超声波测距声场仿真研究

刘雪林　史湘伟　黄兴洲　薛德宽　陈文娟

摘 要： 通过对声场理论模型的研究，利用Matlab软件对声场进行仿真并且给出了可视化的结果，从而使声场的分析大大简化。另外通过控制变量法分别讨论了发射频率以及超声波换能器的尺寸等对声场分布的影响，有利于加深对抽象声场的理解，从而对超声波测距系统进行优化。

关键词： Matlab； 超声场分布； 发射频率； 超声波换能器

中图分类号： TN710?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0101?04

0 引 言

对于超声波测距系统而言，超声波的分布关系到被测物体定位的可靠性和准确性，因此在超声波检测的研究中，超声波声场的模拟尤为重要。从目前国际上的研究现状来看，超声波的模拟主要包含了：工件中声场分布的模拟，声源发射声场的模拟，各向异性材料和高衰减的不均匀材料中声场模拟等，这方面研究包括瑞典乌普萨拉大学开放的基于Matlab的工具箱程序包DREAM，法国的Pierre Calmon先生等创建的Champ?sons数学模等。我国的超声检测模拟和仿真技术的发展相对滞后，新技术研发中计算机技术的应用一直是我国超声检测的薄弱环节。20世纪90年代，浙江大学开发了CAPPNDT系统，冶金部压力容器站研发了NDTS软件，标志着我国超声检测模拟技术得到了进一步发展。但从整体上看，我国在超声检测模拟和仿真技术方面的研究成果相对较少。

1 超声场理论研究

1.1 描述超声场的物理量

超声波声场即在介质中超声振动所波及的质点所占据的空间范围。超声波声场的大小形状受到各种因素的影响，通常采用声压、声强和声阻抗等物理量描述超声场。

2 超声波探测模块

为了研究超声场的特性，选择超声波接收发射模块，对其声波特性进行检测，模块实物图如图2所示。该模块所采用的是间断多脉冲发射，发射电路主要由反向器和超声波发射传感器构成，单片机端口输出的方波信号一路经一级反向器后送到超声波传感器的一个电极，另一路经两级反向器后进到超声波传感器的另一个电极。超声波接收器将超声波调制脉冲转换为电压信号，超声波接收换能器晶片接收到超声波垂直作用后，因谐振而形成逐步加强的机械振动。

3 超声场模拟仿真

3.1 换能器圆盘声源轴线上的声压分布

尽管实际声场与理论分析有所差异，但是在远场区是基本符合的，所以基于该理论推导并仿真出来的实验结果，基本满足实际的测距系统要求。

4 结 语

影响测距系统精度的因素很多，包括超声波传播过程的衰减和环境温度等。因此本系统采用了多级放大电路放大接收的信号，并引入了温度补偿技术，以提高其测量精度。本研究采用基尔霍夫积分法，推导出了超声波换能器在圆盘声源轴线上、远场任意点和声束横截面上的声场，利用Matlab对均匀介质中的超声波声场进行模拟并将模拟结果可视化，总结了超声波声场的传播特性和分布规律，可以有效地降低检测成本。因此，将可视化技术应用于无损检测和超声波声场的模拟中具有重要的实际意义。

注：本文通讯作者为陈文娟。

参考文献

[1] 蒙海英.基于Matlab的超声波声场模拟及可视化研究[D].大连：大连理工大学，2008.

[2] SISTER V G， KIRSHANKOVA E V. Ultrasonic techniques in removing surfactants from effluents by electrocoagulation [J]. Chemical and Petroleum Engineering， 2005， 41（9?10）： 553?556.

[3] 马旭辉，马宏伟.超声无损检测技术的现状和发展趋势[J].机械制造，2002，40（7）：24?26.

[4] LICZNERSKI T J， JARO?SKI J， KOSZ D. Ultrasonic system for accurate distance measurement in the air [J]. Ultrasonics， 2011， 51（8）： 960?965.

[5] 吴飞斌，张晋平，陈文娟.太阳能超声波导盲器的研制[J].现代电子技术，2011，34（17）：137?140.

[6] HASHINO S， YAMADA S， K. An ultrasonic blind guidance system for street crossings [J]. Lecture Notes in Computer Science， 2010， 6180： 235?238.

[7] 张伟志，钢铁，王军.超声检测计算机模拟和仿真的研究及应用现状[J].电子应用声学，2003（3）：39?45.

[8] 方海滨，周晓军.计算机辅助无损检测工艺设计系统开发研究[J].无损探伤，1999（2）：6?9.

[9] 《国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材》编审委员会.超声检测[M].北京：机械工业出版社，2005.

[10] 杨庆，陈桂明，董振旗.一种改进的高精度超声测距方法研究[J].计算机技术与发展，2010，20（12）：209?212.

[11] 施超，陈爱华，杨本全，等.基于C8051F020的高精度超声波测距系统设计[J].现代电子技术，2012，35（16）：15?16.

摘 要： 通过对声场理论模型的研究，利用Matlab软件对声场进行仿真并且给出了可视化的结果，从而使声场的分析大大简化。另外通过控制变量法分别讨论了发射频率以及超声波换能器的尺寸等对声场分布的影响，有利于加深对抽象声场的理解，从而对超声波测距系统进行优化。

关键词： Matlab； 超声场分布； 发射频率； 超声波换能器

中图分类号： TN710?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0101?04

0 引 言

对于超声波测距系统而言，超声波的分布关系到被测物体定位的可靠性和准确性，因此在超声波检测的研究中，超声波声场的模拟尤为重要。从目前国际上的研究现状来看，超声波的模拟主要包含了：工件中声场分布的模拟，声源发射声场的模拟，各向异性材料和高衰减的不均匀材料中声场模拟等，这方面研究包括瑞典乌普萨拉大学开放的基于Matlab的工具箱程序包DREAM，法国的Pierre Calmon先生等创建的Champ?sons数学模等。我国的超声检测模拟和仿真技术的发展相对滞后，新技术研发中计算机技术的应用一直是我国超声检测的薄弱环节。20世纪90年代，浙江大学开发了CAPPNDT系统，冶金部压力容器站研发了NDTS软件，标志着我国超声检测模拟技术得到了进一步发展。但从整体上看，我国在超声检测模拟和仿真技术方面的研究成果相对较少。

1 超声场理论研究

1.1 描述超声场的物理量

超声波声场即在介质中超声振动所波及的质点所占据的空间范围。超声波声场的大小形状受到各种因素的影响，通常采用声压、声强和声阻抗等物理量描述超声场。

2 超声波探测模块

为了研究超声场的特性，选择超声波接收发射模块，对其声波特性进行检测，模块实物图如图2所示。该模块所采用的是间断多脉冲发射，发射电路主要由反向器和超声波发射传感器构成，单片机端口输出的方波信号一路经一级反向器后送到超声波传感器的一个电极，另一路经两级反向器后进到超声波传感器的另一个电极。超声波接收器将超声波调制脉冲转换为电压信号，超声波接收换能器晶片接收到超声波垂直作用后，因谐振而形成逐步加强的机械振动。

3 超声场模拟仿真

3.1 换能器圆盘声源轴线上的声压分布

尽管实际声场与理论分析有所差异，但是在远场区是基本符合的，所以基于该理论推导并仿真出来的实验结果，基本满足实际的测距系统要求。

4 结 语

影响测距系统精度的因素很多，包括超声波传播过程的衰减和环境温度等。因此本系统采用了多级放大电路放大接收的信号，并引入了温度补偿技术，以提高其测量精度。本研究采用基尔霍夫积分法，推导出了超声波换能器在圆盘声源轴线上、远场任意点和声束横截面上的声场，利用Matlab对均匀介质中的超声波声场进行模拟并将模拟结果可视化，总结了超声波声场的传播特性和分布规律，可以有效地降低检测成本。因此，将可视化技术应用于无损检测和超声波声场的模拟中具有重要的实际意义。

注：本文通讯作者为陈文娟。

参考文献

[1] 蒙海英.基于Matlab的超声波声场模拟及可视化研究[D].大连：大连理工大学，2008.

[2] SISTER V G， KIRSHANKOVA E V. Ultrasonic techniques in removing surfactants from effluents by electrocoagulation [J]. Chemical and Petroleum Engineering， 2005， 41（9?10）： 553?556.

[3] 马旭辉，马宏伟.超声无损检测技术的现状和发展趋势[J].机械制造，2002，40（7）：24?26.

[4] LICZNERSKI T J， JARO?SKI J， KOSZ D. Ultrasonic system for accurate distance measurement in the air [J]. Ultrasonics， 2011， 51（8）： 960?965.

[5] 吴飞斌，张晋平，陈文娟.太阳能超声波导盲器的研制[J].现代电子技术，2011，34（17）：137?140.

[6] HASHINO S， YAMADA S， K. An ultrasonic blind guidance system for street crossings [J]. Lecture Notes in Computer Science， 2010， 6180： 235?238.

[7] 张伟志，钢铁，王军.超声检测计算机模拟和仿真的研究及应用现状[J].电子应用声学，2003（3）：39?45.

[8] 方海滨，周晓军.计算机辅助无损检测工艺设计系统开发研究[J].无损探伤，1999（2）：6?9.

[9] 《国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材》编审委员会.超声检测[M].北京：机械工业出版社，2005.

[10] 杨庆，陈桂明，董振旗.一种改进的高精度超声测距方法研究[J].计算机技术与发展，2010，20（12）：209?212.

[11] 施超，陈爱华，杨本全，等.基于C8051F020的高精度超声波测距系统设计[J].现代电子技术，2012，35（16）：15?16.

摘 要： 通过对声场理论模型的研究，利用Matlab软件对声场进行仿真并且给出了可视化的结果，从而使声场的分析大大简化。另外通过控制变量法分别讨论了发射频率以及超声波换能器的尺寸等对声场分布的影响，有利于加深对抽象声场的理解，从而对超声波测距系统进行优化。

关键词： Matlab； 超声场分布； 发射频率； 超声波换能器

中图分类号： TN710?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0101?04

0 引 言

对于超声波测距系统而言，超声波的分布关系到被测物体定位的可靠性和准确性，因此在超声波检测的研究中，超声波声场的模拟尤为重要。从目前国际上的研究现状来看，超声波的模拟主要包含了：工件中声场分布的模拟，声源发射声场的模拟，各向异性材料和高衰减的不均匀材料中声场模拟等，这方面研究包括瑞典乌普萨拉大学开放的基于Matlab的工具箱程序包DREAM，法国的Pierre Calmon先生等创建的Champ?sons数学模等。我国的超声检测模拟和仿真技术的发展相对滞后，新技术研发中计算机技术的应用一直是我国超声检测的薄弱环节。20世纪90年代，浙江大学开发了CAPPNDT系统，冶金部压力容器站研发了NDTS软件，标志着我国超声检测模拟技术得到了进一步发展。但从整体上看，我国在超声检测模拟和仿真技术方面的研究成果相对较少。

1 超声场理论研究

1.1 描述超声场的物理量

超声波声场即在介质中超声振动所波及的质点所占据的空间范围。超声波声场的大小形状受到各种因素的影响，通常采用声压、声强和声阻抗等物理量描述超声场。

2 超声波探测模块

为了研究超声场的特性，选择超声波接收发射模块，对其声波特性进行检测，模块实物图如图2所示。该模块所采用的是间断多脉冲发射，发射电路主要由反向器和超声波发射传感器构成，单片机端口输出的方波信号一路经一级反向器后送到超声波传感器的一个电极，另一路经两级反向器后进到超声波传感器的另一个电极。超声波接收器将超声波调制脉冲转换为电压信号，超声波接收换能器晶片接收到超声波垂直作用后，因谐振而形成逐步加强的机械振动。

3 超声场模拟仿真

3.1 换能器圆盘声源轴线上的声压分布

尽管实际声场与理论分析有所差异，但是在远场区是基本符合的，所以基于该理论推导并仿真出来的实验结果，基本满足实际的测距系统要求。

4 结 语

影响测距系统精度的因素很多，包括超声波传播过程的衰减和环境温度等。因此本系统采用了多级放大电路放大接收的信号，并引入了温度补偿技术，以提高其测量精度。本研究采用基尔霍夫积分法，推导出了超声波换能器在圆盘声源轴线上、远场任意点和声束横截面上的声场，利用Matlab对均匀介质中的超声波声场进行模拟并将模拟结果可视化，总结了超声波声场的传播特性和分布规律，可以有效地降低检测成本。因此，将可视化技术应用于无损检测和超声波声场的模拟中具有重要的实际意义。

注：本文通讯作者为陈文娟。

参考文献

[1] 蒙海英.基于Matlab的超声波声场模拟及可视化研究[D].大连：大连理工大学，2008.

[2] SISTER V G， KIRSHANKOVA E V. Ultrasonic techniques in removing surfactants from effluents by electrocoagulation [J]. Chemical and Petroleum Engineering， 2005， 41（9?10）： 553?556.

[3] 马旭辉，马宏伟.超声无损检测技术的现状和发展趋势[J].机械制造，2002，40（7）：24?26.

[4] LICZNERSKI T J， JARO?SKI J， KOSZ D. Ultrasonic system for accurate distance measurement in the air [J]. Ultrasonics， 2011， 51（8）： 960?965.

[5] 吴飞斌，张晋平，陈文娟.太阳能超声波导盲器的研制[J].现代电子技术，2011，34（17）：137?140.

[6] HASHINO S， YAMADA S， K. An ultrasonic blind guidance system for street crossings [J]. Lecture Notes in Computer Science， 2010， 6180： 235?238.

[7] 张伟志，钢铁，王军.超声检测计算机模拟和仿真的研究及应用现状[J].电子应用声学，2003（3）：39?45.

[8] 方海滨，周晓军.计算机辅助无损检测工艺设计系统开发研究[J].无损探伤，1999（2）：6?9.

[9] 《国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材》编审委员会.超声检测[M].北京：机械工业出版社，2005.

[10] 杨庆，陈桂明，董振旗.一种改进的高精度超声测距方法研究[J].计算机技术与发展，2010，20（12）：209?212.

[11] 施超，陈爱华，杨本全，等.基于C8051F020的高精度超声波测距系统设计[J].现代电子技术，2012，35（16）：15?16.