（光学工程专业论文）超声表面波定位方法的研究.pdf

y 5 8 6 4 5 1 题目 :超声表面波定位方法的研究 摘要 超声表面波定位是在工件表面定位的一种新方法，是一项很 有实用价值的 技术，具有精度高， 成本低， 移动自 由， 使用方便 等优点。本文关于超声表面波定位方法的研究内 容主要包括以 下 几个方面:超声表面波的声场计算;定位方法的确定;定位探头 的研制;影响定位的因素;定位程序的设计。 本文根据定位的特点，对常用的楔形表面波探头的远场做了 分析和计算。在理论上得出了表面波探头在半无限大各向同性介 质表面的声压及指向 性图案，并得到了 较好的实验验证。 本文针对超声扫描成像的 特点，提出了表面波定位的模型， 此模型利用的方法为速度一时间法， 通过测量时间和声速得到待 测的距离。从而确定了扫描探头的位置坐标和偏转角度。 在定位探头的 研制中，研制出了定位用的表面波探头。 提出 了两种方案:内部反射式及其改进方案，方案中利用的基本原理 是超声波首先在探头内 部发生全反射从而达到对扩散角的要求。 在影响定位的因素中，本文主要从理论上加以指导，然后从 实验的角度加以探索，这为该定位方法的 应用指明了方向。 最后在定位程序的设计中， 提出了程序中的入射点、 接收点、 时间修正常数问题，确定了其解决方法，给出了该程序流程图。 关键词:表面波定位速度一时间表面波探头内部反射式 入射点接收点时间修正 未 经作者、 导帅问急 勿 全文公 布 r e s e a r c h o n u l t r a s o n i c l o c a t i n g t e c h n i q u e u s i n g t h e s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s ( s a w) ab s t r a c t t h e s a w l o c a t i n g t e c h n i q u e h a s p r a c t i c a l v a l u e i n t h e f i e l d o f s u r f a c e p o s i t io n m e t h o d a n d h a s t h e a d v a n t a g e o f t h e h i g h a c c u r a c y a n d l o w c o s t a n d e a s y u s e . t h e r e s e a r c h i n t h e p a p e r i n c l u d e s t h e f o l l o w i n g c o n t e n t s : t h e s o u n d f i e l d s c a l c u l a t i o n o f s a w p r o b e ; t h e l o c a t i n g m e t h o d ; d e s i g n a n d p r o d u c t i o n o f t h e p r o b e ; t h e im p a c t i n g f a c t o r o n t h e m e t h o d ; t h e d e s i g n o f l o c a t i n g p r o g r a m . f i r s t , o n t h e b a s i s o f t h e c h a r a c t e r i s t i c o f s u r f a c e w a v e l o c a t i o n , t h e f a r f i e l d o f w e d g e s h a p e u l t r a s o n i c t r a n s d u c e r c a n b e e x p l o r e d . i n t h e p a p e r , t h e s o u n d p r e s s u r e a n d d i r e c t i v i t y p a tt e rn i n t h e h a l f i n f i n i t e i s o t r o p i c m e d i u m s u r f a c e h a s b e e n t h e o r e t i c a l l y a n a l y z e d . t h e r e s u l t o f n u m e r ic a l c a l c u l a t i o n c a n b e v e r i f i e d i n t h e e x p e r i m e n t . s e c o n d , t h e p a p e r h a s e s t a b l i s h e d a s a w l o c a t i n g m o d e l a c c o r d in g t h e c h a r a c t e r o f u l t r a s o n i c s c a n n i n g i m a g e . t h e m e t h o d o f v e l o c i t y一 t i m e l o c a t i o n i s u s e d i n t h e m o d e l t o s e tt l e t h e p r o b e . t h e m o d e l c a n e ff e c t i v e l y m e a s u re t h e d i s t a n c e a n d t h e d e fl e c t i o n a n g l e . d i r e c t i n g b y t h e m o d e l , t h e s a w l o c a t i n g p r o b e h a s b e e n d e s i g n e d . t h e p a p e r p r o v i d e s t w o d e s i g n i n g s c h e m e s : t h e i n n e r r e fl e c t i n g m e t h o d a n d t h e a m e n d m e n t a b o v e t h e f o r m e r . b o t h s c h e m e s u s e t h e t o t a l r e fl e c t i o n p r i n c i p l e a n d m e e t t h e r e q u i r e m e n t o n t h e d i f f u s i o n a n g l e . t h e p a p e r t h e o r e t i c a l l y a n a l y z e s t h e f a c t o r s i m p a c t i n g o n t h e l o c a t i n g m e t h o d . t h o s e f a c t o r s h a v e b e e n v e ri f i e d t h r o u g h t h e e x p e r i m e n t s a n d c o n s i d e r e d i n t h e a p p l i c a t i o n . i n t h e l a s t p a rt , t h e p r o g r a m m e t h o d h a s b e e n e x p l o r e d . t h e p r o b l e m a b o u t t h e i n c i d e n t p o i n t a n d t h e r e c e i v i n g p o i n t a n d t i m e a m e n d m e n t i n v a r i a b l e h a s b e e n s o l v e d . t h e p r o g r a m p r o c e s s c h a rt h a s b e e n l i s t e d i n t h e p a p e r . k e y w o r d s : in c i d e n t p o i n t , s a w l o c a t i o n , v e l o c i t y 一 t i m e , s a w p r o b e , i n n e r r e fl e c t i o n , r e c e i v i n g p o i n t , t i m e a m e n d m e n t j 匕方变通大掌硕士掌位论文 第一章绪论 一、超声扫描成像检测 超声扫描成像检测。6 1 是在计算机的控制下，在获得超声 检测信号的同时，利用扫描器取得检测探头的空间坐标位置，然 后在显示屏对应的坐标点上用检测信号的值调制该点的灰度或色 彩；让检测探头扫描整个被检测区域，最后得到完整的检测图像。 一般情况下该设备包括五个部分：主机( 计算机系统) 、扫描 定位装置、信号检测装置、模数转换装置和成像软件。其工作原 理框图如图l 所示。 图1 扫描成像检测工作原理 其中主机为整个检测系统的控制中心，信号检测装置主要由 超声发射接收卡及检测探头组成，完成数据采集的工作。模数转 换装置通常采用商品化的模数转换卡( a d 卡) 或超声发射接收 和数据采样集于一体的超声界面卡，完成对采集数据的a d 转换。 扫描器有手动和自动之分，它的主要任务是确定检测探头的坐标。 成像软件主要负责数据处理和图像重建工作。 第一章绪论 超声扫描成像技术“1 大多有着自动数据采集、自动数据处理 和自动作出评价的功能，实现了检测的自动化和智能化，有着检 测的一致性好，可靠性、复现性高，存储检测结果可随时调用， 并可对历次检测结果自动比较，以对缺陷作动态监测等优点。 在现代无损检测领域中，超声扫描成像技术已经得到广泛地 应用“，当今，在国际上以美国a b ba m d a t a 公司为代表的超声 成像系统发展已经相当的成熟，实现了现代化的数字检测功能， 能检测多种工件和材料。在国内，虽然整体上与国际的先进技术 有些差距，但超声扫描成像技术也得到了较快的发展，由北方交 通大学和华北电力科学院等合作开发的h l b e 一1 型转予中心孔超 声涡流成像仪在超声成像检测中，实现了超声检测数据的自动采 集、处理、显示和存储。填补了国内空白，达到了国际水准。 现代超声扫描成像设备主要朝两个方向发展，一是朝着多通 道、多功能方面发展，并与其他无损检测方法相结合，构成综合 程度较高的检测仪器。另一是朝着小型，着重提高某一性能的专 用仪器方面发展，研制专用仪器，在此条件下，便携式超声扫描 成像检测设备应运而生，此设备更好的满足了超声成像检测的应 用性，加速了超声成像技术的进一步推广。 在便携式超声成像设备中，定位是其中的关键技术之一，它 直接影响着成像的精度和工作效率，为此人们一直在研究各种定 位方法，力增达到最佳的实用效果。 二、常用超声扫描成像定位方法 超声扫描成像技术中，缺陷的平面定位是通过对探头的平面 定位完成的，自动扫描定位装置“3 “1 采用成熟的数控装置，定位 j e 方交通大学硕士掌位论文 精度可以很高，但是配有步进电机、导轨、传动系统等较为复杂 的机电装置，不适合现场检测、复杂形状构件的检测。因此常用 手动扫描定位装置。现在常用的手动定位装置主要有机械式。“、 光学式n 0 孙1 和声学式”1 等几种。 1 、机械方式 机械方式采用复合连杆机构，利用测角元件测量出各杆的转 角，最后利用已知的各杆长，推算出探头所在的坐标位置。其定 位示意图如图2 所示。其中测角元件安装在扫查盒中。 复合连杆，一 口探头 图2 机械方式定位简易尔意图 机械方式装置具有技术成熟、精度高、易于实现的特点，但 结构较复杂，不适合现场操作和对某些复杂形状构件的检测。 2 、光学方式 光学方式中主要采用的是c c d 视频图像定位，其定位的基本 思路是基于灰度原理，利用合理的拘光和灰度产生方式，使被检 测件和传感器之间产生灰度差别，然后利用c c d 电荷敏感元件提 取这种灰度变化，进行实时定位。其定位示意图如图3 所示。 此定位，传感器与定位系统间没有任何机械连接，而且扫查 检测过程中，检测人员的经验、决策、判断、复检等积极因素可 第一章绪论 以得到合理的充分利用，精度上可以达到0 1 m m 象素点或更高， 但在硬件上需要图像数据采集卡等相应的外设，定位的程序设计 需要相应的视频图像数据处理等技术，加大了成本，不利于推广。 图3c c d 视频图像定位简易不总图 3 、声学方式 声学式定位一般是利用空气中纵波定位的。其定位原理是速 度一时间法，由两个( 或三个) 探头接收发射探头发出的超声波， 根据时间差乘以声速算出接收和发射探头之间的距离，从而实现 定位的。其定位示意图如图4 所示。 图4 声学方式定位简易示意图 d 扫描探头 j 匕方交通大掌硕士学位论文 此种定位方法，在国内普遍采用低频的方法，存在着精度低 的缺点，而采用高频的方法只在国外有相应的技术产品，其中， 以以色列的s o n o t r o n 公司研制的i s o n i c 产品为代表，通过在接 收探头内部放置信号放大装置的方法，解决了高频超声纵波在空 气中传播距离近的缺点，提高了定位的精度。 综上所述，超声扫描成像中常用定位方法的特点及优缺点简 单如下表所示 扫描方式特点及优缺点 自动精度高，结构复杂，不利于现场检测。 机械方式精度高，操作方便；结构复杂，不利于现场 检测和对复杂形状构件的检测。 手动光学方式 精度很高，操作容易；所需外设多，成本高。 声学方式重量轻、体积小、使用灵活；国内，精度低。 国际上，精度很高，但价格昂贵。 由上表可知，超声扫描成像中常用的各种定位方法，都有其 自身的局限性，从应用性的角度来说，都限制了超声扫描成像技 术的推广，本文所研究的方法，是利用超声表面波在物体表面进 行定位的一种方法，是平面定位的一种新方法。在所研究的定位 系统中，以两个探头为发射探头，产生并发射表面波，同时在工 件表面上放置另外的两个探头，作为接收探头。测量出表面波在 发射和接收探头之间传播的时间，乘以声速，就能够计算出二者 之间的距离，从而确定发射探头的位鬣进而可得扫描探头的位置 和转角。使用时两个接收探头固定，两个发射探头与扫描探头固 连。超声发射接收器至少需要两个独立的通道，分别用于扫描和 定位。这神方法，相比较而言，能够避免上述方法中所存在的缺 第一章绪论 点，有很大的精度，很低的成本，并且移动自由，使用简洁、方 便，加速了便携式超声扫描成像设备的推广。 三、本论文研究的主要内容 本文以表面波定位作为便携式超声扫描成像技术的定位方 法，主要作了以下几方面的内容。 1 、对常用的楔形表面波探头的远场作了分析和计算，并从实验中 加以验证。 2 、定位方法的确定。 3 、定位探头的研制。 4 、确定影响超声表面波定位的因素。 5 、在原有超声扫描成像软件的基础上设计出相应的定位程序部 分。 月 匕岌 夕3 毛 3 甩j- , : 岑 二 刁卜七- 岁 之 1 立i 仑岁 忆 第二章超声表面波的基础理论 应用超声表面波定位， 首先需要了解超声表面波的一些知识， 这一章将对定位中所涉及的有关超声表面波的基础知识做一个系 统的介绍。 第一节表面波的基本理论 s 一 2 1 声表面波( s a w) 是超声电子学的一个重要组成部分，早在 1 8 8 5年瑞利就从理论上阐明了各向同性固体表面上传播的弹性 波特性，它在固体厚度大于两倍波长情况下容易传播。表面波传 播时介质表面层质点运动状态具有纵波和横波的综合特性，质点 运动的轨迹是只限于x, z 平面内的椭圆，坐标如图2 - 1 - 1 所示， 其位移方程为: u x = a klex(- qz)一 2qsk2 - s2 .p(- - ) expli(“ 一2 jj (2- ，一， a qlexp(- q.-，一 20 exp 。 脂 1k2 + s2 exp(- szexpi(kz一 。(2-1-2) x 二一烈竹 补、鱿-卜.扩 牲饭拭月 粼若 非器 : 赶 ! ， :l : 拼: ; : 书 粼 狱戮葬 典 嗽蒸燕 ycj 朴沉斌斌 电 0 小叩呻:小.价小丫十。 少傲点喇曰州沐一 落 褪 蒸 二 湃药 轰 : : ;乏 朴 ;:鑫 瑛 必 丝!过蓬 趁1 : 狄:7: 之 撼: 1 :i: 燕 :i: 图2 - 1 - 1 k 刃k ; s = 召 k 二 k ,2 k ， 一 介 质 中 纵 波 波 数k ， 一介质中 -、 2-一 uq 横波波数 k 一介质中 表面波波数 u ， 一质点在x方向 位移 u z 一 7 一 超 声 表 面. 波 的 遨 础 理 论 一质点在2 方向 位移 式子2 - 1 - 1 , 2 - 1 - 2 可以简写如下 一 u i az 一 p一 ( 一2 )一 w 二 二 _za 一expli(kx 一 ， u a 一 质 “ 沿 ” 向 位 移 振 幅 u l z j = a kiex(- qz，一 24s j exp(-k - s2二 ， 二 !_z 一 质 “ 沿 z 方 向 位 移 振 幅 ( 2 - 1 - 3 ) ( 2 - 1 - 4 ) 2 k k +s 一 (- “ ， 2 - 1 - 3、2 - 1 - 4 可得 ( 2 - 1 - 5 ) 式子2 - 1 - 5 表示质点的运动轨迹为一椭圆。 对 钢 而 言 ， 其 泊 松比 。 = 0 . 2 9 令w ( o ) 表 示 表 面 上 点z方向位移振幅，计算可知 ( 二= 0处 ) 质 二 : ) 一 l a j ! 随 兰 值 的 增 加 而 很 快 衰 减 wt o ) 1 兄 。计算可知当 洲 - 8 - 北 方 交 通 大 学 祠 沉 士 学 位 士 仓 文 ! _ _ _ 妇 _ 川 w1 - i u 二 日 z 一 二 兄u 二 、一分 、 、 ， 一 . ， _ ._ 、1 几 -= 2时，i 的数值降到近于 1 %( - 4 0 d b ) ， 卜 去 , , i a 1 w (o) 】一w (o) i % 以下。可见， 表面波声场的深度范围可以认为是 z = 2 之 用表面波检验的深度范围。 则降到 1 这也是 ( 2 )在声场深度范围内一直是 w i z 1 1 一u 习 几 ( 、 i a ! 一=卜于 2卜 污子 w( o ) i w( o ) 可 见 ， 二 : ) 是 椭 l aj 圆 的 长 轴 ， 质 点 位 移 最 大 振 幅 取 决 于 w z 1 a l 滩 (3 ) 当 : = 0 .1 8 3 ; 时 ， u 干 : 1 = 0 ， 且 随 深 度 刁 、 于 或 大 于 该 值 一 l 之 时 ， u r 三 ) 的 值 改 变 符 号 。 这 表 明 在 : = 0 .1 8 3 、 处 没 有 水 平 方 向 的 l a _ j 振动， 质点沿z 方向 直线振动，且深度在该值上下变化时，质点 作椭圆运动的方向改变. 表面波的传播速度在平面表面上只与介质的弹性性质有关， 与频率无关，表示为 0 . 8 7 + 1 . 1 2 q l +o 对于 钢， 有， * 二 0 .9 2 6 c , 。 ， ， 一表 面 波 速度 c ， 一介 质 横 波 速 度 一9一 第 二二 章超 声 来 冠 可 波 的 基 础 理 宝 仑 第二节 超声表面波的声场计算 定位的需要决定了我们利用的是表面波探头的远场，所以本 节对常用的楔形表面波探头的远场作了分析和计算。在理论上给 出了在半无限大各向同性介质表面的表面波声压特性和指向性图 案。对于钢介质并作了数字计算。 一、理论 图2 - 2 - 1 表示一个置于半无限大介质表面的楔形探头， 斜楔 角为。 ， 矩形压电晶片的 长、宽分别为2 b 1 . 2 a , 晶片在x o y 平 面上的投影为矩形长、 宽分别为2 b , 2 a 假设晶片以角频率。作 简谐振动，忽略斜楔中的衰减、混响及声束沿截面方向的不均匀 性， 又 介 质的 声阻 抗 远 远的 大 于 斜楔的 声 阻 抗， 再 根 据k u h n 2 22 等人的结果， 可让楔形探头的作用等效地考虑为固体介质表面上 有法向应力分布: p a e x p ( - k o y + i t m ) 一 一一 一 椭圆内 0 一一一一椭圆外 ( 2 - 2 - 1 ) pzz 图2 - 2 - 1 楔形探头及其在介质表面引起的矩形应力区 一 1 0- 北 方 交 通 大 学 硕 吐， 学 亡 之 论 文 其 中 k 。 二 k , s in a ; 气为 斜 楔 中 纵 波 波 数 ; p二 p c o s t a ; 几 为晶片下斜楔面上的 法向 应力;c o s a = b l / b m i l l e r 与p u r s e y 2 31 等 曾 经 计 算了 和 波 长 相比 很 小的 表 面 法向应力源，在半无限大、各向同性、无损弹性体所产生的表面 波远场。在这个基础上，我们可以写出矩形内每一面积元上的应 力所产生的声场， 然后计算具有2 - 2 - 1 式分布的 应力源所产生的 总声场。 设面积元d q 上有法向 应力p， 它在远处q 点会产生位移， 取图2 - 2 - 2 所示坐标， q 点 相 对于d a 的 位置由 坐标( r o ， 二 / 2 ， p )来表示。 图2 - 2 - 2 接 收 点q的 位 里 对于表面波， q 点在z = 0 的自 由 表面上， 有沿r 的和z 方向 上的 表面 波的 二 个 位 移 分 量 取r - 1 ， 项 并 略 去高 次 项， d u 胃 卜 一 (k, ) 2ka 一 风)2 j - (k , )2- r - k e 二尸 一 ; 兰 = - 甲 2 ;c u ( 2 - 2 - 2 ) 立f ( ) a 一 不获 u ak r r 一 u 一 第 二 章超 声 农 面 波 的 as 础 理 论 _ 11 一 (鱼 、 ， _ ( k k . ) v一 k a .， _ e - k r r 十 , a u; = r- 一 片 去 一 节 ， 二 一 一 一 一 一 二 产 一 一 e”一 一 声 = 二 二 一a c , 1 2 ) r u 7 - 。 、 !jk r 二 下 丫 户( 右) i l a d j ; 二 * ， ( 2 - 2 - 3 ) 其 中f ( ) _ 烤， 一 对 了 一 褚了 驴 二 万 指 瓦万k ， 一 介 质 中 表 面 波 波 数 k ， 一介 质中 纵 波波 数 k ， 一介 质中 横 波 波数 在单个面积元d 。内，p 设为常数。 在图 2 - 2 - 1所示的矩形 区域内，则按 2 - 2 - 1 式，不同d v内p 的相位是随d 的y 方向位 置 而 变 化的 . 因 此 p 二 p 妙 ) 二 p e _ iko 引入符号: a 3 、 _ _ k、 ， 1_ 仁 厌_ ;厂 k、 ， 1 2 一( 一 ) i 一1 _ 1 1 一( ， 一 1 一 - ) - k 一 l k r j v k r v 一 k rr e 2 z ra . u 爪二二下一 i - r传) 1 l a d ; . * ， ( 2 - 2 - 5 ) 所以对于表面波，有 ( - ikr + k p y ) d u r = p a s k 骊 一d o -( 2 - 2 - 6 ) d u z = p a s v e ( - ik , r i k r ) 在 d v( 2 - 2 - 7 ) 现在考虑矩形区域内 全部面积元的 应力对q 点 位移的贡献。 取矩 形区 域的中 心点 为 坐标原点， 并设q 点 坐标为 ( r o ，二 / 2 , (a ) 一 1 z- 北 方 交 通 大 学 zn 学 位 士 仑 舀 弋 ( 图2 - 2 - 2 ) o q 点 位移可用积分求得。 设矩形区相距很远，则对所有面积元而言 e - !k r e ik x ( kr ” 十k0y d v ( 2 - 2 - 9 ) 略去下标可得 、 一 ab : a 3h 豁k 3 (q) 二 ; 一 。 : ， 3， - krra 3v e r k 7 (p) ( 2 - 2 - 1 0 ) ( 2 - 2 - 1 1 ) 其中，k 3 ( (p ) s i n m s i n 1 m1 m = k , s in q ) a 1 = ( k r c o s v 一 k , s in a ) b 对于直径为2 a 的圆形晶片，其在x o y 平面上的投影为一椭 圆，短轴为2 a ， 长轴为2 b ， 同理可得: 翌在型涯 u s = mb p a 3 h ( 2 - 2 - 1 2 ) u sz = m b p a , ( 2 - 2 - 1 3 ) 在这些方程中， 2 j . ( , f l可.丽) h 3 = 一l z + m 2 一 3 3 一 第 二 二 章超 声 来 面 波 的 基 础 3a 论 j , ( j 1 2 + m 2 ) 1 , + m 2 叉( - 1 ) ( 2 n + 1 ) j z + 1 ( 1 ) j 2 . , ( m ) 1 m j 2., (1) = 三 :竺 兰 f e1-9 c o s (2 n + 1 )/6 d /8 二、 数字计算 对于压电晶片是矩形，介质是钢，斜楔材料是有机玻璃的情 形，作了数字计算， 其有关参数为: f = 2 m h z , c l = 2 6 2 9 m / s , c r = 3 0 1 2 m / s 晶 片 为 l o m m * l o m m ， 经 过 计算表面波轴线声压曲 线如图2 - 2 - 3 所示 为了 简单， 式中x轴坐标为 测试点q 距发射探头中心距离， _ _ . ， ， _ _于_、u ; ( r ) r细m怀 p i 农不刀 ， 下 下 久一一 。 u 三 体) ir = , 0 c m 。!0s几。 1 . i s 2 0 2 5 3 0 x a x i s t iv e单位侄米 3 5 40 图2 一 2 一 3楔形探头表面波的 轴线上声压曲 线 一 1 4 - 北 方 交 通 大 学 a m 性二 学 位 论 文 表面波指向 性图 案如图2 - 2 - 4 所示。 式中x轴 表示尹 的 角 度，y 轴 表 示k 3 ( 叻， 图b , c , d 三 线 表示a分别为6 0 . 8 0 , 5 5 . 0 0 , 6 5 . 0 “ 所对应的曲 线。 三_ 呈 6 0 .8度 。 。 一 / 。“ 卜 / 65 it 一 止 51 ， o x ax i s ti t l e 图2 - 2 - 5 楔形探头的表面波指向 性图案 从以上的理论可以得知:晶片的频率越小，宽度a 越小，那 么所得的表面波远场的指向 性就越不好，也就是说它的扩散角越 大。 一 1 5 - 阵 三 二幸来 面 波 定 位 第三章表面波定位 表面波定位，顾名思义，就是利用表面波来定位，因为表面 波只能在固体的表面传播，所以此定位方法是一种在固体表面定 位的一种方法。本章就表面波定位加以详细的介绍. 第一节定位原理的简单介绍 本文涉及到的 表面波定位属于声发射源的定位2 4 1 ， 需由 多通 道声发射仪器来实现。 所采用的方法为二维速度一时间定位方法。 对于一般的二维速度一时间定位方法其工作原理如下图 3 - 1 - 1所 尔 : 图3 - 1 - . 定位原理 本方法的主要工作， 也可以说主要目 的就是确定某一点的位 置。 这一点就是超声波的声源，定位时用其它探头接收此声源发 一 1 6 - 北 方 交 通 大 学 za 士 学 位 论 文 出的超声波。结合本论文的工作，可以认为声源s 发出的超声波 为表面波。超声表面波由这一点发出， 沿着固体的表面传播， 在 表面波传播到的范围内，用表面波接收探头接收，测出声波由声 源到接收探头的传播时间， 然后乘以声速， 就可以 得出二者之间 的距离，同时用几个接收探头，便能够确定声源的位置，从而达 到定位的目的。 图3 - 1 - 1 即为表面波定位的原理图。图中a , b , c三点为接 收探头的位置 定位时， ，三圆相交于一点，即声源的位置，设为s e 由声源发出的表面波传播到 a ,b ,c 个接收探头所接收， 所用的时间， 设为t o 并测出表面波从声源传播到 a , 三点，被三 b , c 三点 、 t , , t ， 又因 为声 速， 一定 且可知， 所以 就 可以知道声源和三个探头的 距离， 设为l e , l , , l , ， 则有 l o = v x t a l , = v x t , l , = v x t 自a , b , c 三点分别以l o , l , , l 。 为半 径画圆， 如果a , b , c三点不再同一直线上，则三圆必定相交且仅相交于一点， 这一点就是声源的位置。这样，便确定出了声源s 点的位置。 然而在实际扫描成像系统中不光要得到扫描探头的位置信息 同时 还要确定扫描探头的 偏转角度， 只有这样扫描成像才能准确 的反映出被检物体的真实情况， 所以根据需要我们设计如下定位 模型，如图3 - 1 - 2 所示:c和d为表面波定位的发射探头， a和 b为接收探头， 在实际应用中c和d要与扫描探头固 连， 为简单 一 i ， 一 絮 三 三 章表 面 波 定 位 起见我们通过确定探头c的位置和探头c与探头d所成的a 角 来表示。实际应用中a和 b固定且位置已知，c和 d之间的距 离也是定值， 而c和d是要随着扫描探头同步运动的。 设它们之 间的距离分别为a , b , c , d , e 则“ 有如下形式: hz = si(si - a)(si - b)(s, - f )f 、 一 s2亘 亘 (s2 - d )(s2 - d ) 。 一 a r c o s 4 - k 定位时由声源发出的表面波传播到a和b两点， 被两个接收 探头所接收， 并测出 表面波从声源传播到a和b 两点所用的时间， 设为几 。 、t o、t b 和偏， 又因 为 声 速v 一 定 且己 知， 所以 就 可以 知道声源和两个探头的距离。 a=v x t a i b 二 ， x t c=v x t b d d=v x t e d 其中 : 1 一 粤 (a + b + f ) 艺 一合 ( + d + f ) 而对于c点的 位置信息可以 沿用上述方法。由 于a , b 已 知， 一 1 s- 北 方 交 通 大 学 不 更t 学 t 立宝 仑文 所以就可通过以a和b为圆心a , b 为相应半径的方法确定声源c 点的位置。值得注意的是此方法从理论上分析有它的不足之处， 即由两个探头是不能测出声源c点的位置信息。 也就是说此种方 法存在着c点的伪点。 其实从理论和实践上稍作分析就可以达到 去伪存真的目的。 所谓的伪点c 是以线a b为对称轴的c点的对 称点。 而在定位时由c以及扫描探头组成的扫描系统只能在a和 b的一侧，所以真正使用时只要在定位软件上稍加处理即可。 图3 . 1 - 2 定位原理图 此种方法很好的 解决了超声成像中的二维定位问题且原理简 单， 操作方便，用超声实验仪配合示波器就可以 应用，如果用计 算机进行处理，则能够更加准确。 但是，这种方法也有局限性。用表面波就限定了定位只能在 固体表面上进行，只能是二维的，不能够推广于三维的空间。 一 1 9 - 第 三 三 章表 面 波 定 位 第二节定位探头的研制 随着目 的的不同，探头的形式也是多种多样的，因此探头的 设计和制作工艺也不一样，即使是同一类型的探头，随着目的不 同也不尽相同。 表面波定位所用的探头更是有特殊的要求， 在本章第五节 方 案的可行性分析和建议) 将加以详细介绍。因此定位探头需要专 门设计和制作。 2 , 1 定位探头设计理论及实验 探头的设计要结合理论和实际两个方面，需要完备的理论和 一系列的实验作为基础。 . 探头设计的理论基础 探头的设计，需 要考虑很多 方面的问 题， 最主要的如探头的 频率、 结构等， 其次还要考虑扩散角、 压电参数、 传播特性波长、 近场长度、q值以 及晶片的镀银方法等。 表面波探头的设计，还 需要特别考虑斜楔的形状， 以免使由界面反射的波回到压电晶片， 影响探头的性能等。 在设计过程中， 将主要考虑频率、结构、扩散角、斜楔形状 等几个主要方面。 探头的频率是影响探头性能最主要的因素。对于一般的表面 波探头，其频率越小它所能传播的有效距离就越长，又由于它在 同一介质中传播的速度不变，所以 其波长就越大这就影响了定位 的精度。同时，探头扩散角的大小也是定位的一个重要因素，由 上一章可知频率直接影响着扩散角。可见，频率是一个重要的性 能指标。 - 2 0- 北 方 交 通 大 学 五 页 士 学 位 未 仑文 探头的性能还与探头形状是否合理 ( 尤其是表面波探头) 有 很大关系。 设计探头形状应掌握两个原则: 1 、 使入射声束在界面 上产生尽可能多的表面波， 并使这些表面波尽可能多地发射出去， 沿一定方向传播经反射后能再次进入楔块中而损失最小。 2 、 要求 在始波的后面没有其它杂乱信号出现以利于对接收信号的判断。 定位的需要决定了我们关心的是表面波探头的远场声压和指 向性，为此，我们做了如下实验。 . 探头设计实验 实验一表面波的产生实验 本实验的目 的是验证表面波产生的角度范围。 本实验所用到的仪器有 j d u t - 2型超声波实验仪，示波器 ( h i t a c h i o s c i l l o s c o p e v - 1 0 6 5 a ) , 2 m h z 可变角探头，平面钢板。 实验的原理就是前一章所述的关于表面波的原理. 当晶片的倾角小于第二临界角5 4 .5 0 时， 由于钢中还存在着横 波干扰， 不便于观察， 因此可以 取实验的角度范围为5 4 . 5 0 到g o o . 先联结好仪器和探头，然后调节超声波实验仪和示波器至适 当的位置。固定接收探头的位置，然后前后左右移动接收探头， 使接收到的波恰好在横轴上某一个刻度的位置，如在刻度2的位 置。自 5 4 .5 。 至9 0 0 的范围内 缓变可变探头的角度， 观察接收到的 波的强度的变化，反映在示波器上即为接收波高度的变化。 实验中，可适当调节衰减器，使发射探头角度变化时接收探头的 波形都在屏幕内，以便于观察比较。 验证接收到的波型为表面波时，可以 用手在发射和接收探头 之间轻轻的按压或者在超声波传播的路径上轻轻划动，如果接收 - 21 一 第 三 乙 幸表 面 波 定 1 立 波的强度， 也就是屏幕上的高度有变化的话， 那么波就是表面波。 实验证明当晶片的倾角大于第二临界角时确实有表面波产生而且 强度也随着晶片倾角的变化而变化。 实验二 矩形晶片的表面波远场声压及指向性图案 本实验的目的是测出常用的表面波探头的远场声压特点和指 向性图案并据此设计表面波定位探头。 考虑到前边的理论，本实验各项参数与第二章的相同。接收 探头晶片为石英晶片， 前面加一有机玻璃的截头锥体， 其头部直径 为4 毫米。晶片频率为2 m h z 。同时，接收探头的晶片与有机玻璃 的 截面成一定角度( 6 0 . 8 0 ) 这样有利于表面波的接收。 发生和接 收信号的仪器同 前， 试块为一长5 0 0 m m * 2 0 0 m m , 厚约为1 5 m m 的钢 板。 实验中通过调节发射探头的角度改变发射角a， 移动接收探头 可得到不同 角度lp 的声压。 实验中改变发射探头和接收探头的相对位置， 距离越近， 测得 表面波指向性图案中的主瓣显得愈宽， 距离增大到十厘米以上时， 与理论曲线基本符合。 图3 - 2 - 1 给出了a = 6 0 . 8 ” 时， 表面波轴向 声压的实验曲 线与 理论曲线。 图3 - 2 - 2 给出了a = 6 0 . 8 “ 时， 表面波指向 性图 案的实验曲 线 与理论曲线。 矩形晶片的表面波远场声压及指向性图案在误差允许的范围 内基本符合了前面的理论。此实验中所得到的声压在5 0 0 m m 的范 围内有着良 好的信号， 但其扩散角只有 9 “ 左右这远远满足不了定 _ 2 z一 北 方 交 匀 眨大 学 不 负 d 忿 学 士 立 1 仑文 位探头的需要。 一日 - 一c 1 . 0 0. 9 0 日 o 7 山一思15一洲哎卜 0 6 05 0 . 4 1 0， 52 0 2 5 3 0 x ax i s t i t l e 3 5乙 0 图3 - 2 - 1 楔形探头轴线上的声压曲 线 bc 1 . 2 1. 0 0名 . 测试 曲线 理论曲践 0.5 0.4 0. 2 00 a一洲一15x哎卜 2 0 1 0 0 x ax i s t川白 1 02 0 图3 - 2 - 2 楔形探头的表面波指向 性图案 - 2 3一 j 险三 二常表 mr 波 l itt 立 2 , 2定位探头的设计 根据以上的理论和实验，可有两种设计方案。一种是组和式 探头.一种是内部反射式探头。 2 , 2 , 1 组合式探头设计 这种设计方案是最普通的一种方案， 也是最先考虑到的方案。 其特点是由 一组晶片组成，如图3 - 2 - 3 所示: 图3 - 2 - 3 组合式探头结构 图3 - 2 - 3 中多边形的每一边为一个晶片，每一个晶片的倾角 都一样，因为每一个晶片的扩散角都不大，如果使用晶片组使探 头扩散角为1 8 0 0 ， 这样就能够达到定位探头的要求。 但是，因为 2 m h : 探头的扩散角约为9 o ， 要想达到1 8 0 0 的覆盖角， 2 m h z 的晶片 需要2 0 片， 为了减少晶片的数量应当使用尽量小频率的晶片。 但 是又不能使频率太小，这样会降低精确度，因此应适当选择，可 以用1 m h z 的晶片。 同时可以用减小晶片边长的办法来增大晶片的 扩散角。晶片的边长太小，会影响超声波的能量，降低定位的范 一 2 4一 北 方 交 通 z pl 学 书 页d 匕 学 位 论 文 围，应该综合各方面的因素考虑，可以 定为5 m m x 5 m m。 由前边的理论可计算出每个晶片的扩散角约0 = 3 5 。这样， 只用五个晶片就可以了。 这种方法，原理简单，但是结构复杂， 在制作上有很大的困 难。尤其是在晶片的排列上，首先要保证各个晶片中心的法线相 交于探头的中心位置。如果晶片中心位置的法线没有相交于探头 中心点，也就是说晶片的排列不是一个正多边形，那么探头的每 个晶片到中心的距离便不一样。粗略的讲，我们定位时测得的距 离是晶片到接收探头的距离，还必须再加上晶片到探头中心的距 离，如果晶片到探头中心的距离不一样， 那么就无法正确的计算 出接收探头到发射探头中心的距离，也就无法确定发射探头中心 的位置。 并且，还有一个问题就是晶片的边缘问题。因为晶片存在着 一定的倾角，并且倾斜的方向各不相同，而是向 着各自 所处位置 的探头外沿方向。 因此， 在晶片的交接处， 就不能够完好的吻合， 而有一定的缝隙和交错。这将会影响定位，在正对着这个缝隙的 时候，很难确定此时第一个接收到的波是由哪一个晶片发出。这 也给探头的制作带来困难，有机玻璃的斜楔将会变得非常复杂， 制作起来非常的麻烦。 这种方案还有一个致命的缺点。 在定位时，将以接收探头接 收到的第一个波作为标准来测量表面波传播时间。从发射探头的 角度来说， 每一个晶片的 每一个地方都会发出 超声波， 每一个点 都可以看成是一个声源，那么，就像上面所说的边缘问题一样， 就很难确定接收探头所接收到的第一个波是由哪一个点发出的， -2 5 一 第 三乙 常表 面 x 之定 位 就无法正确的知道这一个点到探头中心的距离。精确的说，定位 时所计算出的接收探头到晶片的距离实际上是接收探头到这一点 的距离，定位时必须再加上这一点到探头中心的距离。正因为探 头的晶片是方形的，所以晶片上每个点到探头中心的距离便不一 样。无法确定接收到的第一个波的声源位置，也就无法知道接收 探头到发射探头的中心距离。 因此， 这种方案设计的探头只能作为粗略定位。并且这种方 案探头的制作尤为复杂，所以不采用。这里仅仅是简单的介绍一 下。 2 , 2 , 2内部反射式设计方案 内部反射式设计方案是超声波在探头的内部首先发生一次全 反射，将原来仅向 一个方向的超声波反射到各个方向。使之能够 覆盖的角度为3 6 0 0 卜 一 一 一 一 娜 求 一 0 2 州 二 ， - - 一 r - - . 那 石1 图3 - 2 - 4 内部反射式探头结构原理 上图为探头的剖面图，晶片为圆形，下面是一个金属圆台， 其母线与底面的夹角为a, a角必须保证超声在此界面上能够全 -2 6 - 北 方