[发明专利]一种矩形超声换能器声场仿真方法

权利要求书

1.一种矩形超声换能器声场仿真方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、建立空间直角坐标系：以矩形超声换能器ABCD的中心为坐标圆点，过矩形超声换能器ABCD的中心且平行于矩形超声换能器ABCD的长边BC和DA的直线为X轴，过矩形超声换能器ABCD的中心且平行于矩形超声换能器ABCD的宽边AB和CD的直线为Y轴，过矩形超声换能器ABCD的中心且垂直于矩形超声换能器ABCD所在平面的直线为Z轴，建立空间直角坐标系；其中，矩形超声换能器ABCD的顶点A位于由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第四象限内，矩形超声换能器ABCD的顶点B位于由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第一象限内，矩形超声换能器ABCD的顶点C位于由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第二象限内，矩形超声换能器ABCD的顶点D位于由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第三象限内；

步骤二、对由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第四象限进行区域划分：以矩形超声换能器ABCD的顶点A为中心，将第四象限划分为如下四个区域：Ⅰ区：a<x,y<-b，Ⅱ区：a≤x,-b≤y≤0，Ⅲ区：0≤x<a,-b<y≤0，Ⅳ区：0≤x≤a,y≤-b；其中，a为矩形超声换能器ABCD的长边BC和DA的长度的b为矩形超声换能器ABCD的宽边AB和CD的长度的

步骤三、采用计算机且在仿真软件环境下对矩形超声换能器ABCD的声场进行仿真，其声场仿真具体过程如下：

步骤301、初始参数设定与存储：采用计算机的参数输入装置将矩形超声换能器ABCD的长边BC和DA的长度2a、宽边AB和CD的长度2b，以及矩形超声换能器ABCD所处空间中的介质密度ρ和超声波在所述介质中的传播速度c输入至计算机，并通过所述计算机将输入的数据同步存储到数据存储器中；

步骤302、矩形超声换能器ABCD的声场辐射空间内任意一点P(x,y,z)的坐标设定：采用计算机的参数输入装置将矩形超声换能器ABCD的声场辐射空间内任意一点P(x,y,z)的横坐标x、纵坐标y和竖坐标z输入至计算机；其中，z>0;

步骤303、点P(x,y,z)的位置判断及映射：所述计算机调用空间点位置判断模块判断点P(x，y,z)位于空间直角坐标系的哪一个卦限内并得出判断结果；当判断得出点P(x,y,z)位于空间直角坐标系的第一卦限、第二卦限或第三卦限内时，先将点P(x,y,z)映射到由X轴、Y轴和Z轴构成的空间直角坐标系中的第四卦限中，得到点P″(x',y',z')，再将点P″(x',y',z')映射到由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第四象限中，得到投影点P'(x',y′)；当判断得出点P(x,y,z)位于空间直角坐标系的第四卦限内时，直接将点P(x,y,z)映射到由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第四象限中，得到投影点P'(x',y')；其中，x'=|x|，y'=-|y|；

步骤304、确定由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第四象限中的Ⅳ区中任意一个投影点P'(x',y')所对应的空间点P(x,y,z)对换能器的空间脉冲响应h(x,y,z,t)与点P(x,y,z)的横坐标x、纵坐标y和竖坐标z，以及a和b的函数关系h(x,y,z,t)=rec_response(x,y,z,a,b)，其确定过程如下：

步骤3041、以投影点P'(x',y')为圆心，为半径画投影圆，记录投影圆与矩形超声换能器ABCD的长边BC的切点F和投影圆与矩形超声换能器ABCD的长边DA的切点E，并定义矩形超声换能器ABCD的顶点A、顶点B、顶点C、顶点D以及切点F和切点E为空间内任意一点P对矩形超声换能器ABCD的空间脉冲响应的不连续点；其中，t为任意时刻；

步骤3042、根据如下公式计算投影点P'(x',y')到达各不连续点的时刻：

投影点P'(x',y')到达E点的时刻：t_E=d₄/c，

投影点P'(x',y')到达A点的时刻：

投影点P'(x',y')到达F点的时刻：t_F=d₂/c

投影点P'(x',y')到达B点的时刻：

投影点P'(x',y')到达D点的时刻：

投影点P'(x',y')到达C点的时刻：

其中，d₁为投影点P'(x',y')到矩形超声换能器ABCD的宽边AB的距离且d₁=a-|x|，d₂为投影点P'(x',y')到矩形超声换能器ABCD的长边BC的距离且d₂=b+|y|，d₃为投影点P'(x',y')到矩形超声换能器ABCD的宽边CD的距离且d₃=|x|+a，d₄为投影点P'(x',y')到矩形超声换能器ABCD的长边DA的距离且d₄=-b+|y|；

步骤3043、对t_F，t_B，t_D进行从小到大排列，然后分t_F<t_B<t_D、t_F<t_D<t_B和t_D<t_F<t_B三种情况计算任意时刻t投影圆与矩形超声换能器ABCD相交的弧所对应的圆心角θ(t)，具体为：

当t_F<t_B<t_D时，θ(t)=0,0<t<tE2θ4,tE<t≤tAθ1+θ4,tA<t≤tFθ1+θ4-2θ2,tF<t≤tBθ4-θ2,tB<t≤tDθ3-θ2,tD<t≤tC0,t>tC]]>

当t_F<t_D<t_B时，θ(t)=0,0<t<tE2θ4,tE<t≤tAθ1+θ4,tA<t≤tFθ1+θ4-2θ2,tF<t≤tDθ1+θ3-2θ2,tD<t≤tBθ3-θ2,tB<t≤tC0,t>tC]]>

当t_D<t_F<t_B时，θ(t)=0,0<t<tE2θ4,tE<t≤tAθ1+θ4,tA<t≤tDθ1+θ3,tD<t≤tFθ1+θ3-2θ2,tF<t≤tBθ3-θ2,tB<t≤tC0,t>tC]]>

其中，θ₁=sin^-1(d₁/r)，θ₁∈[0,π/2]；

θ₂=cos^-1(d₂/r)，θ₂∈[0,π/2]；

θ₃=sin^-1(d₃/r)，θ₃∈[0,π/2]；

θ₄=cos^-1(d₄/r)，θ₄∈[0,π/2]；

步骤3044、利用公式计算得出由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第四象限中的Ⅳ区中任意一个投影点P'(x',y')所对应的空间点P(x,y,z)对换能器的空间脉冲响应h(x,y,z,t)与点P(x,y,z)的横坐标x、纵坐标y和竖坐标z，以及a和b的函数关系h(x,y,z,t)=rec_response(x,y,z,a,b)；

步骤305、投影点P'(x',y')的区域判断及投影点P'(x',y')所对应的空间点P(x,y,z)对换能器的空间脉冲响应h(x,y,z,t)的确定：首先，所述计算机调用投影点区域判断模块判断投影点P'(x',y')位于由X轴和Y轴构成的平面直角坐标系的第四象限的哪一个区域内并得出判断结果；然后，所述计算机根据投影点P'(x',y')所在区域，调用空间脉冲响应计算模块，且根据步骤304中确定的函数关系h(x,y,z,t)=rec_response(x,y,z,a,b)计算出投影点P'(x',y′)所对应的空间点P(x,y,z)对换能器的空间脉冲响应h(x,y,z,t)，具体为：

当判断得出投影点P'(x',y')位于Ⅳ区时，根据h(x,y,z,t)=rec_response(x,y,z,a,b)计算出投影点P'(x',y′)所对应的空间点P(x,y,z)对换能器的空间脉冲响应h(x,y,z,t)；

当判断得出投影点P'(x',y')位于Ⅱ区时，根据h(x,y,z,t)=rec_response(|y|,-|x|,z,b,a)计算出投影点P'(x',y')所对应的空间点P(x,y,z)对换能器的空间脉冲响应h(x,y,z,t)；

当判断得出投影点P'(x',y')位于Ⅲ区时，根据h(x,y,z,t)=rec_response(|x|,-|y|-b2,z,a,b+|y|)+rec_response(|x|,-b-|y|2,z,a,b-|y|)]]>计算出投影点P'(x',y')所对应的空间点P(x,y,z)对换能器的空间脉冲响应h(x,y,z,t)；

当判断得出投影点P'(x',y')位于Ⅰ区时，根据h(x,y,z,t)=rec_response(|x|,-|y|,z,a+|x|2,b)+rec_response(|x|,-|y|,z,|x|-a2,b)]]>计算出投影点P'(x',y')所对应的空间点P(x,y,z)对换能器的空间脉冲响应h(x,y,z,t)；

步骤306、投影点P'(x',y')所对应的空间点P(x,y,z)对换能器的瞬态声压p(x,y,z,t)的确定：所述计算机调用瞬态声压确定模块且根据公式计算出投影点P'(x',y')所对应的空间点P(x,y,z)对换能器的瞬态声压p(x,y,z,t)，其中，ν_s(t)为矩形超声换能器的振动特性；

步骤307、投影点P'(x',y')所对应的空间点P(x,y,z)对换能器的声压最大值p_max(x,y,z)的确定：所述计算机调用声压最大值确定模块且根据公式p_max(x,y,z)=max(|p(x,y,z,t)|)计算得出投影点P'(x',y')所对应的空间点P(x,y,z)对换能器的声压最大值p_max(x,y,z)；

步骤308、矩形超声换能器ABCD声压分布规律的确定：首先，多次重复步骤302至步骤307，计算出矩形超声换能器ABCD声轴线上多个空间点对换能器的多个声压最大值，并计算出设定横截面上沿X轴方向和Y轴方向上多个空间点对换能器的多个声压最大值，然后，所述计算机调用声压分布曲线绘制模块绘制出矩形超声换能器ABCD声轴线上的声压分布曲线图和设定横截面上X轴方向和Y轴方向的声压分布曲线图。