一种圆形换能器空间脉冲响应的快速确定方法

摘要

本发明公开了一种圆形换能器空间脉冲响应的快速确定方法，包括步骤：一、在数据处理器上输入圆形换能器的直径和需确定空间脉冲响应的空间点的坐标；二、首先，数据处理器根据圆形换能器的直径，对应找到存储在其中的直径为的圆形换能器平面上点的空间脉冲响应表；然后，数据处理器计算空间点在圆形换能器平面上的投影点的空间脉冲响应的编号，并根据编号查找得到空间点在圆形换能器平面上的投影点的空间脉冲响应；三、采用线性插值算法对空间点在圆形换能器平面上的投影点的空间脉冲响应进行插值运算，得到空间点的空间脉冲响应。本发明方法步骤简单，圆形换能器空间脉冲响应确定的精度和效率高，可扩展型号，实用性强，便于推广使用。

说明书

技术领域

本发明属于换能器空间脉冲响应确定技术领域，具体涉及一种圆形换 能器空间脉冲响应的快速确定方法。

背景技术

在实际的超声检测系统中，一般使用尖脉冲作为激励信号，换能器工 作在暂态状态，要对换能器辐射空间的声场进行有效的分析，就要研究换 能器的脉冲声场理论。虽然可以利用频谱分析，把脉冲波看作很多个单频 波的叠加，进而得到脉冲波的声场，但这种方法都要进行大量的计算，限 制了其应用范围。根据线性系统理论，Stepanishen在1971年《TheJournal oftheAcousticalSocietyofAmerica(美国声学学报)》第49卷第5 期第1629-1638页发表的文章《Transientradiationfrompistonsinan infiniteplanarbaffle(刚性平面活塞源的暂态声场)》中提出了基于 空间脉冲响应的声场模型，可以用来描述脉冲波声场，相比于有限元、时 域有限差分等声场仿真方法，空间脉冲响应因为计算精度和计算效率都很 高，被认为是声场仿真计算的“黄金准则”。Jensen在2001年《Journal ofComputationalAcoustics(计算声学)》第9卷第3期第731-744页 发表的文章《Speed-accuracytrade-offsincomputingspatialimpulse responsesforsimulatingmedicalultrasoundimaging(医学超声成 像模拟时计算空间脉冲响应的效率和精度问题)》中将换能器分割成很多 微小阵元，对各阵元空间脉冲响应与激励信号的卷积求和，进而得到换能 器的声场，该方法需要对大量阵元的空间脉冲响应进行计算，计算效率较 低。因此，一些近似的方法被提出来，菲涅耳近似要求分割的阵元尺寸满 足特定的条件，即(a为阵元宽度，l为观察点到声源的距离，λ为波 长)，这种近似方法限制了计算点的位置以及声束的偏转范围，特别是当 计算点离探头距离较近里，微小阵元的数目就会特别巨大，计算效率很低。 D’hooge等在1997年《TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica (美国声学学报)》第102卷第1期第78-86页发表的文章《The calculationofthetransientnearandfarfieldofabaffledpiston usinglowsamplingfrequencies(用低采样频率计算刚性障板近场和远 场区的瞬态声场)》中提出了一种用较低采样频率计算远场空间脉冲响应 的方法，但该方法要求探头是有限带宽，限制了声场的高频成份。空间脉 冲响应直接计算，不受计算点空间位置以及远近场的限制，但为了保证计 算精度，对于远场区的观察点，空间脉冲响应持续时间很短，要采用很高 的采样频率，导致数据量大、计算效率低。

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 种圆形换能器空间脉冲响应的快速确定方法，其方法步骤简单，实现方便， 圆形换能器空间脉冲响应确定的精度和效率高，可扩展型号，实用性强， 使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种圆形换能器空间 脉冲响应的快速确定方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、在数据处理器上输入圆形换能器的直径D和圆形换能器辐射 范围内需确定空间脉冲响应的空间点P的坐标(x,y,z)；

步骤二、首先，数据处理器根据圆形换能器的直径D，对应找到存储 在其中的直径为D的圆形换能器平面上点的空间脉冲响应表；然后，数据 处理器根据公式计算得到空间点P在圆形换能器平面上的投影 点的空间脉冲响应的编号j，并根据编号j查找得到空间点P在圆形换能器 平面上的投影点P′(x,y,0)的空间脉冲响应h(0,y,0,t)；其中，s为取点空间步 长，s的取值为0.05mm～1mm且为正整数；t为时间；

其中，直径为D的圆形换能器平面上点的空间脉冲响应表为圆形换能 器平面上点的编号与圆形换能器平面上点的空间脉冲响应的对应关系表， 其获得方法如下：

步骤201、参数设置：在数据处理器上输入圆形换能器的直径D、取 点空间步长s和超声波在介质中的声速c；

步骤202、首先，以圆形换能器的中心为原点，建立空间直角坐标系； 然后，以空间直角坐标系的原点为起点，以取点空间步长s为间隔，在空 间直角坐标系y轴上取n个点，将n个点从起点开始依次编号为1～n的自 然数，并以采样频率f₁计算n个点的空间脉冲响应h₁、h₂、…、h_n；其中， 4D≤ns≤6D，f₁的取值为500MHz～2500MHz，j的取值为1～n的自然数；

步骤203、将n个点的编号与n个点的空间脉冲响应h₁、h₂、…、h_n一一对 应进行存储，形成圆形换能器平面上点的编号与圆形换能器平面上点的空 间脉冲响应的对应关系表；

步骤三、采用线性插值算法以插值频率f₂对P′(x,y,0)的空间脉冲响应 h(0,y,0,t)进行插值运算，得到空间点P(x,y,z)的空间脉冲响应h(x,y,z,t)，具 体过程为：

步骤301、获取h(x,y,z,t)在h(0,y,0,t)中的索引号其中， m＝1,2,…,M，M为h(x,y,z,t)的长度，且f₂的取值为300MHz～1000MHz且

步骤302、采用公式ind(t)＝int(i(t))将i(t)整数化为ind(t)；

步骤303、从投影点P′(x,y,0)的空间脉冲响应h(0,y,0,t)中找到索引号为 ind(t)的空间脉冲响应h(0,i+1,0,ind(t)/f₁)和索引号为ind(t)+1的空间脉冲响应 h(0,i+1,0,(ind(t)+1)/f₁)；

步骤304、采用公式 h(x,y,z,t)＝(i(t)-ind(t))h(0,i+1,0,(ind(t)+1)/f₁)+(ind(t)+1-i(t))h(0,i+1,0,ind(t)/f₁)进 行插值运算，获取空间点P(x,y,z)的空间脉冲响应h(x,y,z,t)。

上述的一种圆形换能器空间脉冲响应的快速确定方法，其特征在于： s的取值为0.2mm。

上述的一种圆形换能器空间脉冲响应的快速确定方法，其特征在于： f₁的取值为1000MHz，f₂的取值为500MHz。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的方法步骤简单，实现方便。

2、本发明在研究空间点与圆形换能器平面投影点空间脉冲响应关系 的基础上，提出了一种精确求解圆形换能器空间脉冲响应的快速方法，先 用较高采样频率和较小的空间步长计算圆形换能器平面内脉冲响应作为 原始数据，再用较低插值频率进行插值运算，能够快速准确得到圆形换能 器的声场，另外，本发明稍加改进还能够扩展到其他类型的换能器，特别 是超声相控阵换能器的空间声压的计算，为实际检测时确定换能器的参数 提供支持，避免探头选择的盲目性。

3、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明的方法步骤简单，实现方便，圆形换能器空间脉冲 响应确定的精度和效率高，可扩展型号，实用性强，使用效果好，便于推 广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图。

图2A为采用本发明的方法确定的空间点P(0,2,2)的空间脉冲响应。

图2B为采用现有技术中直接计算圆形换能器空间脉冲响应的方法确 定的空间点P(0,2,2)的空间脉冲响应。

图2C为采用本发明的方法确定的空间点P(0,6,2)的空间脉冲响应。

图2D为采用现有技术中直接计算圆形换能器空间脉冲响应的方法确 定的空间点P(0,6,2)的空间脉冲响应。

图3A为采用本发明的方法确定的声轴线平面声场。

图3B为采用现有技术中直接计算圆形换能器空间脉冲响应的方法确 定的声轴线平面声场。

图4A为采用本发明的方法确定的声轴线声压。

图4B为采用现有技术中直接计算圆形换能器空间脉冲响应的方法确 定的声轴线声压。

具体实施方式

如图1所示，本发明的圆形换能器空间脉冲响应的快速确定方法，包 括以下步骤：

步骤一、在数据处理器上输入圆形换能器的直径D和圆形换能器辐射 范围内需确定空间脉冲响应的空间点P的坐标(x,y,z)；D的单位、x的单位、 y的单位和z的单位均为mm；

步骤二、首先，数据处理器根据圆形换能器的直径D，对应找到存储 在其中的直径为D的圆形换能器平面上点的空间脉冲响应表；然后，数据 处理器根据公式计算得到空间点P在圆形换能器平面上的投影 点的空间脉冲响应的编号j，并根据编号j查找得到空间点P在圆形换能器 平面上的投影点P′(x,y,0)的空间脉冲响应h(0,y,0,t)；其中，s为取点空间步 长，s的取值为0.05mm～1mm且为正整数；t为时间，t的单位为s；

其中，直径为D的圆形换能器平面上点的空间脉冲响应表为圆形换能 器平面上点的编号与圆形换能器平面上点的空间脉冲响应的对应关系表， 其获得方法如下：

步骤201、参数设置：在数据处理器上输入圆形换能器的直径D、取 点空间步长s和超声波在介质中的声速c；c的单位为mm/s；

本实施例中，s的取值为0.2mm。

步骤202、首先，以圆形换能器的中心为原点，建立空间直角坐标系； 然后，以空间直角坐标系的原点为起点，以取点空间步长s为间隔，在空 间直角坐标系y轴上取n个点，将n个点从起点开始依次编号为1～n的自 然数，并以采样频率f₁计算n个点的空间脉冲响应h₁、h₂、…、h_n；其中， 4D≤ns≤6D，f₁的取值为500MHz～2500MHz，j的取值为1～n的自然数； 由于圆形换能器具有对称性，因此，只需计算空间直角坐标系y轴上各点 的空间脉冲响应，就能够得到与圆形换能器的中心等距离的其他各点的空 间脉冲响应。

具体实施时，以采样频率f₁计算n个点的空间脉冲响应h₁、h₂、…、h_n采用 了现有技术中直接计算圆形换能器空间脉冲响应的方法，即Stepanishen 在1971年《TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica(美 国声学学报)》第49卷第5期第1629-1638页发表的文章《Transient radiationfrompistonsinaninfiniteplanarbaffle(刚性平面活 塞源的暂态声场)》这篇文章中提出的方法。

步骤203、将n个点的编号与n个点的空间脉冲响应h₁、h₂、…、h_n一一对 应进行存储，形成圆形换能器平面上点的编号与圆形换能器平面上点的空 间脉冲响应的对应关系表；

步骤三、采用线性插值算法以插值频率f₂对P′(x,y,0)的空间脉冲响应 h(0,y,0,t)进行插值运算，得到空间点P(x,y,z)的空间脉冲响应h(x,y,z,t)，具 体过程为：

步骤301、获取h(x,y,z,t)在h(0,y,0,t)中的索引号其中， m＝1,2,…,M，M为h(x,y,z,t)的长度，且f₂的取值为300MHz～1000MHz且

步骤302、采用公式ind(t)＝int(i(t))将i(t)整数化为ind(t)；

步骤303、从投影点P′(x,y,0)的空间脉冲响应h(0,y,0,t)中找到索引号为 ind(t)的空间脉冲响应h(0,i+1,0,ind(t)/f₁)和索引号为ind(t)+1的空间脉冲响应 h(0,i+1,0,(ind(t)+1)/f₁)；

步骤304、采用公式 h(x,y,z,t)＝(i(t)-ind(t))h(0,i+1,0,(ind(t)+1)/f₁)+(ind(t)+1-i(t))h(0,i+1,0,ind(t)/f₁)进 行插值运算，获取空间点P(x,y,z)的空间脉冲响应h(x,y,z,t)。

本实施例中，f₁的取值为1000MHz，f₂的取值为500MHz。

本实施例中，所述数据处理器为计算机。

为了验证本发明的计算精度，用本发明的方法与现有技术中直接计算 圆形换能器空间脉冲响应的方法，即Stepanishen在1971年《TheJournal oftheAcousticalSocietyofAmerica(美国声学学报)》第49卷第5 期第1629-1638页发表的文章《Transientradiationfrompistonsinan infiniteplanarbaffle(刚性平面活塞源的暂态声场)》这篇文章中提 出的方法进行对比，计算直径D为6.25mm、中心频率为2.25MHz的圆形换 能器在水中的空间脉冲响应，超声波在水中的声速c为1.45×10⁶m/s；圆 形换能器辐射范围内需确定空间脉冲响应的空间点P的坐标为(0,2,2)和 (0,6,2)，采用本发明的方法确定的空间点P(0,2,2)的空间脉冲响应 如图2A所示，采用现有技术中直接计算圆形换能器空间脉冲响应的方法 确定的空间点P(0,2,2)的空间脉冲响应如图2B所示；采用本发明的方 法确定的空间点P(0,6,2)的空间脉冲响应如图2C所示，采用现有技术 中直接计算圆形换能器空间脉冲响应的方法确定的空间点P(0,6,2)的空 间脉冲响应如图2D所示；对比图2A和图2B，以及图2C和图2D能够看出， 用本发明的方法确定的空间脉冲响应与现有技术中直接计算圆形换能器 空间脉冲响应的方法确定的空间脉冲响应吻合非常好，验证了本发明的方 法的正确性。

为了验证本发明的计算效率，用本发明的方法与现有技术中直接计算 圆形换能器空间脉冲响应的方法，即Stepanishen在1971年《TheJournal oftheAcousticalSocietyofAmerica(美国声学学报)》第49卷第5 期第1629-1638页发表的文章《Transientradiationfrompistonsinan infiniteplanarbaffle(刚性平面活塞源的暂态声场)》这篇文章中提 出的方法进行对比，计算直径D为6.25mm、中心频率为2.25MHz的圆形换 能器在水中的空间脉冲响应，超声波在水中的声速c为1.45×10⁶m/s；计 算区域为声轴线XZ平面内20mm×60mm的范围，取点空间步长s为0.2mm； 实验环境为：WindowsXP系统，Matlab7.12.0，CPU是AMD4000+，主频 为2.1GHz，采用本发明的方法确定的声轴线平面声场如图3A所示，采用 现有技术中直接计算圆形换能器空间脉冲响应的方法确定的声轴线平面 声场如图3B所示；采用本发明的方法确定的声轴线声压如图4A所示，采 用现有技术中直接计算圆形换能器空间脉冲响应的方法确定的声轴线声 压如图4B所示；对比发现，本发明的计算结果是正确的。现有技术中直 接计算圆形换能器空间脉冲响应的方法采样频率为2000MHz，总耗时 322.234s；本发明的方法，插值频率f₂为500MHz，总耗时18.525s，快速 算法计算效率提高了约18倍。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡 是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效 结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。