一種聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量儀器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓 測量儀器。
【背景技術(shù)】
[0002] 聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓是聚焦超聲場的一個(gè)重要指標(biāo)，對其測量可通過相應(yīng)的測量設(shè) 備來實(shí)現(xiàn)。
[0003] 目前聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量主要采用水聽器法，該方法測量的基本思路是先用水 聽器進(jìn)行Ξ維掃描找到聲壓焦點(diǎn)的具體位置，再對聚焦聲場進(jìn)行掃描測量并計(jì)算出焦域的 幾何參數(shù)，然后在焦點(diǎn)處直接測量全功率下的聲壓?；谶\(yùn)種方法測量的方式主要有兩種： 壓電水聽器法和光纖水聽器法。壓電水聽器法能夠較為準(zhǔn)確的測量低功率下的焦點(diǎn)聲壓， 而在高功率下焦點(diǎn)處產(chǎn)生溫升、沖擊波、空化與聲飽和等非線性效應(yīng)容易造成傳感器靈敏 度下降，甚至損壞水聽器。光纖水聽器法是目前測量高聲壓的主要方法，但需要在測量處放 置光纖傳感器，運(yùn)容易使測量處產(chǎn)生空化，導(dǎo)致測量結(jié)果與實(shí)際聲壓不一致，而且容易損壞 光纖水聽器。
[0004] 目前最具潛力的焦點(diǎn)聲壓測量方式是利用激光偏轉(zhuǎn)法進(jìn)行非侵入式無干擾測量。 基于激光偏轉(zhuǎn)法測量聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓的原理是：當(dāng)一束直徑小于聲波長的平行光入射到 介質(zhì)中時(shí)，由于聲場的作用導(dǎo)致介質(zhì)折射率呈周期性變化使光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而根據(jù)光線 的偏轉(zhuǎn)軌跡來計(jì)算光線的偏移量，再建立光線偏轉(zhuǎn)距離與焦點(diǎn)聲壓的關(guān)系來計(jì)算焦點(diǎn)聲 壓。
[0005] 根據(jù)W上測量原理，結(jié)合光線偏轉(zhuǎn)軌跡(如圖1所示）的幾何關(guān)系，在不考慮非線性 效應(yīng)時(shí)有W下關(guān)系：
[0006] sina = L/r
[0007] 1:ana = d/S * sina
[000引其中，α為光線偏轉(zhuǎn)角，L為有效聲場寬度，r為光線偏轉(zhuǎn)的曲率半徑，d為偏轉(zhuǎn)距離， S為屏幕到焦點(diǎn)距離。
[0009] 當(dāng)光線垂直于聲波傳播方向入射時(shí)，光線偏轉(zhuǎn)的曲率半徑r為：
[0010] r = n/Vn
[0011] 其中，η為介質(zhì)折射率，Vn為折射率梯度。
[0012] 等溫條件下，聲壓梯度VP與介質(zhì)折射率梯度Vn成正比關(guān)系：
[0013] Vn=kVP
[0014] 其中，
[0015] 由W上關(guān)系式可W得到焦點(diǎn)聲壓與偏轉(zhuǎn)距離的關(guān)系：
[0016]
[0017] 利用上述焦點(diǎn)聲壓與偏轉(zhuǎn)距離的關(guān)系即可測量聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓，但是由于焦點(diǎn) 處的聲壓梯度只比焦點(diǎn)附近區(qū)域的聲壓梯度略大，所W光束本身寬度可能造成光線偏轉(zhuǎn)不 顯著，從而導(dǎo)致最終計(jì)算得到的焦點(diǎn)聲壓不準(zhǔn)確;并且由于穿過焦點(diǎn)區(qū)域后光線偏轉(zhuǎn)角度 很小，接收光斑圖像的CCD相機(jī)離焦點(diǎn)位置不夠遠(yuǎn)時(shí)，光線的偏轉(zhuǎn)距離不能達(dá)到最大也會使 測量結(jié)果不準(zhǔn)確。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0018] 鑒于W上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的在于提供一種聚焦超聲焦點(diǎn)聲 壓測量儀器，W實(shí)現(xiàn)一種在使用中不會干擾聲場，而且能夠較為準(zhǔn)確的測得焦點(diǎn)聲壓的聚 焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量儀器。
[0019] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本實(shí)用新型提供一種聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量儀 器，包括:激光器、換能器位移調(diào)節(jié)裝置、水槽、待測換能器、圖像采集裝置、控制處理裝置， W及包括激光束細(xì)化裝置及偏轉(zhuǎn)角放大裝置中的至少一個(gè);所述激光器用于發(fā)射激光束； 所述換能器位移調(diào)節(jié)裝置用于固定和調(diào)節(jié)所述待測換能器的位置;所述水槽用于盛放脫氣 水，所述待測換能器置于脫氣水中；所述圖像采集裝置用于接收穿過焦點(diǎn)后的光束，采集偏 轉(zhuǎn)光束圖像;所述控制處理裝置連接于所述換能器位移調(diào)節(jié)裝置W及圖像采集裝置，用于 調(diào)節(jié)控制待測換能器的移動(dòng)，并用于光束圖像處理W及聲壓計(jì)算;所述激光束細(xì)化裝置放 置于激光器后，用于將激光器發(fā)射出的激光束變細(xì)，使通過焦點(diǎn)的激光束直徑小于聲波長； 所述偏轉(zhuǎn)角放大裝置放置于圖像采集裝置之前，用于將穿過焦點(diǎn)出射的激光束的偏轉(zhuǎn)角度 放大，使圖像采集裝置接收到的激光束的偏轉(zhuǎn)距離盡量大，W使得圖像采集裝置在離焦點(diǎn) 較近時(shí)，光線偏轉(zhuǎn)距離能夠分辨并準(zhǔn)確測得。
[0020] 作為本實(shí)用新型的聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量儀器的一種優(yōu)選方案，所述聚焦超聲焦 點(diǎn)聲壓測量儀器設(shè)置有激光束細(xì)化裝置，放置于激光器后，用于將激光器發(fā)射出的激光束 變細(xì)，使通過焦點(diǎn)的激光束直徑小于聲波長。
[0021] 作為本實(shí)用新型的聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量儀器的一種優(yōu)選方案，所述聚焦超聲焦 點(diǎn)聲壓測量儀器設(shè)置有偏轉(zhuǎn)角放大裝置，放置于圖像采集裝置之前，用于將穿過焦點(diǎn)出射 的激光束的偏轉(zhuǎn)角度放大，使圖像采集裝置接收到的激光束的偏轉(zhuǎn)距離盡量大，使得圖像 采集裝置在離焦點(diǎn)較近時(shí)，光線偏轉(zhuǎn)距離能夠分辨并準(zhǔn)確測得。
[0022] 作為本實(shí)用新型的聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量儀器的一種優(yōu)選方案，所述聚焦超聲焦 點(diǎn)聲壓測量儀器同時(shí)設(shè)置有激光束細(xì)化裝置及偏轉(zhuǎn)角放大裝置，所述激光束細(xì)化裝置放置 于激光器后，用于將激光器發(fā)射出的激光束變細(xì)，使通過焦點(diǎn)的激光束直徑小于聲波長;所 述偏轉(zhuǎn)角放大裝置放置于圖像采集裝置之前，用于將穿過焦點(diǎn)出射的激光束的偏轉(zhuǎn)角度放 大，使圖像采集裝置接收到的激光束的偏轉(zhuǎn)距離盡量大，使得圖像采集裝置在離焦點(diǎn)較近 時(shí)，光線偏轉(zhuǎn)距離能夠分辨并準(zhǔn)確測得。
[0023] 作為本實(shí)用新型的聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量儀器的一種優(yōu)選方案，所述激光束細(xì)化 裝置包括沿光路順次排列的第一光學(xué)凸透鏡W及第二光學(xué)凸透鏡，所述第一光學(xué)凸透鏡的 焦點(diǎn)與所述第二光學(xué)凸透鏡的焦點(diǎn)重合，并且，所述第一光學(xué)凸透鏡的焦距大于所述第二 光學(xué)凸透鏡的焦距。
[0024] 進(jìn)一步地，所述激光束細(xì)化前后的直徑滿足公式Dl/D2 = n^2,其中，D1、D2分別 為細(xì)化前后的激光束直徑，fl、f2分別為第一光學(xué)凸透鏡W及第二光學(xué)凸透鏡的焦距。
[0025] 作為本實(shí)用新型的聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量儀器的一種優(yōu)選方案，所述偏轉(zhuǎn)角放大 裝置包括一個(gè)或兩個(gè)W上的發(fā)散透鏡，用于對激光束進(jìn)行發(fā)散，使激光束的偏轉(zhuǎn)角度增大。
[0026] 作為本實(shí)用新型的聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量儀器的一種優(yōu)選方案，所述控制處理裝 置包括計(jì)算機(jī)及移動(dòng)智能設(shè)備中的一種。
[0027] 作為本實(shí)用新型的聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量儀器的一種優(yōu)選方案，所述圖像采集裝 置包括CCD相機(jī)。
[0028] 作為本實(shí)用新型的聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量儀器的一種優(yōu)選方案，所述水槽底部設(shè) 置有聲吸收材料。
[0029] 如上所述，本實(shí)用新型的聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量儀器，具有W下有益效果:本實(shí)用 新型能方便準(zhǔn)確的測量不同換能器產(chǎn)生的聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓，且測量過程不會對聲場造成 干擾。激光束細(xì)化裝置能使穿過焦點(diǎn)區(qū)域的光束變窄，有利于焦點(diǎn)聲壓的精確測量。偏轉(zhuǎn)角 放大裝置能將偏轉(zhuǎn)角度放大，在CCD相機(jī)離焦點(diǎn)較近時(shí)，也能使偏轉(zhuǎn)距離最大，運(yùn)有利于縮 短測量系統(tǒng)的總長，節(jié)省空間。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，效果顯著，在聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量 領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0030] 圖1顯示為激光束偏轉(zhuǎn)軌跡示意圖。
[0031] 圖2顯示為本實(shí)用新型的聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖3顯示為本實(shí)用新型的聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量儀器的激光束細(xì)化裝置原理示意 圖。
[0033] 圖4顯示為本實(shí)用新型的聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量儀器的偏轉(zhuǎn)角放大裝置原理示意 圖。
[0034] 圖5及圖6分別顯示為本實(shí)用新型的聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量儀器兩種不同實(shí)施例 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035] 元件標(biāo)號說明
[0036] 1 激光器
[0037] 2 激光束
[0038] 3 換能器位移調(diào)節(jié)裝置
[0039] 4 待測換能器
[0040] 5 聚焦超聲焦點(diǎn)
[0041 ] 6 水槽
[0042] 7 聲吸收材料
[00創(chuàng) 8 脫氣水
[0044] 9 圖像采集裝置
[0045] 10 控制處理裝置
[0046] 11 激光束細(xì)化裝置
[0047] 12 偏轉(zhuǎn)角放大裝置
【具體實(shí)施方式】
[004引 W下通過特定的具體實(shí)例說明本實(shí)用新型的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說 明書所掲露的內(nèi)容輕易地了解本實(shí)用新型的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本實(shí)用新型還可W通過另外 不同的【具體實(shí)施方式】加 W實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可W基于不同觀點(diǎn)與應(yīng) 用，在沒有背離本實(shí)用新型的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0049]請參閱圖2~圖6。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅W示意方式說明本 實(shí)用新型的基本構(gòu)想，遂圖示中僅顯示與本實(shí)用新型中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的 組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改 變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[(K)加]實(shí)施例1
[0051] 如圖2所示，本實(shí)施例提供一種聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓測量儀器，包括:激光器1、換能 器位移調(diào)節(jié)裝置3、水槽6、待測換能器4、圖像采集裝置9、控制處理裝置10、激光束細(xì)化裝置 11及偏轉(zhuǎn)角放大裝置12。
[0052] 所述激光器1用于發(fā)射激光束2,所述激光束2的初始直徑為D1。
[0053] 所述換能器位移調(diào)節(jié)裝置3,用于固定和調(diào)節(jié)所述待測換能器4的位置，W調(diào)整所 述待測換能器4的焦點(diǎn)5。具體地，所述換能器位移調(diào)節(jié)裝置3可W調(diào)整所述待測換能器4的 上下位置W及左右位置。
[0054] 所述水槽6用于盛放脫氣水8,其底部設(shè)置有聲吸收材料7,所述待測換能器4置于 脫氣水8中。所述水槽6的框架選用為激光透射率較高的材料，如玻璃、透明聚合物等，但并 不限于此處所列舉的示例。
[0055] 所述圖像采集裝置9用于接收穿過焦點(diǎn)5后的光束，采集偏轉(zhuǎn)光束圖像。在本實(shí)施 例中，所述圖像采集裝置9選用為CCD相機(jī)，當(dāng)然，可W依據(jù)需求選用其它種類的圖像采集設(shè) 備，并不限于此處所列舉的示例。
[0056] 所述控制處理裝置10連接于所述換能器位移調(diào)節(jié)裝置3 W及圖像采集裝置9,用于 調(diào)節(jié)控制待測換能器4的移動(dòng)，并用于光束圖像處理W及聲壓計(jì)算。在本實(shí)施例中，所述控 制處理裝置10可W選用為計(jì)算機(jī)或者移動(dòng)智能設(shè)備，如手機(jī)、平板電腦等。
[0057] 如圖3所示，所述激光束細(xì)化裝置11放置于激光器1后，用于將激光器1發(fā)射出的激 光束2變細(xì)，使通過焦點(diǎn)5的激光束2直徑小于聲波長。在本實(shí)施例中，所述激光束細(xì)化裝置 11包括沿光路順次排列的第一光學(xué)凸透鏡W及第二光學(xué)凸透鏡，所述第一光學(xué)凸透鏡的焦 點(diǎn)與所述第二光學(xué)凸透鏡的焦點(diǎn)重合，并且，所述第一光學(xué)凸透鏡的焦距大于所述第二光 學(xué)凸透鏡的焦距。所述激光束2細(xì)化前后的直徑滿足公式Dl/D2 = n^2,其中，D1、D2分別為 細(xì)化前后的激光束2直徑，fl