基于聲線跟蹤法的空氣中超聲波聲場仿真*

朱閃閃　楊　濤

(西南科技大學信息工程學院特殊環境機器人技術四川省重點實驗室　綿陽　621010)

?

基于聲線跟蹤法的空氣中超聲波聲場仿真*

朱閃閃楊濤

(西南科技大學信息工程學院特殊環境機器人技術四川省重點實驗室綿陽621010)

摘要針對空氣中超聲檢測存在人力計算復雜、算法驗證困難的問題,提出一種基于聲線跟蹤法的空氣中快速超聲檢測仿真平臺。利用CAD軟件對目標對象三維建模,以STL文件格式導入OpenGL環境中,完成了STL模型的讀取和重繪。遍歷搜索目標對象反射面上的反射點,采用聲線跟蹤法根據超聲波在空氣中的傳播模型和斯奈爾定律確定反射聲線,接收陣元上不同聲線的聲壓疊加得到超聲波接收陣元在發射信號驅動下的回波響應信號。仿真結果與理論分析相吻合,為空氣中超聲檢測相關算法的研究提供了基礎。

關鍵詞聲線跟蹤法; 三維建模; 聲壓疊加

Simulation of Ultrasonic Sound Field in the Air Based on Ray Tracing Method

ZHU ShanshanYANG Tao

(Key Lab of Robot Technology Used for Special Environmental of Sichuan Province,School of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang621010)

AbstractSince human computation is complex and algorithm verification is difficult for ultrasonic testing in the air, a rapid ultrasonic testing simulation method in the air based on tracing method is proposed. The proposed method utilizes CAD software for three-dimensional modeling of the target object, imports the OpenGL environment under the Microsoft Visual Studio C++ by STL file format, completes the reading and redrawing of STL models. Then, it traverses the reflection points of the target object reflective surfaces, adopts ray tracing law to identify the reflective sound ray according to ultrasonic wave propagation model in the air and Snell’s law, superposes the pressure of sound ray, obtains the echo response signal of ultrasonic receiving array driving by the transmitting signal from different sound ray pressure of superposition on receiving array. Simulation results coincide well with theoretical analysis, and provide the foundations to research ultrasonic testing in the air and related algorithms.

Key Wordsray tracing method, three-dimensional modeling, sound pressure of superposition

Class NumberTG115.28

1引言

超聲檢測因成本低、方向性好、穿透力強、不受電磁輻射影響等優點廣泛用于工業生產和日常生活中。特別是在大霧、雨雪、強輻射等惡劣環境中,超聲波更表現出其獨有的優勢。

隨著計算機技術的發展,超聲檢測仿真和可視化的研究也逐步深入。目前,超聲波仿真和可視化方面的研究主要是利用二維分布圖形對換能器發射聲場的計算仿真,對聲場三維仿真及可視化的研究相對比較少。通過解析法[1]和數值法[2]等數學建模方法建立超聲檢測系統的模型。數值法主要包括有限元(FEM)[3]、邊界元(BEM)[4]、時域有限差分(FDM)[5]等為代表的波動聲學方法,求解精

度很高、計算規模大、效率低,更適合于小范圍區域的求解。解析法以聲線跟蹤和虛聲源幾何聲學方法為代表[6],包括聲線模型、高斯聲束模型和衍射理論模型等,采用簡化物理模型,計算效率高,但是求解精度會降低,不適用于較復雜的場景。文獻[7]基于瑞利積分和Pencil建立半解析法計算模型,實現超聲檢測發射聲場和缺陷回波聲場的快速計算。聲線跟蹤法通用性好,基于聲線跟蹤方法的超聲波建模技術,主要用于傳播路徑的計算,在回波信號的定量計算方面缺少深入的研究。文獻[8]基于聲線模型、超聲傳播原理和幾何光學簡化實現了超聲傳播路徑的模擬。文獻[9]以聲線跟蹤法為基礎,運用Visual C++和OpenGL對超聲波傳播路徑進行了模擬。

本文用3D參數化CAD軟件PTC Creo Parametric 3.0對目標對象三維建模,以STL文件格式導入Microsoft Visual Studio C++下的OpenGL環境中,完成了STL模型的讀取和重繪,遍歷搜索目標對象反射面上的反射點,求取發射線的方向向量,采用聲線跟蹤法根據超聲波在空氣中的傳播模型和斯奈爾定律確定反射聲線,考慮接收陣元接收區域的限制及反射點和發射和接收陣元的遮擋問題,確定接收點,進而完成超聲波發射和接收路徑的繪制。接收陣元上不同聲線的聲壓疊加得到超聲波接收陣元在發射信號驅動下的回波響應信號。

2超聲傳播路徑仿真的實現

2.1對象目標建模及導入

STL文件是若干空間小三角形面片的集合,通過三維模型表面的三角網格化獲得,每個三角形面片用三角形的三個頂點和指向模型外部的三角面片的法向量組成[10]。STL文件有二進制和ASCII兩種格式,前者更緊湊,后者更容易理解。

本文將采用PTC Creo Parametric 3.0構建直徑10cm、高15cm的圓柱體模型,并保存為STL文件格式,該文件可對目標對象表面自動進行三角剖分。根據步長的不同保存為不同的STL文件格式,步長越小,剖分越精細。利用C++標準庫中提供的文件流讀取及字符操作等功能結合OpenGL中三角面片繪制的編程技術實現對STL文件格式的讀取和顯示,將目標對象的由局部坐標系變換到三維場景的世界坐標系中。STL文件讀取和顯示的流程如圖1所示。

2.2超聲波路徑傳播仿真

2.2.1聲線跟蹤法及建模數學基礎

聲線法認為聲在空間中以聲線的方式向四周傳播,聲線碰到目標對象后,在碰撞點處作鏡面反射,沿著新的方向繼續前進,判定是否被接收陣元接收。超聲波傳播路徑示意圖如圖2所示。

圖1　STL文件讀取和顯示流程圖

圖2　超聲波傳播路徑示意圖

利用OpenGL函數,繪制兩個圓柱體,頂部的圓作為探頭的發射和接收陣元,左邊白色圓代表發射陣元,右邊黑色視為接收陣元。其中,發射點A(x1,y1,z1)為發射陣元中心,陣元半徑為R1;C(x0,y0,z0)為三角面片的重心;n(v1,v2,v3)為三角面片的法向量;B(x2,y2,z2)接收陣元的中心,陣元半徑為R2,在構建的三維場景中接收平面的法向量已知設p(p1,p2,p3),發射線的方向向量r1由式(1)可得,反射線的方向向量r2(u1,u2,u3)由式(2)可得:

r1={(x0-x1),(y0-y1),(z0-z1)}

(1)

(2)

由反射線方向向量r2和反射線上點C的坐標,可得到反射線的方程,其中N為參數。

(3)

將平面方程寫成點法式方程形式,即為

p1(x-x2)+p2(y-y2)+p3(z-z2)=0

(4)

將式(3)和式(4)聯立可得

(5)

令D=p1u1+p2u2+p3u3,如果D為0,則沒有交點;如果不為0,求出N,帶入式(3)可求得與陣元平面的交點O(x3,y3,z3)。交點O到接收陣元中心的距離為

(6)

判斷d是否小于R2,如果小于R2,并且此時三角面片的重心C(x0,y0,z0)與發射和接收陣元在同一側,則此交點存在,反射線和反射點符合要求,超聲波的發射和反射的傳播路徑確定。

2.2.2超聲波傳播路徑確定流程

超聲波的傳播路徑在聲線跟蹤法基礎上,根據斯奈爾定律確定反射聲線。通過構建三維場景和坐標系變換,將目標對象坐標和發射接收陣元坐標變換到世界坐標系中。遍歷三角面片,得到各面片重心坐標,并采用式(2)計算出反射線方向向量,由反射線和接收陣元所在平面構建方程組,求取接收點。考慮到實際情況,接收點應在陣元之內且反射點必須和發射和接收陣元在同側,進而確定超聲波發射和接收的傳播路徑。流程圖如圖3所示。

圖3　傳播路徑確定流程圖

3聲場計算分析

3.1超聲波聲場計算

圓形平面活塞鑲嵌在一個無限大的障板上,當活塞以速度u=uaejωt振動時,其輻射聲場中的聲壓分布為[11~12]

(7)

其中a為超聲探頭的半徑;ua為振速幅值;ρ0為媒質的靜態密度;ω為諧波頻率;k為波數;J1為一階第一類貝塞爾函數。

從式(7)可以推導出圓形活塞式超聲波換能器的指向性。根據貝塞爾函數性質,當x=0時,J1(x)/x=1/2,超聲波換能器的聲場指向性可表述為

(8)

假設發射聲場初始聲壓為p0(t),標定聲壓為pbd(t)。

pbd(t)=D(θ)·e-αrbdp0(t)

(9)

(10)

(11)

式中,t0為標定信號的延時,r0為標定信號發射陣元和接收陣元的間距,c0為空氣中超聲波的速度。

在t時刻,第i條聲線的延遲時間見式(12):

(12)

在t時刻,第i條聲線的聲壓見式(13):

(13)

其中ri(t)為發射點到反射點間的距離和反射點到接收點的距離之和,θi(t)為發射線和中心軸線的夾角,tsi為延遲時間,c0為空氣中超聲波的速度,αq為目標對象吸收系數,e-αri為介質的吸收衰減。在t時刻,則接收陣元的上的聲壓見式(14):

(14)

3.2聲場的標定

圖4　示波器采集回波響應波形圖

在空氣中,對于單個發射和接收探頭采集數據信息。其中,f取40kHz,ρ0取1.205kg/m3,a取0.004m,角度為0,r取1.0m,Tektronix TDS2024B數字存儲示波器采集獲得回波響應波形圖如圖4所示,將示波器采集的數據導入Matlab采樣讀取1024個數據,得到波形如圖5所示。

圖5　Matlab采樣讀取波形圖

采用標定的方法,需要求出發射陣元的驅動信號的數學模型,根據1024個采樣數據,利用Matlab工具箱擬合得到擬合函數為

pbd(t)=1.3880sin(2.5250×105t+1.0600)

+0.65420sin(2.5750×105t-0.5357)

+0.59350sin(2.4570×105t+3.6550)

+3.9570sin(2.4070×105t-2.3190)

+0.6322sin(2.662×105t-3.4430)

+3.727sin(2.405×105t-5.3260)

+0.6086sin(2.664×105t-0.4687)

+0.04323sin(3.426×105t-1.291)

(15)

4仿真結果分析

在Microsoft Visual Studio C++編程下的OpenGL環境中,對單個發射和接收陣元的超聲波探頭的傳播路徑和回波信息進行仿真。其中,左邊圓為發射陣元,右邊圓為接收陣元?？紤]到實際環境中,超聲波傳播距離的限制及推廣到超聲相控陣中陣列的排布,選取發射和接收間距為27.5mm,陣元和目標對象之間的距離l選擇0.8m、0.6m、0.2m。

當距離為0.8m時,間距為27.5mm,發射和接收陣元坐標分別為(60,60,1200)和(87.5,60,1200),結果如圖6(a)和圖6(b)所示。

圖6(a)　l取0.8m時傳播路徑聲線圖

圖6(b)　l取0.8m時接收陣元聲壓圖

當距離為0.6m時,間距為27.5mm,發射和接收陣元坐標為:(60,60,800)和(87.5,60,800),結果如圖7(a)和圖7(b)所示。

圖7(a)　l取0.6m時傳播路徑聲線圖

圖7(b)　l取0.6m時接收陣元聲壓圖

當距離為0.2m時,間距為27.5mm,發射和接收陣元坐標為(60,60,400)和(87.5,60,400),結果如圖8(a)和圖8(b)所示。

圖8(a)　l取0.2m時傳播路徑聲線圖

圖8(b)　l取0.2m時接收陣元聲壓圖

由圖6(a)、圖7(a)、圖8(a)和圖6(b)、圖7(b)、圖8(b)可以看出,隨著距離的減小及聲線數的增加,接收點的聲壓信號越準確。

5結語

本文通過對目標對象建立三維幾何模型,根據聲線跟蹤法和斯奈爾定律對超聲波聲場的發射和接收傳播路徑進行仿真,對聲線聲壓疊加得到接收陣元的聲壓信號。本仿真平臺可擴展到多個發射陣元、單個接收陣元,單個發射陣元、多個接收陣元以及多發射、多接收的仿真場景中,實現超聲檢測相關算法性能的快速評估。

參 考 文 獻

[1] Kundu T, Placko D, Rahani E K, et al. Ultrasonic Field Modeling: A Comparison Of Analytical, Semi-Analytical, And Numerical Techniques[J]. Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control IEEE Transactions on,2010,57(12):2795-2807.

[2] Liu Q, Wirdelius H. A 2D model of ultrasonic wave propagation in an anisotropic weld[J]. Ndt & E International,2007,40(3):229-238.

[3] Hill R, Forsyth S A, Macey P. Finite element modelling of ultrasound, with reference to transducers and AE waves[J]. Ultrasonics,2004,42(1-9):253-8.

[4] Maruyama T, Saitoh T, Hirose S. Simulation for Air-Coupled Ultrasound Testing Using Time-Domain BEM[J]. Aip Conference Proceedings,2014,1581(1):550-555.

[5] Yamawaki H, Saito T. Numerical calculation of ultrasonic propagation with anisotropy[J]. Ndt & E International,2000,33(7):489-497.

[6] 張偉志,剛鐵,王軍.超聲波檢測計算機模擬和仿真的研究及應用現狀[J].應用聲學,2003,22(3):39-44.

ZHANG Weizhi, GANG Tie, WANG Jun. A survey of the simulation and its application in ultrasonic testing[J]. Applied Acoustics,2003,22(3):39-44.

[7] 丁輝,張俊,張益成,等.超聲檢測聲場計算模型的建立與仿真軟件的開發[J].無損檢測,2009,(8):614-618.

DING Hui, ZHANG Jun, ZHANG Yicheng, et al. The Establishment of Ultrasonic Field Calculation Model and the Development of Simulation Software[J]. Nondestructive Testing,2009,(8):614-618.

[8] 張偉志.基于聲線模型的超聲波傳播路徑模擬[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2002.

ZHANG Weizhi. Ultrasonic Simulation of propagation path Based on Ray Modeling[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology,2002.

[9] 曲文元,熊建設,秦勃,等.基于聲線跟蹤法開發超聲無損檢測動態仿真軟件[J].計算機仿真,2006,23(4):269-273.

QU Wenyuan, XIONG Jianshe, QIN Bo, et al. Development of Simulation System for Nonderstructive Ultrasonic Inspection Based on Ray-Tracing Method[J]. Computer Simulation,2006,23(4):269-273.

[10] 嚴梽銘,鐘艷如.基于VC++和OpenGL的STL文件讀取顯示[J].計算機系統應用,2009,18(3):172-175.

YAN Zhiming, ZHONG Yanru. STL Reading and Visualization Based on VC++ and OpenGL[J]. Computer System Applications,2009,18(3):172-175.

[11] 杜功煥.聲學基礎[M].南京:南京大學出版社,2012.

DU Gonghuan. Foundamentals of Acoustics[M]. Nanjing: Nanjing University Press,2012.

[12] 馮若.超聲手冊[M].南京:南京大學出版社,1999.

FENG Ruo. Ultrasonics Handbook[M]. Nanjing: Nanjing University Press,1999.

中圖分類號TG115.28

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.03.012

作者簡介:朱閃閃,女,碩士研究生,研究方向:超聲檢測建模與仿真。楊濤,男,博士,教授,研究方向:強輻射機器人技術,聲學陣列信號處理。

基金項目:特殊環境機器人技術四川省重點實驗室開放基金(編號:13zxtk06)資助。

收稿日期:2015年9月10日,修回日期:2015年10月31日