[发明专利]一种高频超声发射器及阵列声学参数近场校准方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及超声换能器声学参数测量和校准领域，具体属于水下超声学测量和校准领域，主要是一种高频超声发射器及阵列声学参数近场校准方法。

背景技术

通常换能器或者声基阵声学性能的检测需要满足远场距离条件(l≥D²/λ)，但是随着发射换能器或者声基阵工作频率的提高，对于相同的换能器的尺寸，其远场距离增大，测试水池较难满足要求。另外，高频声波能量随距离的增加衰减严重，远场检测所需要满足的信噪比条件很可能难以满足。同时随着频率的提高，换能器的指向性也变得更为尖锐，在远场测试时，与接收换能器声轴的对准也变得更加困难。另一方面，对于用在医疗超声中的聚焦换能器，人们往往更加关心其焦点处的性能参数而不是远场性能。这些参数的确定同样需要测量在焦点处的声压分布。但是，在聚焦换能器的焦点区域由于能量的会聚作用，声强很高，直接用水听器在其焦点区域内进行测量，会对水听器产生不可逆转的破坏性作用，造成水听器的损坏，增加了校准检测的成本。

为了解决大型声基阵的校准问题，自20世纪80年代以来各国相继展开近场校准技术广泛的理论和实验研究，尤其以近场声全息技术NAH(Near-field Acoustic Holography)的研究更为热点。其基本原理是在声场的菲涅尔区测量声场的全息声压数据，利用声场变换技术，重建任意形状的声源的声场。近场校准技术在低频和中频段的发射器和基阵的校准中应用的较为成熟，对于高频段发射器和声基阵采用在其近场测量复声压数据进而利用该数据推算其远场的声学参数是具有局限性的。这是由于，随着频率的升高，声波的波长变短，当采用高频水听器对声压场的声压幅度和相位进行测量时，相位值往往受定位精度的影响会产生较大的误差，因此会影响对其远场声学参数的计算精度。

发明内容

本发明的目的是为了解决高频超声发射器及其阵列在远场声学参数测量过程中实施困难、信噪比无法满足等问题，提出了一种高频超声发射器及其阵列声学参数的近场校准方法，同时为避免高频发射器或者阵列近场测量过程中声压相位测量的局限性，通过在高频发射器或者阵列的近场获取两组距离很近且相互平行的测量面的复声压数据，利用有限差分近似构建一个虚拟的“次级声源”，然后，采用瑞利积分的方法可以计算得到高频超声发射器及或者阵列的远场中给定点处的声压量值，并在此方法的基础上建立了一套校准系统。该校准方法具有实施简便、计算高效、准确等显著特点，适合用于任意形状的高频超声发射器及其阵列的声场中声压量的校准和测试。

本发明采用的技术方案：这种高频超声发射器及阵列声学参数近场校准方法，通过在高频超声发射器或者阵列的近场区域获取两组距离为Δz且相互平行的测量面内的复声压数据，利用有限差分构建一个基于质点振速的虚拟的“次级声源”；然后，利用次级声源的振速分布数据，采用瑞利积分的方法计算得到高频超声发射器及阵列的声场中给定位置处的声压量值。

更进一步，高频超声发射器及阵列声场中任意一点(x,y,z)处的速度势函数表示为：

ψ(x,y,z)=12π∫sue-jkrrds---(1)]]>

其中，u=u₀e^jωt为发射器表面法向质点振速，u₀为质点振速的幅值，ω为角频率，k=ω/c为波数，表示发射器表面一点到声场中一点(x,y,z)处的距离，s为发射器的工作面的面积；

声场中某点处质点振速沿着r方向的分量v_r和该点的复声压p有如下的定义：