Page 83 - 《应用声学》2020年第6期
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第 39 卷 第 6 期 张国才等： 脉冲超声换能器声场测试系统的设计 877
程序中通过调用动态链接库(Dynamic link library,
0 引言
DLL) 与系统核心硬件超声发射接收卡进行数据通
信及对其功能进行设置，同时通过 RS232 串口与下
脉冲超声换能器是超声检测中关键的部件，其
声压分布特性对超声检测过程中缺陷的定位、尺寸 位机单片机通讯，实现对三轴扫查平台的多种扫查
大小的定量有极大的影响，因此对换能器的部分关 方式控制。该系统可实时显示脉冲超声换能器声压
分布图像，并可通过所采集的声压分布数据实现对
键参数，例如探头近场、远场及扩散角等进行测量
以实现对其性能做出评判的测试系统研究具有重 换能器水中近场长度及声束扩散角等参数的测量。
要意义。 2.1 硬件系统设计
目前国内外测量超声换能器声场的方法主要 声场测量硬件系统框架设计如图 1 所示，系统
有辐射力法、水听器法、光学检测法和小球反射 硬件主要包括工控机、CTS-04PC 多通道 PCI 超声
法 [1−3] 等。其中小球反射法是传统方法 [4−6] ，其结 发射接收卡、STC891C51 单片机、57 步进电机及
构简单，无需昂贵的水听器等传感器配置，所测量的 ZD-6560-V4 型驱动器、三轴扫查平台及水槽等 5
声场分布与换能器检测系统在实际应用过程中的 部分。
工作方式也最为接近，作为反射体的小球在声场扫
描设备中最廉价且易于获取，仍是目前较为常用的 34 Xᣉү٨ Xᣉ57൦ᤉႃ
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一种方法。因此，项目组基于小球反射法设计开发 Yᣉү٨ Yᣉ57൦ᤉႃ
了一套精度较高、成本较低且功能齐全的声场测试 ԧηৌᆊ STC89C51 Zᣉү٨ Zᣉ57൦ᤉႃ
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系统，利用该系统对超声换能器声场进行测试，结 ᬍͯनТ Zᣉ
果与理论计算 [7−11] 基本一致。下面详细介绍声场 ㌫㔏᧗ࡦ䖟Ԧ ᐕ᧗ᵪ(кսᵪLabVIEW) 1$* ੳಊᜉᎶ Xᣉ
测试系统各个细节并举例分析换能器声场测试的 ጳᤰη ඵയ
结果。 ᡔܦӵ CTS-04PCᡔܦӵ 2 mmᨂ࠵ု
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1 声场测量原理简述 ڀฉηՂ Yᣉ
小球反射法声场测量原理是利用收发两用换 图 1 声场测量硬件系统设计
能器接收由它本身激发并被小球反射的声场声压， Fig. 1 Design of hardware system for acoustic
并把此声压幅值当作是换能器声场中小球球心所 field measurement
在位置的声压幅值 [4] 。脉冲超声换能器声场测试过
声场测量的精度与丝杆滑台及步进电机、驱动
程中，作为反射体的不锈钢小球固定不动，扫查架
器的性能参数密切相关。为适应换能器声场测量，
带动待检超声换能器进行空间移动。为了避免盛液
三轴扫查平台丝杆型号选型为1610型丝杆，其外径
容器的底面反射影响 [7] ，不锈钢球离侧面距离设计
为 16 mm，导程为 10 mm，连接 4 台 57 步进电机。
为60 mm。文献[5]中指出，小球尺寸对声场声压分
电机搭载 3 台高性能步进驱动器 (ZD-6560-V4)，分
布的测量精度有较大影响，小球直径越小，所测量
别与 3 个扫查方向电机连接。驱动器采用共阴极接
的声压分布越能反映出声场的真实分布情况，因此，
法，步进细分设置为 16细分，电流设置为 0.3 A。经
系统所采用不锈钢小球直径为 2 mm，支杆直径为
过多次测试表明，能确保扫查精度及输出扭矩，扫
1 mm。
查过程中不失步。结合单片机技术，扫查精度可选
3 mm、1.5 mm及0.3 mm三挡。
2 声场测量系统
CTS-04PC 多通道 PCI 超声发射接收卡是系
声场测量系统包括硬件及软件两子系统，系 统核心硬件，该卡具有四通道，重复频率最高每通道
统设计采用了虚拟仪器及单片机技术，系统的程 2 kHz，频带宽度 0.5 ∼ 15 MHz，采样频率100 MHz，
控交互界面采用美国国家仪器公司研制开发的图 方波激励，0 ∼ −300 V 可调，可驱动常用的工业用
形化编程软件 LabVIEW 来设计，在程控交互界面 脉冲超声探头。为节约系统开发整体成本，在满足
