基于MATLAB的超聲換能器聲場可視化軟件開發

董 明（西安科技大學機械工程學院，西安，710054）

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基于MATLAB的超聲換能器聲場可視化軟件開發

董 明
（西安科技大學機械工程學院，西安，710054）

對超聲換能器的聲場進行數值計算是當前研究的熱點，在分析超聲換能器聲場模型的基礎上，用MATLAB的GUI工具箱對聲場進行可視化設計。通過輸入換能器參數和介質參數，可以可視化地得到不同情況下的聲場分布圖，該軟件可用于優化檢測工藝，也可以指導探頭設計。

超聲檢測；聲場仿真；可視化；MATLAB

0　引言

近年來，隨著計算機技術的日益進步，在現代超聲檢測領域研究超聲波在工作中的傳播規律，并進行數值計算成為研究的熱點。超聲換能器聲場的可視化是超聲檢測過程模擬的一部分，通過計算換能器在輻射空間各點的聲壓強度和振幅，來定量地獲得介質中的聲場分布，并將結果以具體的圖形或圖像的方式顯示。通過換能器的聲場可視化研究，不僅可以更好地理解超聲波產生和傳播機理，而且可以提前對檢測工藝的可行性、可靠性進行分析，優化檢測參數，降低成本，保證超聲檢測可靠性和準確性，提高效率。許多國家都在大力開發商用的仿真軟件，法國原子能委員會開發了CIVA，加拿大的UTEX科學儀器公司開發了Imagine 3D，武漢大學開發了核電站關鍵部件超聲檢測計算分析系統（UTCAS）。雖然國外超聲仿真軟件開發成熟并應用于工業實際，但其核心技術嚴格保密，軟件價格昂貴。

MATLAB擁有強大的計算和繪圖能力，利用MATLAB的GUIDE工具箱可以快速地設計出美觀、友好的界面。空間脈沖響應法適用于半無限空間瞬態聲場的計算，被認為是效率最高的聲場仿真方法。因此，本文基于空間脈沖響應聲場理論，利用MATLAB開發了一款可視化聲場仿真軟件

1　聲場理論

空間脈沖響應認為超聲探頭在輻射空間的聲場是探頭振動速度與該點處空間脈沖響應函數的時域卷積。利用空間脈沖響應模型，如圖1所示，任意形狀換能器在任意激勵信號時，觀察點處的聲場可表示為

而為了簡化計算過程，一般將觀測點投影到換能器平面，通過計算任意時刻投影圓與換能器的相交弧所對應的圓心角來得到空間脈沖響應函數，即空間脈沖響應可表示為是任意時刻投影圓與聲源相交弧長對應的圓心角。

圖1　空間脈沖響應計算模型

2　基于MATLAB GUI的軟件開發

圖形用戶界面（GUI）是用于與計算機程序之間的交互方式，它是包含圖像對象，如窗口、圖標、菜單和文本以及工具欄的用戶界面。當用戶以特定的方式激活或者是選擇圖形對象而發生變化或是引起動作，通過圖形用戶界面，可以直觀、輕松地與計算機進行交互。MATLAB為用戶設計圖形界面提供了高效便捷的集成環境，可以設計出功能強大，操作簡單以及界面友好的圖形用戶界面。

2.1仿真軟件模塊設計

本論文通過MATLAB的GUI設計出超聲換能器聲場仿真的主界面，在根據模塊化設計的思想，本軟件主要有參數設置模塊、計算模式選擇和成像顯示三個模塊。

（1）參數設置

參數設置包括探頭參數設置，主要參數是探頭晶片的直徑和激勵信號的頻率；介質參數設置，主要是介質密度及超聲波在介質中傳播的速度；計算區域設置，用來設置感興趣的聲場的范圍，主要是軸線Z方向的長度及X或Y方向的寬度。

（2）計算模式選擇

探頭的空間聲壓是個三維問題，如果要以三維的形式呈現聲壓圖像，不僅計算量大，還增加了成像的時間。而根據換能器具有對稱性的特點，只需要進行特殊的幾種成像即可，主要是聲軸線上的聲壓曲線，聲軸線截面內的聲壓圖和垂直于聲軸線的聲壓曲線這三種形式。

圖2　軟件運行界面

（3）成像顯示模塊

成像顯示模塊主要是展現聲場計算結果，主要包括三部分，一是聲軸線上的聲壓曲線，二是聲軸線截面內的聲壓圖，三是垂直于聲軸線的聲壓曲線。

2.3仿真軟件開發

2.3.1軟件界面設計

基于MATLAB的可視化軟件開發，主要是要開發2個文件，*.Fig文件和*.M文件。*.Fig文件包括GUI的圖像窗口和所有子對象（包括用戶控件和坐標軸）的設計；*.M文件用來控制GUI并決定GUI對用戶的操作響應，包含運行GUI需要的所有代碼。在M文件的框架內編寫GUI組件的回調函數即可。本文設計的軟件界面運行后如圖2所示。

2.3.2回調函數開發

界面設計好以后，就要編寫回調函數，不同的按鈕對應于不同的回調函數。回調函數主要有三個作用是

1）讀取文本控件中設置的參數；

2）根據選擇的計算模式，計算相應區域的聲壓，得到聲壓數據；

3）將數據以圖像或曲線的形式顯示在圖像控件中。

當運行GUIDE創建的GUI時，M文件會自動生成一個叫做handles的結構體。Handles結構體可以看作一個數據的“容器”，包含所有的GUI對象數據。回調函數共3個參數，hObject表示該回調函數所屬對象的句柄；eventdata為保留參數，值為空；Handles表示GUI數據。鼠標右擊控件，選擇“view callbacks”中的“callback”進入按鈕所對應的回調函數，在函數體中完成相應程序的編寫。

3　運行實例

運行軟件，輸入參數，探頭直徑15mm，中心頻率2.5MHz，介質密度7.8Kg/m3，介質聲速5900m/s，設置計算區域為Z軸方向100mm，X、Y軸方向20mm。然后點擊相應的“計算”按鈕，得到如圖3所示的結果。通過改變參數，可以得到任意區域的聲場分布情況。

圖3　計算結果

4　結束語

基于空間脈沖響應，利用MATLA的GUI工具箱，開發了超聲探頭聲場仿真軟件，該軟件可以快速計算三維空間中任意點的聲壓，并將結果以曲線或圖像的形式展現出來，可以快速得到不同參數探頭的聲場，為優化超聲檢測工藝奠定了基礎。

［1］ 沙正驍，剛鐵，趙新玉.超聲換能器聲場的模擬和可視化研究［J］.無損檢測，2011， 33（5）：2-6.

［2］ R.Raillon，S.Bey，A.Dubois，M.Darmon.Results of the 2009 UT Modeling Benchmark Obtained with CIVA： Responses of Notches， Side-Drilled Holes and Flat-Bottom Holes of VariousSizes［C］.AIP Conference Proceedings， 2009，（1211）： 2157-2164.

［3］ UTEX Scientific Instruments Inc.Imagine3D ultrasonic simulation［EB/OL］.http：//www.utex.com/Products/ Simulation/I3d/Imagine3D.htm.

［4］ 張俊，丁輝，王中亞，張益成.核電站關鍵部件超聲檢測計算分析系統［J］.核動力工程，2009，30（6）：110-116.

［5］ 鄒誠， 孫振國， 蔡棟， 張文增， 陳強.矩形超聲換能器空間脈沖響應計算方法研究［J］.儀器儀表學報，2015，36（12）：2641-2649.

［6］ 王甲春，鄭偉偉.MATLAB GUI 技術在梁的內力分析可視化中的應用［J］.廈門理工學院學報，2009，17（4）：56-59.

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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