超声波测距声场仿真研究.pdf

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1、2014年3月1日现代电子技术Mat．2Ol4第37卷第5期ModernElectronicsTechniqueV01．37No．5超声波测距声场仿真研究刘雪林，史湘伟，黄兴洲，薛德宽，陈文娟(中国石油大学(华东)理学院，山东青岛266555)摘要：通过对声场理论模型的研究，利用Matlab软件对声场进行仿真并且给出了可视化的结果，从而使声场的分析大大简化。另外通过控制变量法分别讨论了发射频率以及超声波换能器的尺寸等对声场分布的影响，有利于加深对抽象声场的理解，从而对超声波测距系统进行优化。关键词：Matlab；超声场分布；发

2、射频率；超声波换能器中图分类号：TN710．34；TP391．9文献标识码：A文章编号：1004—373X(2014)05．0101．04SimulationresearchonthesoundfieldofultrasonicdistancemeasurementLIUXue—lin，SHIXiang—wei，HUANGXing—zhou，XUEDe-kuan，CHENWen-juan(CollegeofScience，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266555，China)Abstra

3、ct：Throughtheresearchonthetheoreticalmodeloftheultrasonicsoundfield，theuhrasonicsoundfieldissimulatedwithMatlab，andthevisualresultsaregiven，SOtheanalysisoftheultrasonicsoundfieldissimplified．Inadditionthefactorsaffectingthedistributionoftheuhrasonicsoundfieldsuchast

4、hetransmitting~equeneyandthesizeofultrasonictransducerisanalyzed．Itishelpfultothecomprehensionoftheabstractultrasonicsoundfieldandoptimizationthedistancemeasurementsystem．Keywords：Matlab；uhrasonicsoundfielddistribution；transmitting~equeney；ultrasonictransducer0引言1超声

5、场理论研究对于超声波测距系统而言，超声波的分布关系到被1．1描述超声场的物理量测物体定位的可靠性和准确性，因此在超声波检测的研超声波声场即在介质中超声振动所波及的质点所究中，超声波声场的模拟尤为重要。从目前国际上的研占据的空间范围。超声波声场的大小形状受到各种因究现状来看，超声波的模拟主要包含了：工件中声场分素的影响，通常采用声压、声强和声阻抗等物理量描述超声场。布的模拟，声源发射声场的模拟，各向异性材料和高衰超声波某一瞬间在某一点所具有的压强P．与超声减的不均匀材料中声场模拟等，这方面研究包括瑞典乌波声场不存在时同一位置的静

6、态压强P之差称为该点普萨拉大学开放的基于Matlab的工具箱程序包的声压，用P表示，平面余弦波声压的大小为：DREAM，法国的PierreCalmon先生等创建的Champ．sons数学模等。我国的超声检测模拟和仿真技术的发p=pcAtocos一号l)展相对滞后，新技术研发中计算机技术的应用一直是我式中：P为介质的密度；A为介质质点的振幅；c为超声国超声检测的薄弱环节。20世纪90年代，浙江大学开波在介质中的传播速度；为质点振动的角频率；为发了CAPPNDT系统，冶金部压力容器站研发了NDTS质点到波源的距离；t为时间。软件，

7、标志着我国超声检测模拟技术得到了进一步发由式(1)可知，声压的绝对值与角频率成正比，展。但从整体上看，我国在超声检测模拟和仿真技术方由于∞=2因此声压与频率也成正比。面的研究成果相对较少。1．2基尔霍夫积分定理超声波换能器的声场，可以利用基尔霍夫积分定理：进行数学表述，其中波动微分方程中与时间无关的部收稿日期：2013-11．11分，对应为空间波动的亥姆霍兹方程，即：基金项目：国家级大学生创新实验项目(201310425060)；中国石油大学(华东)重点教改项目(SY—A201209)V。+Jl}：0(2)l02现代电子技术2

8、014年第37卷对式(2)求解可得：制字lfr((3)式中：e／r为曲面s上的点传向P点的波动，此解的物理意义是闭合曲面S包围其中的任一点P的波动，可用该曲面上各点的波动积分求得。1-3圆盘声源的声场图2超声波探测模块实物图1．3．1圆盘声源轴线上声压分布圆盘声源轴线上任一点