟與其連接的支撐桿呈90度夾角；Y方向導軌通過螺紋固定在X方向導軌的滑 塊上；Z方向導軌通過螺紋固定在Y方向導軌的滑塊上。
6. 根據權利要求l所述的方法采用的測量裝置，其特征在于所述吸聲水槽的內表面粘貼吸 聲材料，吸聲水槽具有超大測量范圍，達到X方向1300毫米，Y方向700毫米，Z方向 800毫米。
7. 根據權利要求1所述的方法采用的測量裝置，其特征在于所述超聲換能器架包括超聲換 能器的信號導管和信號導管固定機構，信號導管固定機構通過螺紋固定在Z方向導軌的滑 塊上；信號導管由兩個頂絲固定在固定機構上，信號導管的一端接有超聲換能器，另一端 接有數據處理存儲器和超聲信號激發(fā)接收電路。
8. 根據權利要求l所述的方法采用的測量裝置，其特征在于所述反射斜面座的上表面相對 于水平的下表面呈角度傾斜，所述角度在10度到70度的范圍內，并且反射斜面座的上表 面是光滑的；在該反射斜面座上鉆有一通孔，用于放置小鋼球支架，并通過頂絲將小鋼球 支架固定在通孔中。
9. 根據權利要求l所述的方法采用的測量裝置，其特征在于所述鉆有通孔的小鋼球可以通 過焊接或者過盈配合的方式與小鋼球支架固定，并且小鋼球的表面經過拋光處理，小鋼球 的通孔中填充吸聲材料。
10. 根據權利要求1所述的方法采用的測量裝置，其特征在于所述沒有鉆孔的小鋼球可 以通過焊接或者過盈配合的方式與小鋼球支架固定，并且小鋼球的表面經過拋光處理。
全文摘要
一種超聲液浸換能器聲場精密測量方法，其特征在于其包括三個步驟，其中，第一步測量沒有鉆孔的小鋼球反射的被測換能器的聲場中每一測量點處的聲壓值，并存儲下來；第二步測量鉆有通孔的小鋼球反射的被測換能器的聲場中每一測量點處的聲壓值，并存儲下來；第三步將存儲的每個同一測量點處的沒有鉆孔的小鋼球反射的被測換能器聲場的聲壓值減去鉆有通孔的小鋼球反射的被測換能器聲場的聲壓值，就能得到鉆有通孔的小鋼球的通孔直徑大小的聲壓值，當通孔越小時，計算得到的聲壓值就越接近一點的聲壓值。
文檔編號G01H3/00GK101382451SQ20081017229
公開日2009年3月11日 申請日期2008年11月5日 優(yōu)先權日2008年11月5日
發(fā)明者周世圓, 徐圓飛, 徐春廣, 肖定國, 賈玉平, 娟 郝, 裕 龔 申請人:北京理工大學