董 明（西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安，710054）

?

基于MATLAB的超聲換能器聲場可視化軟件開發(fā)

董 明
（西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安，710054）

對超聲換能器的聲場進(jìn)行數(shù)值計算是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，在分析超聲換能器聲場模型的基礎(chǔ)上，用MATLAB的GUI工具箱對聲場進(jìn)行可視化設(shè)計。通過輸入換能器參數(shù)和介質(zhì)參數(shù)，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(yōu)化檢測工藝，也可以指導(dǎo)探頭設(shè)計。

超聲檢測；聲場仿真；可視化；MATLAB

0　引言

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的日益進(jìn)步，在現(xiàn)代超聲檢測領(lǐng)域研究超聲波在工作中的傳播規(guī)律，并進(jìn)行數(shù)值計算成為研究的熱點(diǎn)。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(diǎn)的聲壓強(qiáng)度和振幅，來定量地獲得介質(zhì)中的聲場分布，并將結(jié)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(chǎn)生和傳播機(jī)理，而且可以提前對檢測工藝的可行性、可靠性進(jìn)行分析，優(yōu)化檢測參數(shù)，降低成本，保證超聲檢測可靠性和準(zhǔn)確性，提高效率。許多國家都在大力開發(fā)商用的仿真軟件，法國原子能委員會開發(fā)了CIVA，加拿大的UTEX科學(xué)儀器公司開發(fā)了Imagine 3D，武漢大學(xué)開發(fā)了核電站關(guān)鍵部件超聲檢測計算分析系統(tǒng)（UTCAS）。雖然國外超聲仿真軟件開發(fā)成熟并應(yīng)用于工業(yè)實(shí)際，但其核心技術(shù)嚴(yán)格保密，軟件價格昂貴。

MATLAB擁有強(qiáng)大的計算和繪圖能力，利用MATLAB的GUIDE工具箱可以快速地設(shè)計出美觀、友好的界面?？臻g脈沖響應(yīng)法適用于半無限空間瞬態(tài)聲場的計算，被認(rèn)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(yīng)聲場理論，利用MATLAB開發(fā)了一款可視化聲場仿真軟件

1　聲場理論

空間脈沖響應(yīng)認(rèn)為超聲探頭在輻射空間的聲場是探頭振動速度與該點(diǎn)處空間脈沖響應(yīng)函數(shù)的時域卷積。利用空間脈沖響應(yīng)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(diǎn)處的聲場可表示為

而為了簡化計算過程，一般將觀測點(diǎn)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(yīng)的圓心角來得到空間脈沖響應(yīng)函數(shù)，即空間脈沖響應(yīng)可表示為是任意時刻投影圓與聲源相交弧長對應(yīng)的圓心角。

圖1　空間脈沖響應(yīng)計算模型

2　基于MATLAB GUI的軟件開發(fā)

圖形用戶界面（GUI）是用于與計算機(jī)程序之間的交互方式，它是包含圖像對象，如窗口、圖標(biāo)、菜單和文本以及工具欄的用戶界面。當(dāng)用戶以特定的方式激活或者是選擇圖形對象而發(fā)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(jī)進(jìn)行交互。MATLAB為用戶設(shè)計圖形界面提供了高效便捷的集成環(huán)境，可以設(shè)計出功能強(qiáng)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(shè)計

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

（1）參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置包括探頭參數(shù)設(shè)置，主要參數(shù)是探頭晶片的直徑和激勵信號的頻率；介質(zhì)參數(shù)設(shè)置，主要是介質(zhì)密度及超聲波在介質(zhì)中傳播的速度；計算區(qū)域設(shè)置，用來設(shè)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(xiàn)聲壓圖像，不僅計算量大，還增加了成像的時間。而根據(jù)換能器具有對稱性的特點(diǎn)，只需要進(jìn)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(nèi)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(yùn)行界面

（3）成像顯示模塊

成像顯示模塊主要是展現(xiàn)聲場計算結(jié)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(nèi)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(fā)

2.3.1軟件界面設(shè)計

基于MATLAB的可視化軟件開發(fā)，主要是要開發(fā)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(biāo)軸）的設(shè)計；*.M文件用來控制GUI并決定GUI對用戶的操作響應(yīng)，包含運(yùn)行GUI需要的所有代碼。在M文件的框架內(nèi)編寫GUI組件的回調(diào)函數(shù)即可。本文設(shè)計的軟件界面運(yùn)行后如圖2所示。

2.3.2回調(diào)函數(shù)開發(fā)

界面設(shè)計好以后，就要編寫回調(diào)函數(shù)，不同的按鈕對應(yīng)于不同的回調(diào)函數(shù)。回調(diào)函數(shù)主要有三個作用是

1）讀取文本控件中設(shè)置的參數(shù)；

2）根據(jù)選擇的計算模式，計算相應(yīng)區(qū)域的聲壓，得到聲壓數(shù)據(jù)；

3）將數(shù)據(jù)以圖像或曲線的形式顯示在圖像控件中。

當(dāng)運(yùn)行GUIDE創(chuàng)建的GUI時，M文件會自動生成一個叫做handles的結(jié)構(gòu)體。Handles結(jié)構(gòu)體可以看作一個數(shù)據(jù)的“容器”，包含所有的GUI對象數(shù)據(jù)?；卣{(diào)函數(shù)共3個參數(shù)，hObject表示該回調(diào)函數(shù)所屬對象的句柄；eventdata為保留參數(shù)，值為空；Handles表示GUI數(shù)據(jù)。鼠標(biāo)右擊控件，選擇“view callbacks”中的“callback”進(jìn)入按鈕所對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，在函數(shù)體中完成相應(yīng)程序的編寫。

3　運(yùn)行實(shí)例

運(yùn)行軟件，輸入?yún)?shù)，探頭直徑15mm，中心頻率2.5MHz，介質(zhì)密度7.8Kg/m3，介質(zhì)聲速5900m/s，設(shè)置計算區(qū)域?yàn)閆軸方向100mm，X、Y軸方向20mm。然后點(diǎn)擊相應(yīng)的“計算”按鈕，得到如圖3所示的結(jié)果。通過改變參數(shù)，可以得到任意區(qū)域的聲場分布情況。

圖3　計算結(jié)果

4　結(jié)束語

基于空間脈沖響應(yīng)，利用MATLA的GUI工具箱，開發(fā)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(diǎn)的聲壓，并將結(jié)果以曲線或圖像的形式展現(xiàn)出來，可以快速得到不同參數(shù)探頭的聲場，為優(yōu)化超聲檢測工藝奠定了基礎(chǔ)。

［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(guān)鍵部件超聲檢測計算分析系統(tǒng)［J］.核動力工程，2009，30（6）：110-116.

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

［6］ 王甲春，鄭偉偉.MATLAB GUI 技術(shù)在梁的內(nèi)力分析可視化中的應(yīng)用［J］.廈門理工學(xué)院學(xué)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

A