[发明专利]一种动态声场可视化方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种可视化方法，更特别地涉及一种动态声场的可视化方法。

二、背景技术

声波是一种人们无法直接观察到的应力波，利用声波在介质中的传播、反射等规律可以用于声纳、超声探伤等应用中。在对声波进行研究的过程中，需要对声波在介质中的传播过程进行直观的了解。传统研究声波的方法主要是分析声波换能器在材料表面接收到的声信号,从而推论声波在材料内的传播规律。

随着现代声学技术以及检测技术的发展,各种声波可视化的新型技术被用在研究、医学、工业无损检测等领域中。声波在材料中的传播过程无法直接观察和测量，从而给声场研究工作带来了很大困难.为了使声波成为可见,让人们更直观的认识和研究这些复杂声场,出现了动态光弹等方法。

三、发明内容

本发明的目的在于解决声波在介质中传播过程难于观察，不利于对传播过程进行研究的问题，从而为观察和研究声波的传播提供一种更为直接的方式，同时也为探测声音传播的介质本身的内部结构提供一种方式。

为了实现上述目的，本发明提供一种动态声场可视化方法，其包括如下步骤：1）提供一对声波换能器，其中一个作为声波发射换能器，另外一个作为声波接受换能器；2）将两个换能器耦合到介质材料表面，其中声波发射换能器固定不动，声波接受换能器则按照一定的路径移动；3）以网格的形式对介质材料的表面进行划分；4）声波接受换能器在介质表面上进行移动，当该声波接受换能器每移动到一个网格的节点上时停止移动，让声波发射换能器沿各个方向发射出一段声波短脉冲，其中部分声波经过换能器之间的介质直接到达接收端，声波能量受到介质内部结构的反射、散射造成声波的衰减，而另外一部分声波受到反射或多次反射也可以在一定时间内到达声波接收器；在发射换能器发射声波的同时，接受换能器也启动对声波的波形记录，经过一段时间后停止记录；5）停止记录后，继续移动声波接受换能器，在其到达新的网格节点后重复上述步骤4），直到扫描完整个材料的表面；接受换能器在遍布介质表面的每一个网格节点后，将得到每一个节点在声波发射后一段时间内的波形；6）对网格节点和采集的波形记录进行数据处理，建立与介质表面对应的图像，其中每一个网格节点对应一个像素；取出每个网格点的相同时刻的幅值，通过声波幅值与像素值的一一对应关系得到该时刻对应的图像；以及7）依照步骤6）获取每个时刻的图像，并按照时间顺序将这些图像逐帧播放，即可观测到整个波形的传播过程。

进一步优选的，该方法中采用的声波换能器为压电晶片。

进一步优选的，该方法中通过任意合适的声波耦合剂来将两个声波换能器耦合到介质材料表面。

进一步优选的，该方法中所采集的波形记录通过适配器传递给计算机而进行记录。

进一步优选的，该方法中声波幅值与像素值的一一对应关系为：幅值越大像素灰度值越大，幅值越小像素灰度值越小。

本发明的优点是，可以直观形象地再现声波在介质中的过程，相比其他方法（如动态光弹法）适用的材料范围更广， 可以用于声波的传播特性研究，材料的声学特性以及材料的无损检测等。

四、附图说明

图1为应用本发明所描述方法的系统结构图。

在图中，1、声波介质平面 2、声波接收换能器 3、声波发射换能器 4、适配器 5、计算机 。

图2为声波换能器发射的脉冲和图1中a、b、c三点的波形图。

在图中，时间轴t0上的波形为声波换能器发射的脉冲波形，ta、tb、tc上的波形分别为声波换能器移动到a、b和c三点所接收到的波形。

五、具体实施方式

本发明的具体实现过程分为声波信号的采集和传播过程的重现两部分。

声波信号的采集：如图1所示，声波介质平面1上通过适当的声波耦合剂放置声波接收换能器2和声波发射换能器3，其中声波发射换能器3固定不动，声波接收换能器2沿一定的路径移动，每当到达网格的节点上时则停止移动等待测量，测量过程中首先由计算机5通过适配器4控制声波发射换能器按照图2中t0轴上的波形发射一个短脉冲的声波，同时，计算机5开始通过适配器4采集记录声波接收换能器2的电压波形，声波先经过声波介质平面1到达声波接收换能器2，被计算机5采集记录下来，另外一部分声波遇到声波介质平面1的边缘或介质中的内部缺陷时同样能够到达能够被记录下来，一段时间后，计算机5 停止记录，声波接收换能器2移动至下一个网格节点，并重复以上过程直至遍历所有的网格节点即可完成声波信号的采集。

声波传播过程的重现：在声波信号的采集过程中，每次的采集波形的过程中都是以声波的发射时刻为起点，例如，图1中声波介质平面1上有三点a、b和c，相应的波形分别为图2中的时间轴ta、tb和tc，将所有网格节点的波形按照同样的形式对齐，取出某一时刻每个网格节点上的声波幅度值，然后将该幅度值按照一定的映射关系转化为像素点的灰度值（或颜色值），然后将这些像素点按照相应的网格点的位置组合成图像，即可表示该时刻声波的传播状态，使用相同的方法，转换各个时刻的波形转换成一幅幅的图像，然后将这些图像按照时间的先后顺序播放出来，即可得到声波的传播过程视频。因而可以直观地观察到声波的传播、以及在边界以及介质内部缺陷的反射。