[发明专利]一种非接触式超声声压检测装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及超声检测领域，尤其涉及一种非接触式超声声压检测装置与方法。

背景技术

声学研究和应用中需要用到声压、声强和声功率等声学量，而使用最广泛的是声压。这是因为：声波的传播规律主要是以声压变化规律为基础来描述的；声学的其他一些参量与声压有一定关系，例如：平面声波的声强、自由声场中的声功率，都可以通过声压测量来获得。从声学测量的角度来看，测量工作基本上可以概括为测量声压随时间、频率以及空间的变化规律。

而超声目前广泛应用于医疗、工业无损检测、水下成像等领域。在超声检测与成像领域，检测效果的准确性与声压检测的准确性密切相关；在医用超声诊断与治疗领域，由于大剂量超声会对人体造成不利影响，同样需要对超声声压进行精确测量。因此，能够定量得到探头声场的声压分布显得尤为重要。

目前超声声压检测方法主要有以下几种：

1)水听器法：水听器探头由压电材料制成，可将声压信号转换为电信号。将该电信号通过电压或电荷放大器放大后，可得到反应声波波形的图像，完成声场中声压的测量。

2)辐射力天平法：将连续声波打在靶上，测定靶上所受辐射力，通过比例系数计算声功率。

3)量热法：该方法的基本原理是能量守恒定律。当超声在介质中传播时，利用高的声吸收物质受超声波作用后产生的热量引起温度升高，通过测量介质中的温度变化，从而测定超声声强。

目前现有的声场测量技术均有不同的局限性：

1)水听器法：水听器本身有一定的体积，在测量声场时会对声场造成干扰。其单次测量只能得到声场中某一点的声压大小，检测效率较低、在对不同的探头进行测量时，需要根据探头的频率、形状等选择不同的水听器，适用范围较窄。

2)辐射力天平法：通过辐射力天平法只能得到声功率值，无法得到探头的声压分布，并且辐射力天平法只能适用于规则形状超声探头发射连续超声的测量。

3)量热法：利用量热法无法得到探头的声压分布，声压较小时，该方法测量准确度较低。

发明内容

本发明提供了一种非接触式超声声压检测装置与方法，本发明实现了超声声场内各点声压的非接触、快速检测，详见下文描述：

一种非接触式超声声压检测装置，所述检测装置包括：

信号发生器用于产生超声激励信号，功率放大器用于将激励信号放大，来驱动超声探头，超声探头在水槽中产生超声声场；

He-Ne激光器、鲍威尔棱镜、长焦凸透镜组、水槽、高速相机位于同一水平线上，激光经过鲍威尔棱镜后产生一束强度均匀、发散的线激光；

线激光经过长焦凸透镜组形成一束平行的线激光，光束宽度要大于超声探头产生的声场宽度，线激光通过水槽会被超声声场形成的超声光栅衍射，衍射光斑由高速相机接收；超声探头固定在旋转位移平台上沿z轴方向平移。

进一步地，所述旋转位移平台自带有夹具，所述夹具用于将超声探头固定在旋转位移平台上，并调整超声探头使发出的声波与激光垂直。

进一步地，所述水槽中盛有蒸馏水，水槽底部放有吸声材料。

其中，所述He-Ne激光器、长焦凸透镜组、鲍威尔棱镜、高速相机的位移准确度高于±0.02mm，角度的准确度高于±1’。

一种非接触式超声声压检测方法，所述检测方法包括以下步骤：

1)调节高速相机的位置，使线激光与正一级和负一级衍射光斑均位于高速相机的视场范围内；

2)对衍射光斑图样进行滤波处理；

即选定一个窗口范围，将窗口内的各个像素点的灰度值按照从大到小进行排序，使用序列的中位数作为整个取值窗口的灰度值，遍历整个图像，直至完成滤波；

3)对滤波后的图像进行边缘检测，识别数字图像中亮度变化明显的点；

4)一级衍射光强度与入射光强度之比满足第一类1阶贝塞尔函数，对于同一个检测点，将正一级衍射光和负一级衍射光的计算结果取平均值，即可作为该检测点出声场的声压值。

进一步地，所述对滤波后的图像进行边缘检测，识别数字图像中亮度变化明显的点具体为：

T为前景与背景的分割阈值，前景点数占图像比例为w₀，平均灰度为u₀；背景点数占图像比例为w₁，平均灰度为u₁，图像的总平均灰度为u，前景和背景图象的方差g，则有：

u＝w₀×u₀+w₁×u₁