基于MATLAB的超声换能器声场可视化软件开发

董 明（西安科技大学机械工程学院，西安，710054）



基于MATLAB的超声换能器声场可视化软件开发

董 明
（西安科技大学机械工程学院，西安，710054）

对超声换能器的声场进行数值计算是当前研究的热点，在分析超声换能器声场模型的基础上，用MATLAB的GUI工具箱对声场进行可视化设计。通过输入换能器参数和介质参数，可以可视化地得到不同情况下的声场分布图，该软件可用于优化检测工艺，也可以指导探头设计。

超声检测；声场仿真；可视化；MATLAB

0　引言

近年来，随着计算机技术的日益进步，在现代超声检测领域研究超声波在工作中的传播规律，并进行数值计算成为研究的热点。超声换能器声场的可视化是超声检测过程模拟的一部分，通过计算换能器在辐射空间各点的声压强度和振幅，来定量地获得介质中的声场分布，并将结果以具体的图形或图像的方式显示。通过换能器的声场可视化研究，不仅可以更好地理解超声波产生和传播机理，而且可以提前对检测工艺的可行性、可靠性进行分析，优化检测参数，降低成本，保证超声检测可靠性和准确性，提高效率。许多国家都在大力开发商用的仿真软件，法国原子能委员会开发了CIVA，加拿大的UTEX科学仪器公司开发了Imagine 3D，武汉大学开发了核电站关键部件超声检测计算分析系统（UTCAS）。虽然国外超声仿真软件开发成熟并应用于工业实际，但其核心技术严格保密，软件价格昂贵。

MATLAB拥有强大的计算和绘图能力，利用MATLAB的GUIDE工具箱可以快速地设计出美观、友好的界面。空间脉冲响应法适用于半无限空间瞬态声场的计算，被认为是效率最高的声场仿真方法。因此，本文基于空间脉冲响应声场理论，利用MATLAB开发了一款可视化声场仿真软件

1　声场理论

空间脉冲响应认为超声探头在辐射空间的声场是探头振动速度与该点处空间脉冲响应函数的时域卷积。利用空间脉冲响应模型，如图1所示，任意形状换能器在任意激励信号时，观察点处的声场可表示为

而为了简化计算过程，一般将观测点投影到换能器平面，通过计算任意时刻投影圆与换能器的相交弧所对应的圆心角来得到空间脉冲响应函数，即空间脉冲响应可表示为是任意时刻投影圆与声源相交弧长对应的圆心角。

图1　空间脉冲响应计算模型

2　基于MATLAB GUI的软件开发

图形用户界面（GUI）是用于与计算机程序之间的交互方式，它是包含图像对象，如窗口、图标、菜单和文本以及工具栏的用户界面。当用户以特定的方式激活或者是选择图形对象而发生变化或是引起动作，通过图形用户界面，可以直观、轻松地与计算机进行交互。MATLAB为用户设计图形界面提供了高效便捷的集成环境，可以设计出功能强大，操作简单以及界面友好的图形用户界面。

2.1仿真软件模块设计

本论文通过MATLAB的GUI设计出超声换能器声场仿真的主界面，在根据模块化设计的思想，本软件主要有参数设置模块、计算模式选择和成像显示三个模块。

（1）参数设置

参数设置包括探头参数设置，主要参数是探头晶片的直径和激励信号的频率；介质参数设置，主要是介质密度及超声波在介质中传播的速度；计算区域设置，用来设置感兴趣的声场的范围，主要是轴线Z方向的长度及X或Y方向的宽度。

（2）计算模式选择

探头的空间声压是个三维问题，如果要以三维的形式呈现声压图像，不仅计算量大，还增加了成像的时间。而根据换能器具有对称性的特点，只需要进行特殊的几种成像即可，主要是声轴线上的声压曲线，声轴线截面内的声压图和垂直于声轴线的声压曲线这三种形式。

图2　软件运行界面

（3）成像显示模块

成像显示模块主要是展现声场计算结果，主要包括三部分，一是声轴线上的声压曲线，二是声轴线截面内的声压图，三是垂直于声轴线的声压曲线。

2.3仿真软件开发

2.3.1软件界面设计

基于MATLAB的可视化软件开发，主要是要开发2个文件，*.Fig文件和*.M文件。*.Fig文件包括GUI的图像窗口和所有子对象（包括用户控件和坐标轴）的设计；*.M文件用来控制GUI并决定GUI对用户的操作响应，包含运行GUI需要的所有代码。在M文件的框架内编写GUI组件的回调函数即可。本文设计的软件界面运行后如图2所示。

2.3.2回调函数开发

界面设计好以后，就要编写回调函数，不同的按钮对应于不同的回调函数。回调函数主要有三个作用是

1）读取文本控件中设置的参数；

2）根据选择的计算模式，计算相应区域的声压，得到声压数据；

3）将数据以图像或曲线的形式显示在图像控件中。

当运行GUIDE创建的GUI时，M文件会自动生成一个叫做handles的结构体。Handles结构体可以看作一个数据的“容器”，包含所有的GUI对象数据。回调函数共3个参数，hObject表示该回调函数所属对象的句柄；eventdata为保留参数，值为空；Handles表示GUI数据。鼠标右击控件，选择“view callbacks”中的“callback”进入按钮所对应的回调函数，在函数体中完成相应程序的编写。

3　运行实例

运行软件，输入参数，探头直径15mm，中心频率2.5MHz，介质密度7.8Kg/m3，介质声速5900m/s，设置计算区域为Z轴方向100mm，X、Y轴方向20mm。然后点击相应的“计算”按钮，得到如图3所示的结果。通过改变参数，可以得到任意区域的声场分布情况。

图3　计算结果

4　结束语

基于空间脉冲响应，利用MATLA的GUI工具箱，开发了超声探头声场仿真软件，该软件可以快速计算三维空间中任意点的声压，并将结果以曲线或图像的形式展现出来，可以快速得到不同参数探头的声场，为优化超声检测工艺奠定了基础。

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Design and implementation of acoustic field visualization software based on MATLAB

Dong Ming
（School of Mechanical Engineering， Xi'an University of Science and Technology，Xi'an China，710054）

Numerical modelling and simulation is an important tool in modern ultrasonic nondestructive testing （NDT）.A model of acoustic field is proposed，and MATLAB GUI toolkit is used to visual the acoustic field. The parameters of transducer and medium is inputted，distribution of acoustic field can be visually implemented in various situations.The software can be used to optimize the transducer design and used in non-destructive inspection technique，which can improve the resolution and reliability of ultrasonic testing.

ultrasonic testing；acoustic field simulation；visualization；MATLAB

TH17

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