[发明专利]一种矩形超声换能器声场仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及超声换能器的声场特性研究技术领域，尤其是涉及一种矩形超声换能器声场仿真方法。

背景技术

超声换能器常用于工业无损检测中，超声换能器的性能在工业无损检测中起着非常重要的作用，其中声场的声压分布特性是衡量超声换能器的重要性能之一，它对缺陷检测的分辨率、定位和尺寸的判断有着极大的影响。因此在超声换能器的设计和使用前选择过程中，有必要提前知道超声换能器辐射声场在空间的分布情况，包括近场区长度、声轴线上的声压分布等。现有技术中，为了得到超声换能器的声压分布，主要采用测量的办法，如辐射力法、水听器法、光纤检测法和小球反射法等，这些测量方法都需要在设计并加工制造出样品后采用实物才能进行测量，而且无论哪种测量方法都需要专业的仪器和设备，耗费大量人力物力。为了解决这些问题，一些研究人员开始研究超声换能器声场仿真方法，对于圆形超声换能器，斯蒂帕尼森（P.R.Stepanishen）早在1971第49期的美国声学学报（Journal of the Acoustical Society of America）中的第841-849页，就发表了文章《刚性无限平面障板活塞源的时变力和辐射阻抗》（The time-dependent force and radiation impedance on a piston in a rigid infinite planar baffle），提出了一种空间脉冲响应的仿真模型，但是对于矩形超声换能器，因为矩形超声换能器需要用长和宽两个参数进行描述，因此仿真较为复杂，目前尚没有其空间声压的简便仿真方法；奥切尔（K.B.Ocheltree）和弗里泽尔（L.A.Frizzel）在1989年第36期的IEEE超声学、铁电体和频率控制（IEEE Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control）期刊中的第242-248页，发表了文章《矩形超声换能器的声场仿真》（Sound Field Calculation for Rectangular Sources），将矩形超声换能器分割成微小阵元，各阵元满足远场近似的条件，然后将所有阵元的空间脉冲响应求和，得到矩形换能器的脉冲响应，这样得到声压是近似的，会影响声场计算准确性，而且仿真过程复杂，仿真效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种矩形超声换能器声场仿真方法，其设计新颖合理，实现方便且成本低，仿真效率高、准确度高，能够为优化矩形换能器的设计和制定无损检测工艺提供理论依据，实用性强，使用效果好，推广应用价值高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：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；