[发明专利]一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备及其使用方法

说明书

本发明公开了一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备及其使用方法，所述设备包括光斑聚焦和成像光路、超声信号采集存储机构、高精度位移台和水箱，超声信号采集存储机构的超声水浸换能器浸入水箱，聚焦成像光路将光声信号传输到换能器，信号被放大后送入示波器进行数据采集，最后把所有数据传给电脑。所述使用方法包含以下步骤：a、调整物镜高度，使光声仿体处于物镜焦平面上；b、激光在光声仿体上产生一个脉冲的点声源；c、选择光声点源为原点，调整换能器位置并标记；d、测量光声点源的脉冲信号；e、在高精度位移台的带动下，换能器到新的坐标位置，重复步骤d测量不同坐标位置的空间冲激响应。本发明简单方便，检测精度高。

技术领域

本发明属于换能器表征领域，具体为一种基于光声点源的水浸换能器声场表征设备及其使用方法。

背景技术

水浸换能器作为一种超声发射，接收设备，在超声成像，无损检测，超声定位等方面有着重要的应用。尽管水浸换能器的声场理论预测跟实际对比已经有了较好的吻合，但是实际测量声场的分布仍然是检测水浸换能器质量不可缺失的一项。

现有的超声水浸换能器声场测量主要有两种方法，分别是球反射法和水听器测量法。球反射法利用换能器发射一个连续超声波或者脉冲声波到水里，假设球体具有光滑的表面，那么发射的超声波仅在小球表面与发射声波垂直方向被原路反射，其他偏离垂直点都会被反射到其他方向，沿原路反射的声波再次被换能器接收到，其响应刚好等于小球反射点处的响应。但是实际中存在以下几个缺点：(1)球体本身表面不可能理想的光滑；(2)换能器孔径存在一定大小，从球体非垂直点上反射的超声波依然会被换能器接收到。水听器测量也存在以下问题：(1)比如水听器的尖端直径比较大，不能高分辨率的测量换能器在水中产生的声场；(2)水听器造价昂贵，自身带宽限制了对宽带声场的表征。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种简单方便、测量精度高的基于光声点源的水浸换能器声场表征设备，本发明的另一目的是提供一种适用于高频率聚焦超声换能器声场分析的基于光声点源的水浸换能器声场表征方法。

技术方案：本发明所述的一种基于光声点源的水浸换能器，包括光斑聚焦和成像光路、超声信号采集存储机构、高精度位移台和水箱。超声信号采集存储机构包括超声水浸换能器、前置放大器、示波器和电脑，超声水浸换能器浸入水箱，通过高精度位移台控制超声水浸换能器运动，激光激发的超声波信号以球面波的形式在去气泡的水中传播，光斑聚焦和成像光路将激光对焦到光声仿体上形成一个“点”，该“点”激发出光声信号传输到超声水浸换能器，信号被前置放大器放大后送入示波器进行数据采集，最后把所有数据传给电脑。

光斑聚焦和成像光路包括纳秒脉冲激光器、平凹透镜、平凸透镜、光反射镜、分束镜、套筒透镜、双凸透镜、光电探测器(PD)、电荷耦合摄像机和物镜，脉冲激光器射出脉冲激光，经过平凹透镜和平凸透镜光束被扩大到3倍，再被分束镜分为两束，一部分反射光(占总能量的8％)经双凸透镜聚焦后被光电探测器探测用于能量校准，另一部分透射光(占总能量92％)经过物镜(20X，NA＝0.4)在焦点聚焦形成光斑，光线被散射后经过物镜，再被分束镜反射经过套筒透镜，并被套头透镜焦平面上的电耦合摄像机(CCD)成像，当成像点最小时光斑聚焦最小。光电探测器的信号被示波器采集并传给电脑，电耦合摄像机(CCD)采集的图像也会传给电脑。

高精度位移台通过连杆与超声水浸换能器刚性连接，三台高精度位移台分别负责x、y、z三个方向的位移，带动水浸换能器运动做扫场实验。水箱包括箱体和充满红墨水的光声仿体。箱体内的水经过脱气处理。光声仿体红墨水的厚度为2～2.5mm，优选为2mm。

本设备不限于水浸超声换能器声场的表征，把红墨水仿体替换成薄钢板也可以用于空气环境下扬声器声场的表征。

上述基于光声点源的水浸换能器声场表征方法，包含以下步骤：

(a)调整好物镜高度，使得光声仿体刚好处于物镜的焦平面上，光声仿体上表面刚好浸没在箱体的水中；