实时声波二维成像系统设计

　　超声声波在介质中的传播是一个比较复杂的过程，传统研究方法大多基于简单的介质参数、采用波动方程计算并仿真出声波传播规律，为工程应用提供理论支撑和先验模型[1-3]。而对于复杂的声波介质，如组成成分复杂的介质、多孔介质等，难以通过数学表达式准确地将声波的传输特征表达出来，故难以得到供工程应用的直观的先验模型[4-6]。因此论文设计了实时声波二维成像系统，通过在待测介质中激发出超声波体波，采用扫描的方法获得体波在介质中传播的动态图像[7]。该系统可为复杂介质中声波的传播规律和特点提供直观的先验模型。

　　1　检测原理

　　超声波激励示意图见图1，灰黑色薄板为待测物体切片，白色部分为超声波发射换能器。当薄板厚度和换能器长度尺寸H可比拟的时候，能在薄板中较好的激励出超声波，用涂有耦合剂的接收换能器在物体表面检测，就能可视化地检测到体波在物体内部的传播规律[8-9]。

　　本文设计的成像系统的二维成像原理如图2所示，图2(a)为被测薄板俯视图，图中T为超声波发射换能器，物体表面上的黑点代表超声波接收换能器测量的位置(图中仅列出5个)，在该平面上有这样的检测点xmax×ymax个。采用右侧脉冲波形激励超声换能器T，使之发射超声波。声波在薄板中传播，到达接收换能器所在的位置A，可观察到A点的时间-声压波形。脉冲信号和声压信号波形见图2(b)。

　　规定激励脉冲下降沿时刻为t0，每隔单位时间Δt后有t1～tn时刻。就任意点A而言，在每一单位时刻具有瞬态能量f(t)。现在考虑t1时刻薄板上的任意一点A(x，y)，在该点存在瞬时能量f(x，y，t1)，如图2(c)所示，按照成像原理，可认为薄板上有xmax×ymax个像素点，将各点瞬时能量作为灰度值，可绘制出t1时刻瞬时超声波形图。同理，可以得到t2～tn时刻的瞬时波形图，若连续观察各连续时刻的瞬时波形图，则将得到声波在被测物体中的实时传播波过程。

　　2　系统设计

　　2.1　系统框图

　　基于上文中提出的检测原理，综合应用机械、电子和计算机接口等相关技术，设计了图3所示的检测系统。其中，计算机端的上位机软件，通过RS232串口向微控制器发布一系列控制命令，实现了由双轴丝杆滑台带动超声波接收换能器精确移动到各超声成像像素点;微控制器亦能控制超声发射和采集电路，将各像素点的声波信号转换为数字量，传输给上位机;上位机最终根据各像素点的采样值输出成像。

　　系统的工作流程图如图4所示。在系统上电完成后，上位机选定并打开一个串口，作为和下位机通信的链路。上位机通过发送控制方向帧(CMD_DIR)和设置初始位置帧(CMD_LSTR)控制接收换能器移动，以确定图2中的像素坐标原点(0，0)，并以同样方法设像素坐标终点(xmax，ymax)。之后，上位机通过自动运行帧(CMD_AUTO)，让下位机进入自动采集状态。下位机在自动运行状态下，不断返回当前位置(x，)以及该位置的采样值序列f(x，y，t0)～f(x，y，tn)。最终，计算机根据采样值绘制出各时刻的波形图。