基于Matlab的超聲場可視化研究及GUI仿真模擬

譚智源　沈洋　游泳

[摘 要]利用超聲場理論及對其數學計算，對常用圓形活塞換能器的聲軸線聲壓分布、軸向橫截面的聲壓分布及聲場指向性的理論計算進行推導得出數學函數表達式，再通過Matlab數學軟件模擬仿真進行可視化研究，以換能器的各項參數對超聲場各個特征量的影響作為研究對象。最后利用人機交互界面（GUI）設計一個用戶界面，并在界面上完成輸入參數與輸出模擬仿真結果，有利于文章更加方便地觀察到超聲換能器的各參數對超聲場分布的影響，更有利于直觀地理解超聲場理論，從而提高研究的效率。

[關鍵詞]Matlab軟件；超聲波聲場分布；聲場可視化；人機交互界面（GUI）

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.06.233

在超聲波無損檢測中，發射超聲波的是超聲探頭，又稱換能器，是一種電聲轉換器件，它是超聲波檢測中用來探測物體的探測頭，是超聲檢測設備中的重要組成部分。超聲換能器的聲場關系到缺陷的定位定量以及檢測精度和靈敏度，了解聲場結構及分布特征對于提高檢測可靠性、準確性以及提高檢測效率都起著至關重要的作用。[1]由于聲場是抽象的，看不見摸不著，而表達式和聲場數據也是抽象的，雖然能夠概括聲場的特性，但是對于研究分析聲場來說，它們不利于人們對聲場較好地理解。因此，將聲場計算結果可視化，讓不可見的聲場變為可見的圖形圖像，然后結合探傷過程，選取合適的參數進行探頭制造，這樣可以大大提高檢測質量、減少試制探頭的不合格率，節省了檢測成本和探頭的制造成本。因此，將可視化技術應用于無損檢測和超聲波聲場的模擬中有著重要的意義。

1 圓形活塞換能器的聲場理論計算

設一圓形活塞換能器，在固體鋼表面垂直入射。換能器表面上的每一個點可視為單一點源[2-3]，若聲源發射的聲波為連續的簡諧波，在無衰減情況下，聲軸線上的聲壓分布為：

2 Matlab聲場仿真結果及討論

根據圓形活塞聲場理論，使用Matlab數學軟件對換能器軸線上聲壓的分布進行仿真與可視化處理。圖1為頻率f=1MHz，直徑D=40mm圓形換能器的聲場分布。由圖1（a）可看出，在近場區域內（即rN時，聲軸線上的聲壓隨距離r單調遞減，不會再出現起伏波動的情況。當r≥3N時，由圖觀察可知，P∝1/r，與球面波的距離-振幅關系相似。于是在遠場區，可將換能器近似看作點波源，并激發出球面波。從圖1（b）中可發現，軸線附近聲場衰減緩慢，軸線上的聲壓值最大，遠離軸線則呈現出振蕩衰減趨勢，從而得出結論：聲場能量大部分集中在軸線以及軸線的周圍。

以輻射頻率和換能器尺寸為自變量研究換能器輻射聲場的指向性，如圖2所示。從仿真結果可看出，輻射頻率不變，隨著換能器尺寸的增大，指向性越好；換能器尺寸不變，隨著輻射頻率提高，指向性越好。

圖3給出了脈沖聲場軸線上的聲壓分布，從圖中可看出雖然在近場范圍內脈沖波也存在著與連續波相似的波動，但波動幅度相對小很多，而且極大值遠小于連續波聲場聲軸線的極大值，極小值遠大于連續波聲場聲軸線的極小值。換能器的頻帶越寬，聲軸線上聲壓幅值的波動就越小，反之越大。

3 基于超聲場理論及模型的GUI界面開發

為了更有效方便地分析研究，可以利用人機交互界面的形式輸出仿真結果。[5]在界面上輸入相應的參數后，通過給計算機命令，即可將模型仿真的結果輸出并在界面呈現。在本設計的GUI界面上，實現的功能為：控制三組控件，分別為換能器參數、工件參數及計算方式（可視圖片、可視動態圖），從而輸出四個結果，分別為活塞換能器的近場長度、三幅可視化的仿真圖片。設計結果如圖4所示。