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北京交通人学硕士学位论文 通用扫描成像检测系统研究 一 软硬件接口技术及探头声场计算方法 摘要 超声扫描成像技术作为主动式超声检测的一种先进技术在钢铁、 能源、 铁路及其它国防和民用领域得到了广泛应用。通用扫描成像检测系统是实 现该技术的软硬件系统。为了实现系统的通用性，需要开展对软硬件通用 性方法的研究。论文主要分四个部分讨论了与系统实现方法有关的软硬件 接口 技术和探头声场数值计算方法。 第一部分提出了软接口的概念，利用软接口的设计扩展了软件对硬件 的适用范围，使软件具有对各类硬件的通用性。硬件底层驱动可以用驱动 开发软件辅助生成， 上层软 件接口 用动态链接库( d l l ) 实 现。 硬件驱动和软 件接口只要遵循相应的编程规范就可以实现软件对各类硬件的控制。 第二部分研究了基于网络传输数据的软件设计方法，使超声信号采集 和处理分开在两台计算机上完成。 网络传输利用丁 c p / i p 协议， 基于服务器 / 客户机模式进行数据传输和交换;采用面向连接的流套接口 能够保证数据 传输的实时性和正确性。 第三部分研究了图像打印的软件设计方法。软件可以选取软件视图中 的任意成像区域，同时可以 添加需要的检测过程的信息，并以报表的形式 打印出来。图像打印接口在内存中画出需要的图形并将其保存为 日 m p位 图，然后利用图像处理的扩展类c d ib 对位图进行打印输出。 第四部分应用物理声学方法，推导了两类探头超声场声压的积分表达 式，编制了相应的声压场模拟软件 u lt r a s o u n d f 。该软件作为通用扫描成 像检测系统软件的子软件，有助于对换能器的设计和超声场的研究。 整个论文从工业实用出发， 阐述了通用扫描成像检测系统的软硬件接口 技术。探讨了探头声压场的计算方法，这些成果己成功运用到项目 之中。 关键词:无损检测扫描成像软接口网络数据传输打印换能器 声场数值计算 北京交通大学硕士学位论文 ab s t r a c t t i t l e : r e s e a r c h o f t h e u n iv e r s a l s c a n n i n g im a g in g in s p e c t io n s y s t e m - - - - s o f t w a r e 其中， s e rv e r s o c k e t 参数指定的是b in d ( ) 绑定的 那个套接字。 m _ h wn d 基于网络传输数据的软件设计方法 参数指定的是一个窗口 句柄，它对应于网 络事件发生之后，想要收到消息 通知的那个窗口 或对话框。 wm _ c l i e n t a c c e 户 丁 参数指定在发生网络事 件时 打算接收的消息。 该消息会被由 m _ h wn d 窗口 句柄指定的窗口 接收。 这是一个自 定客的 消息，为了 避免网 络窗口 消息与预定义的 标准窗口 消息 发生 冲突， 应用 程序 需 要 将 这 个 消 息 设 为 比 w i n d o w s 的 wm _ u s e r 消 息 大 的一个值。 最后一个参数是 d a c c e p 下 ， 它指定的是一个位掩码， 对应 于一系列网络事件的组合，应用程序感兴趣的便是这些事件。通常应用程 序感兴趣的网络事 件类型包括: f d _ r e a d , f d es wr i丁 e , f d _ c o n n e c t , f d 一c c e p 丁 和 f d 多l o s e 。 如 果 应 用 程 序 处 在 服务 器 端， 须 响 应 接 收 客 户连接的f d 产c c e p 下 事件。 应用程序可以同时响 应多个网 络事件，只需 对各种类型执行一次位或运算， 然后将它们分配给这个参数就可以了。这 样，当相关的网 络事件发生时， win d o w s 应用程序的窗口 函数将收到一个 消息。这样就实现了网络传输的事件驱动。 此时 服务器端可以 接收来自 客户端的 连接了。当 客户端连接时， 按照 服务器端建立的消息响应机制， wm _ c l i e n t - a c c e p 下 消息被触发。 如果 连接是有效的， 则接受这个客户连接并将这个客户连接赋给一个s o c k e t 句 柄，同时可以设定发送和接收的模式 ( 延时或非延时)以及发送和接收的 缓冲区。 最后用 ws a a s y n c s e le c t 设定数 据读写f d 一e a d , f d 少 j v r i下 e 和 连接 关闭 f d _ c l p s e 的 消 息 响 应 事 件。 需要注意的地方是对缓冲区和延时的设置。 缓冲区在进行数据传输过 程中是很重要的，一般需要有足够大的缓冲区以保证数据发送和接收的速 度。如果缓冲区设置太小，则当数据处在持续发送过程中，系统老是处于 缓 冲区 满的 状态， 则 发 送失 败， 增 大了 系 统的 开 销， 加大了 系 统的 负 担。 接收过程也存在类似的情况。 缓冲区也不应设置得太大，以 免数据处于不 断填充用户缓冲区的过程而不能保证发送和接收的顺利进行。所以缓冲区 要设置适当， 一般设置缓冲区为2 0 k b y t e 。 延时 是指当 数据在缓冲区中 积累 到一定大小后再发送， win s o c k 中 默认使 用n a g le 算法实现延迟。 但延迟的 采用会降 低小数据包的 发送 速度， 在 此将 其 设为 非 延迟。 缓冲区 和延 迟的 设定方法如下: in t b n o d e la y 二 1 ; / 延时 标志 in t n r c v b u f = 1 0 2 4 2 0 ; i n t n s n d b u f = 1 0 2 4 2 0 ; ! l 缓冲区大小2 0 k s e t s o c k o p t ( c i ie n t , s o l s o c k e t , -1 7s o r c v b u f , ( c h a r 0 ) 1 / 设置 读缓冲 s e t s o c k o p t ( c l ie n t ,s o l s o c k e t , s o _ s n d b u f , ( c h a r * ) / / 设置写 缓冲 s e t s o c k o p t ( c lie n t , i p p r o t o 一c p , t c p _ n o d e l a y , ( c h a r * ) / / 不采用延时算法 ( 3 ) 客户端网络建立过程 客户端网络建立过程要简单得多，建立成功连接只需三步操作: 1 )网 络初始化， 用s o c k e t 创建一个套接字。 2 ) 解析服务器名 ( 以 基层协议为准)。 3 ) 用c o n n e c t 初始化一个连接。 成功后即建立了与服务器端的连接。由于客户端要接收来自 服务器端 的 数据， 所以 需 要用函 数 ws a a s y n c s e le c t q 定 义 读 数 据消 息映 射， 实 现客 户端对数据的响 应，同时设定好缓冲区和延迟。 具体设定方法参见( 2 ) 节口 ( 4 ) 数据传输过程 收发数据是数据传输的核心。要在已 建立连接的套接字上发送数据， 可用这个a p i 函数: s e n d ( ) 。 需要像下面这样调用 s e n d ( ) : in t b y t e s _ s e n d 二 s e n d ( w p a r a m , 返回 值b y t e s _ s e n d 是 成功 发送的 字符串的大小; w 户 a r a m为已建立的准备发送数据的网络连接的句柄。同 样地， 在已 建立了 连接的套接字上接收数据也有相应函数: r e c v ( ) 。 需要 像下面 这样调 用 r e c v ( ) : in t b y t e s _ r e c v 二 r e c v ( w p a r a m , 返回 值b y t e s _ r e c v 是 成功 接收的 字 符串的 大小;w p a r a m 为已建立的准备接收数据的网络连接的句柄。 在接收过程中， 当 有数据发送过来时， 程序会迅速响应f d _ r e a d 事件， 对于每一个 d _ r e a d事件都调用函 数 r e c v ( ) ， 但是不一定每一次调用 r e c v ( ) 都会接收到一 个完 整的 数 据包， 因 为 数 据 可能 不 会一次性 全部发 送 过来。所以 在开始处理接收到的数据之前， 要对接收到的字节数( 即 r e c v ( ) 的返回值) 进行判断， 看看是否收到的是一个完 整的 数据包。 在发送过程中每调用函数s e n d ( ) 后也应记 下发送的字节数， 循环到下一 次调用s e n d ( ) 时应根据上次记录的已 发送字 节数对要发送的缓冲区的首地 址和待发 送字节数作调整， 直至最终发送完 所有数据。 f d es wr i下 巨 网络消 息是由 c o n n e c t 和s e n d 触发的，当 c o n n e c t 成 功后，系统会发f d _ wr it e 消 基于网络传输数据的软件设计方法 息 通知连接成功， 此时即 可发 送数 据; 当 调用 发 送函 数 s e n d ( ) 后， 如果发生 ws a e wo u l d b l o c k 错误，系统就知道还有数据要发送，但此时缓冲区 己 满， 所以 系统会在适当 的时 候 ( 缓冲区 空闲) 发f d 一 wr i下 e 通知 继续发 送上次没发完的数据，直到某次调用s e n d 后未发生ws a e wo u l d 日 l o c k 错误，系统知道数据已经发完，之后就不通知了，如果在某个地方再一次 调用s e n d 并被阻塞，这样就会重复上述发送过程。 ( 5 ) 网络连接结束过程 给服务器端发送一个关闭控制字，服务器端接收到这个控制字后用 c lo s e s o c k e t o 切断 与 客户端的 数据交换， 关闭 服务 器 端连接， 此时 系统自 动向客户机发送f d _ c l o s e 网 络事件， 客户机接收到后用c lo s e s o c k e t ( ) 关 闭自身连接，并将客户端软件上网络连接标志设为断开方式。如果整个程 序退出， 则要调用 ws a c le a n u p ( ) 终止 win d o w s s o c k e t s d l l ， 清除该程序 对网络接口的占用，释放资源。 ( 6 ) 通信速度测试 该方法利用的是基于消息响应机制的win s o c k i/ o 模型。测试程序中服 务器以包( p a c k e t ) 的方式持续不断 往客户机发送数据， 客户机程序接收数 据，对数据进行计数，并在程序中将数值显示出来。 传输速度如下表所示。 表2 . 1 0 m网卡速度测试数据 包大小( b y t e )每秒包数( p / s )传输 速度 ( m b p s ) 1 0 09 0 0 09 . 0 0 0 5 1 21 8 6 09 . 5 2 3 1 0 2 49 3 09 . 5 2 3 2 0 4 84 6 0 9 . 4 2 1 平均速度在9 . 3 m b p s 左右， 基本接近网卡最大的 传输速度( 1 0 m b p s ) . 与表， 比较可知，该方法在数据传输速度上较第一种方法快。 3 . 4 网络接口的应用 网络接口一个应用是扫描测厚成像系统( 图3 -5 ) . 是燃气储运钢管管壁的测厚，采用局部水浸式测厚法。 一i 9- 该系统实现的功能 利用吊车把被测钢 北京交通大学硕士学位论文 管放在支架上， 然后探 头盒从管的下部提升 与管壁接触。 探头盒内 不断充入水， 始终保证 探头发出的超声波能 祸合入管壁。 在测量过 程中， 管子以一定的转 速单向旋转:同时探头 盒以一定的速度沿轴 图3 - 5基 于 网 络的 扫 描 测 厚 成 像 系 统向 移动。 探头盒与 现场检 测机安装在同一辆轨道车上，同步移动。各个测量点的检测值在现场检测 机采集处理后转换为该点厚度值暂存于该机中，终端控制机通过网络向检 测机发送指令，将各个采样点处的厚度值利用网络传输回终端控制机，得 到管壁上各点厚度分布图， 接着对数据进行后处理完成对管子的评定。 本系统采用第二种方法实现数据的传输。现场检测机处在服务器端， 终端控制机处在客户端。服务器端和客户端在数据传输时利用不同的计数 器保证数据传输按照一定时序运行。 首先客户端建立起与服务器端的连接， 机械系统启动。客户端向服务器端发送采集开始命令，此时服务器端设置 好板卡的参数，开始采集超声信号，进行处理后换算成各点厚度值，同时 依据长横管的旋转编码器的读数精确地取得扫描管径上各点的坐标位置， 将这些值暂存在服务器端。 服务器端接收到发送指令后开始准备发送数据。 服务器端有两个计数器，计数器 1 记录已采样的数据点数，计数器 2 用于 记录己发送的数据点数， 客户端也有一个计数器， 记录接收到的数据点数。 此时客户机请求服务器发送数据，服务器端则判断这 2个计数器的值，计 数器2 的值如果小于计数器1 的值，则服务器允许发送， 如果不满足条件， 那么服务器继续等待;客户端在接收到数据后计数器增一，然后再给服务 器端回应一个控制包，包内载有客户端计数器值的字节。服务器端将得到 的客户端的计数器值与自 身的计数器2比 较，如果相同，则计数器2 可增 一， 进入下一个数据点的发送过程。整个过程都在计数器的控制下完成的。 这个过程循环进行下去，直到所有的数据点的数据全部被传送回客户控制 端，结束数据采集， 接着在客户端就可对管壁上各点的厚度值进行后处理 图像打印的软件设计方法 第四章图像打印的软件设计方法 4 1图像打印的功能 成像软件在扫描检测的过程中针对不同的检测目的绘出不同的视图图 像，比如a 型扫描波形图，b 型纵断面扫描图像，c 型横断面扫描图像等 等。在扫描检测结束后，通常都需要在软件中抓取相应的扫描图像，同时 通过软件打印接口将图像以及相应检测参数按照报表的格式打印出来，这 样得到了扫描成像结果的书面报告，工程技术人员可以依据此表对检测过 程进行分析并判定检测结果。可以存储和打印检测过程参数和检测结果， 这是数字化检测设备替代模拟设备的重要原因，所以图像打印功能是通用 扫描成像软件不可缺少的重要功能。 4 2图像打印的实现原理 图4 1 图像打印实现原理 本部分提供了一种v i s u a l c + + 6 0 编程平台下通用图像打印 方法。这种方法通过打印位图的方 法将成像软件视图上或者视图外 的任意图像在彩色打印机上完全 打印出来。 具体实现过程如图4 1 所 示：首先需要选定打印区域。如果 需要选择试图中韶分图像区域，可 以用鼠标跟踪选择区域，记录下选 择的区域位置，然后用c c l i e n t d c 选定需要截取的视图的d c ( 设备 上下文) ，接着创建与该d c 兼容 的位图和内存d c ，然后将该应图 贴在内存d c 中，通过这种方法内 存d c 中保存了需要打印的d d b 位图。如果要选择全视图，当视图 北京交通大学硕士学位论文 无需滚动就可以完全显示在屏幕上时，仍然可以利用上述方法。如果视图 需要滚动才可以显示在屏幕上，通过上面的方法就不能显示滚动区域之外 的视图部分，这时要显示这部分视图，需要将打印的背景图像以位图方式 读入创建的内存d c ，然后在该内存d c 中画出要求的前景图像，这样就把 视图显示的图像转换为内存d c 中的d d b 位图。此时还可以在内存d c 中 添加另外的打印信息。接下来就需要将内存d c 中的d d b 位图转换为d i b 位图，送交打印机输出。由于部分彩色打印机只能打印2 4 位真彩位图图像， 所以在转换为d i b 位图时要选定为2 4 位位图形式。转换好的d i b 位图利 用a p i 函数可将其保存为一个临时位图文件，再用c d i b 类对象读入这个位 图文件。由于c d i b 类对位图图像有着强大的操作能力，所以利用打印设备 环境d c 容易实现对位图图像的打印输出，利用m f c 的打印预览框架也可 实现图像的打印预览的功能。 上述方法可以按照需要打印出反映扫描成像信息的图像，即使图像在 视图滚动区域之外也能打印出来。这种方法将内存中的图像转换成2 4 位真 彩b m p 位图图像，这样在任意打印机上都可以正常打印输出。而且操作位 图图像的c d i b 类是一个开放源代码的位图增强类，可以自由使用。 4 3 图像打印的实现方法 ( 1 ) 区域选择 当打印部分视图时，需要选择打印区域。在视图类中响应鼠标按下 w ml b u t t o n d o w n 消息，捕捉区域选择时鼠标按下的初始点，在鼠标 移动w mm o u s e m o v e 消息中完成鼠标的自由拖动，选择合适的打印区 域，最后响应鼠标弹起w ml b u t t o n u p 消息，捕捉区域选择的终止点。 这样得到了选定区域的坐标，就能对其进行屏幕截图。 ( 2 ) 在内存中画图 选定好打印区域后，可以利用a f x g e t m a i n w n d 0 获得c w n d 对象指针， 以该指针为初始化参数创建c c l i e n t d c 对象。用函数m e m d c c r e a t e c o m p a t i b l e d c ( 按频谱分有宽带窄脉冲探头和窄带连续波探头，以及冲击波探头、特高频 探头和特低频探头等。该部分的工作主要是针对波的直探头连续纵波和斜 探头连续横波的软件模拟， 因为这两类探头在超声检测中应用得最为户泛， 而且相应声场理论也比较完善。 5 . 2 5 . 2 . 1 直探头声场的数值计算 理论基础和公式推导 直探头是使用最为普遍的一种探头，直探头晶片振动产生的声波为纵 波。下面考虑纵波的数学表示形式。 各向同性介质中位移运动方程为 ( 兄 + z ,u w( o u ) 一 p vx vx u + .f = 厕( 5 .2 .1 ) 经 过 严 格 推 导 ， 可 得 微 小 扰 动 时 声 压 ， 与 位 移 势 函 数 少 之 间 存 在 的 关 北京交通大学硕士学位论文 系2 1 1 . p = 日 z _a 一 势 一尸 . 二- 了 at - ( 5 . 2 . 2 ) 直探头圆形晶片声场计算时做了如下假设( 图5 -勺 : 第一、圆 形 声 源 辐 射面 上 各 点是以同相位、圆频率为co 的简谐振 动来辐射声能:据此可得点源在距中 心为r 处的球面上所产生的位移势为 。 = a o 。 j (co t- kr ) iv_ ( 5 . 2 . 3 ) r 第二、对于 每一个d s 小声 源， 都在2 二的半径空间辐射对称球面 波;所以位移势为 沪 e j (m t一 kr ) (5 .2 .4 ) 图5 - 1 圆形晶片声源计算时的坐标选择 第三、我们把一个有一定大小的圆形声源看成是由无限多个小声 源 d s所组成; 第四、对于该圆形声源声场中某点a的声压可以看作是每个小声 源辐射到a点处的声压的叠加。 距点源中心 r 处的速度势为 a (p a t 其中v 。二 j (o a o 。 ， (。 卜 ” ) = v 0 。 了 (cot- kr ) 2 7 c r 2 t c r j c , )a 。 为 声 源 表 面 的 速 度 势。 ( 5 . 2 . 5 ) 据此可得点源在距中心为r 处的声压表达式为 探头声场的数值计算方法 p = 一 p 日 (p o a t e 一 一 p 。 j0)v o 2 i t r of ( ml 一 k r ( 5 . 2 . 6 ) 晶片上面积元 d s在声场a点处所产生的声压可写作: = 一p 。 j勿v0 2 7 r r e i ( 一 k r ) d s ( 5 . 2 . 7 ) 批咖 由 所以整个圆形晶片在 a点产生的连续时谐波的声压为 : 一仃 )0 o i oo v o 。 j ( co 一 kr ) d s 2 z r e j ( m t 一 k r ) r d s ( 5 . 2 . 8 ) 5 . 2 . 2 圆形晶片声场数值计算 数值计算场中各点声压的方法是将下式的积分离散化， 将对 5圆面的 积分转换为对 5圆面上有限个小面源的求和。 : 一 a o 打 e j ( co t 一 k r ) r d s ( 5 . 2 . 9 ) 上 式 积 分 结 果 包 含 了 时 谐 因 子e w ， 还 包 含 实 部 和 虚 部 ， 即 一 般 表 达 为 含 时 间 的 复 数r e j ro t 。 但 是 当 求a 点 处 声 压 值 时 ， 只 需 要 计 算 声 压 的 绝对 值即 结 果中 的 模 i p l= r 的 部 分， 所以 时 谐 因 子e - 不 必 考 虑。 计 算 上 式 积 分 时 需 要 分 为 两 部 分 ， 一 部 分 为 实 部r e二 c o s ( k r ) s r 艺另一部 分 为 虚 部 l m = - j 艺 迥竺 些 ， 则 r 一 了 r 才 十 i im l2尺为所求场点的声 压值大小。软件中圆形晶片声场数值计算的算法根据上述方法编制而成。 北京交通大学硕十学位论文 图 5 -2为平面晶片 ( 斜线表示) 作为声源时小声源的选取方法图。 平面 晶片被分割为矩形网格， 每一个网格表 示一个点声源， 网格的疏密由计算的精 度决定。计算要求精度越高，网格需要 分割得越密， 但同时计算量也越大。 计 算的要求是在满足精度的前提下尽量 减少计算的次数，提高计算的速度。 图 5 -2平面圆形晶片分割方法 由r e 和!m的表达式可知， 在求和中， 关键是求取小声源b到场点a 的距离r 。利用两点距离公式，可由图 5 -3 得到 a b j= 寸 ( n 一 ， ) ， + ， ， + m 2 = v i e + j z + m 2 + n ， 一 2 n . j ( 5 .2 . 1 0 ) 得到a b两点间距离r 后，带入声压计算公式可求得场点声压值。 。 (、 。 ， 0) t y0 ) z a ( j , 0 , i ) 图 5 一 3 圆形晶片直探头声场坐标系 主要程序算法代码如下: f o r d = o j wj 十 +) f o r ( i= 0 ; i d ;i+ + ) l/ 循环计算声场中各点声压值 s u m s i n = s u m c o s = 0 : ij = ( i i + j j) r e s _ 2 ; j = 2 j r e s l ; f o r ( m = o ; m = r ;m + + ) f o r ( n = - r ; n = m n ) i l 限制晶片计算区域为圆形 r = ij + m n - j n ;/ 空间两点距离公式计 算长度 r - s g rt ( r ) n o r m a lp r o b e . c ry s t a l_ e le m e n t ; k r = k r ; s u m _ s in + = s in ( k r ) l r ; s u m c o s + = c o s ( k r ) l r ; 11 实部和虚部值分别相加以求各点声压大小 fi e ld i 9 9 + j = f ie ld i 9 9 - j = s g rt ( s u m 一 s in s u m es s in + s u m c o s s u m c o s ) ; / 声场中各点声压大小由晶片小面源贡献的实部和虚部分量总和进行平方相加求得 / l 以下为数据处理及画图 5 . 2 . 3 矩形晶片声场数值计算 对于矩形晶片，计算方法与圆形晶片类似，不同之处在于计算声源的 贡献时，圆形晶片是对圆内的声源贡献的叠加，而矩形晶片是对矩形内声 源贡献的叠加 ( 图5 - 4 ) . 在具体计算时可以用截面相对于 声源的对称性来减少计算量。 对于圆形 晶片声源， 当计算截面过晶片圆心的平 面上的声场时， 只需要计算圆形晶片面 积的一半，例如计算图5 - 3 中x z平面 只需记及 丫轴一侧的声源对场点的贡 献。 图5 - 5 所示为矩形晶片声场计算坐 标图，当计算x z平面时，仍可以只计 及矩形声源的一半。 但如果计算关于声 源不对称的截面时，就需要考虑整个声 源对场点的贡献了。 图 5 -4平面矩形晶片分割方法 北京交通大学硕士学位论文 -/2 -/ - 一产户 卜 / ( w 0 ,n ) 图5 -5 矩形晶片直探头声场坐标系 5 . 2 . 4 聚焦直探头声场数值计算 下面简单介绍一下聚焦直探头。 聚焦直探头与普通直探头相比其近场和 远场特性都更为优良。一般而言， 聚焦探头其近场区声线收缩会聚快，声 束细， 横向旁瓣低， 轴向声强起伏较小， 焦深长， 远场衰减小， 发散较轻。 这些特性都有利于超声探伤和检测。聚焦直探头一般是在晶片前加一块声 透镜，声透镜形状不一样，会产生不同的聚焦效果。在进行数值处理时， 等 效 于 对 晶 片 上 各 点 相 位 进 行 一 定 的 延 迟 ， 这 样 积 分 公 式 中 的 e j k r 项 就 需 要 附 加 相 应 的 相 位 因 子 叫 ; ) ， 因 此 该 项 变 为 创 (k r 十 州 厂 ) 。 各 点 相 位 延 迟 量 根 据声透镜形状的不同而不同。 5 . 2 . 5 探头声场模拟软件系统 为了直观显示数值计算的结果， 利用v c + 十 6 . 0 编制了探头声压场模拟 软件u it r a s o u n d f 。图5 -6为该软件界面图，图中所示为直探头平面圆形 晶片辐射出的声场形貌。 界面从上至下依次为:1 一 工具栏，用来调出参数设置对话框和三维 成像视图:2 一 探头参数显示框，用于显示打开的数据文件包含的探头参 数和计算过程中的探头参数; 3 一 声压作图显示区， 用以查看平面声场形 貌，分析轴径向声压大小值，标示探头和声场坐标等;4 一 数值计算结果 显示和扫描分析坐标跟踪区;5 一 扫描分析及数据操作按钮区。 北京交通大学硕士学位论文 b ( i 图5 5 矩形晶片直探头声场坐标系 5 2 4 聚焦直探头声场数值计算 下面简单介绍一下聚焦直探头。聚焦直探头与普通直探头相比其近场和 远场特性都更为优良。一般而言，聚焦探头其近场区声线收缩会聚快，声 束细，横向旁瓣低，轴向声强起伏较小，焦深长，远场衰减小，发散较轻。 这些特性都有利于超声探伤和检测。聚焦直探头一般是在晶片前加一块声 透镜，声透镜形状不一样，会产生不同的聚焦效果。在进行数值处理时， _ l ， 等效于对晶片上各点相位进行一定的延迟，这样积分公式中的p “项就需 要附加相应的相位因子妒( r ) ，因此该项变为已，( 打+ 9 ( ) ) 。各点相位延迟量根 据声透镜形状的不同而不同。 5 2 5 探头声场模拟软件系统 为了直观显示数值计算的结果，利用v c + + 6 0 编制了探头声压场模拟 软件u l t r a s o u n d f 。图5 6 为该软件界面图，图中所示为直探头平面圆形 晶片辐射出的声场形貌。 界面从上至下依次为：1 工具栏，用来调出参数设置对话框和三维 成像视图：2 探头参数显示框，用于显示打开的数据文件包含的探头参 数和计算过程中的探头参数：3 一声压作图显示区，用以查看平面声场形 貌，分析轴径向声压大小值，标示探头和声场坐标等；4 一一数值计算结果 显示和扫描分析坐标跟踪区；5 - 扫描分析及数据操作按钮区。 探头声场的数值计算方法 图5 6 声场模拟软件界面图( 直探头平面圆形晶片) 为了计算直探头和斜探头声场，首先需要进行参数设置。工具栏1 中第 一个按钮对应直探头参数设置对话框，设置对话框如图5 7 所示。第二、 三按钮对应单晶片和双晶片斜探头参数的设置。单晶片斜探头设置对话框 如图5 8 所示双晶片斜探头参数具有两个晶片位置设置的参数，其余与 图5 8 中参数相同。第四个按钮为三维成像对话框，其中可以调入计算好 的声场，设置旋转的角度，可以进行三维成像，如图5 9 所示。 探头参数设置完毕后，探头参数显示框2 中即显示设定的探头参数，同 时开始在声压作图显示区3 中画图，逐点显示各场点声压对应的颜色，作 图区中右下方显示探头类型和声场坐标示意图。画图完毕即可将有关物理 量的数值计算结果显示在4 的编辑框中，同时在作图显示区3 中显示出声 场轴线上声压值曲线图。对数据可以保存为文件，以供重新调入，也可将 图像保存为b m p 位图。对于作图区3 中的声场图，可以利用“场点分析” 对感兴趣的区域进行精确定位，定位坐标实时显示在坐标跟踪区4 中，并 画出定位点所在横纵坐标线上声压曲线图。作图区3 中可以三种方式( 声压 北京交通大学硕士学位论文 图、等压级、指向性) 六种色标( 见下节) 显示声场图像，按主窗口左侧的按 钮即可进行切换。打印功能可以将界面部分或全部打印出来，参见第四章。 图5 7直探头声场计算参数设置图 图5 8斜探头声场计算参数设置图 3 4 探头声场的数值计算方法 图5 9三维成像对话框 5 2 6 色标的作用 色标在成像中起到很重要的作用。与地图上等高线和对应颜色在标高 上所起作用相似，色标标定我们关心的声场中各点声压的相对大小。声场 中各点声压的绝对大小值一般而言是没有什么意义的，所以在计算声压时 可以忽略常数因子a 。的影响。通过对声压相对值的计算，用不同的颜色来 表示各点相对声压的强弱，得到声场声压分布图像。 通常取视觉上连续变化的1 0 0 种颜色表示数值大小的o 1 0 0 ，当汁 北京交通大学硕士学位论文 算相对值时，将待计算区域最大声压处声压相对值取为1 0 0 ，其他地方声 压与其相比，得到从0 1 0 0 区f 司内的值。然后对每一点处用对应的一种颜 色渲染，当待计算区域每点都得到渲染后，就得到了一幅声场图。对每次 计算的探头参数和声场中各点的相对声压值进行数值处理，得到声场的特 性参数值比如近场长度、3 d b 指向角度、3 d b 焦柱长度和宽度等。 图5 1 0 是探头声场模拟系统软件中所用的6 种色标。本章所显示的 声场图都是利用第一种色标标定的。 图5 1 0 探头声压图中使用的6 种色标 5 2 7典型晶片直探头声场图 图5 1 1 至图5 1 4 为计算得到的一些典型直探头声场图。每幅图下 括号中的数值是计算时设定的探头参数值。 图5 1 1直探头平面圆形晶片声场声轴截面图 ( 晶片直径：2 0 0 0 探头频率：2 5 0 晶片分辨率：0 2 0 场分辨率：0 3 0 扫场深 度：2 0 0 0 0 扫场宽度：6 0 o o 介质声速：5 9 5 ) 3 6 探头声场的数值计算方法 图5 1 2直探头平面矩形晶片声场声轴截面图 ( 晶片长度：2 0 0 0 晶片宽度：2 0 0 0 探头频率：2 5 0 晶片分辨率：0 2 0 场分辨 率：o 3 0 扫场深度：2 0 0 0 0 扫场宽度：6 0 0 0 介质声速：5 9 5 ) 由图5 1 1 和图5 - - 1 2 可知平面圆形和矩形晶片声场形貌差别不大。 图5 - - 1 3矩形锥角聚焦直探头声场声轴截面图 ( 晶片长度；2 0 。0 0 晶片宽度；2 0 0 0 探头频率：2 5 0 晶片分辨率：0 2 0 场分辨 率：0 2 0 扫场深度：1 2 0 0 0 扫场宽度：4 0 0 0 介质声速：5 9 5 ) 图5 - - 1 4圆形锥角聚焦直探头声场声轴截面图 3 7 北京交 通大学硕士学位论文 ( 晶片直径: 2 0 .0 0 探头频率: 2 .5 0 晶片分辨率:0 . 2 0 场分辨率: 0 . 2 0 扫场深 度:1 2 0 . 0 0 扫场宽度:4 0 . 0 0 介质声速:5 . 9 5 ) 图5 -1 3 和图5 -1 4 显示的是加了声透镜后平面圆形和矩形晶片声场 图。从图中所示声场可知:聚焦探头其近场区声线收缩会聚快，主瓣声束 细， 横向旁瓣弱，发散较轻。 这使得聚焦探头有优良 地检出缺陷的能力。 5 . 3 斜探头声场的 数值计算 5 . 3 . ， 理论介绍和公式推导 图5 -1 5为横波斜探头结构示意图。由平面晶片 ( 圆形或矩形)产生 的超声纵波通过斜楔，在弹性介质表面处发生波形转换，如果入射角大于 第一临界角，在弹性介质中将产生斜射的横波。其中v 1 ,v 2分别为超声波 在斜楔和弹性介质中的声速。 e l a s t i c s o l i d ) 图5 -1 5 横波斜探头结构 斜探头声场的数值计算的理论基础是球面波的射线近似理论，从本质 上讲它是波动理论下的一种声场近似求解方法。射线声学理论认为，球面 波场由无数条射线组成， 每条射线在介质界面上服从平面波的 折射定律， 声源辐射出的声能是由声线携带并传播的，声场中的某点场值是所有能够 到达该点的声线的叠加，连接声源与场点之间的声线统称为本征声线。 传统的声线法分析声场的主要优点是简明、直观，特别是在水下声场 的简单声源情况和室内声场分析中 仍然是一种最简便有效的方法。这种方 法的局限性是只能用于声源十分简单的声场分布求解。如果求解析解，需 探头声场的数值计算方法 要进行近似求解，其精度不够高。作者使用的斜探头计算方法利用的是声 线法理论， 然后对其进行数值计算，能达到较高的 计算精度2 4 1 为了推导出数值计算的公式，建立如下所示的坐标系 ( 图5 -1 6 ) 0 图5 -1 6 横波斜探头计算坐标系 在介质 1 中有一点声源p辐射球面波， 其中一条射线以入射角a 传到 界面上 s点，并折射到介质 2中q点，同时考虑以a + a a角入射的射线 p s 奋， 路 径朋与了 彭 相交 于厂点， 当 a 趋 近于。 时， 称p 点 为 声 源p 相对于参考点q的像。由折射定律，得到 胡 二t a n /6 a s( 5 . 3 . 1 ) t a 们a 分别用a, a a，夕，胡 表示s s， 经过一系列整理，得到 二 t- ,6 . c o s fl 1( 5 . 3 .2 ) t a na c o s a 让射线”q 和p s 灯绕z 轴 旋转一周， 在 射线 近 似下， 通过由s t 和q q 旋转而形成的两过球带的能流相等， 因此折射球面波在5点和q点的振幅 之比等于球带面积之反比的平方根。由 此可得 a ( q ) - 一一一攀一一节 a ( s ) 0, + 1 z ) ( ! 2 + 1 z c o s , q 1 c o s 。 ) ( 5 . 3 .3 ) 北京交通大学硕士学位论文 因为在射线近似下a ( s ) o c t ( a ) a ( p ) 1 , ( 5 . 3 .4 ) 所以折射球面波在 q点的声场声压为 h( q ) k a ( p ) t ( a ) l 2 一 ，、寸 (!z + iz )(lz 十 12 c o sz /8 1 c o s z a ) e x p j k ,l , + k 2 1 2 + v ( a ) ( 5 . 3 . 5 ) 其中k 是与 声 源 有 关的 常 数， t ( a ) 和,p ( a ) 分 别 为 平面 波 在界 面 上透 射 系数和折射相位偏差。 相关论文提 供了 斜入 射声 压 透射 系数表达式 【2 3 , t ( a , 刀 ) = 4 p , p 2 t a n a t a n q ( p , t a n a + p 2 t a n 刀 ) 2 ( 5 . 3 .6 ) 其中 。 , j6 分 别 为 入 射 角 和 折 射 角 。 公 式 ( 5 .3 . 5 ) 中 t ( a ) 可用该 式 表 达。 5 . 3 . 2 斜探头声场数值计算 图5 -1 7为斜探头声源对场点p数值计算模型图。s o p为点声源s 对场点 p产生的声射线路径。 / 一 p. ( x , 毒 y 图5 一1 7 横波斜探头数值计算模型 图中b 为 平面晶 片 与 检测 平 面所 成夹角， l = s o o 为超声波 在斜楔中的 声程。( m , n ) 为点声源5 在斜探头坐标系中的横纵坐标。 探头声场的数值计算方法 为 了 计 算 方 便 ， 利 用 介tan /3tan a 可以将折射球面波在 q点的 cos a 声场声压计算公式变形为: h( q ) k a ( p ) t ( a ) 1 , = 1,扩 (1z 十 1a )(1, 十 12 c o s /3 / c o s t 。 ) e x p j k , 1 , + k 2 l l + (p ( a ) k a ( p ) t ( a , 刀 ) v , ， 、， ( t , + 一1 , a1 , v ,一 e x p j k , 1 , + k , 1 2 + rp ( a ) 1 2 c o s a / c o s 刀 ) ( 5 . 3 . 7 ) 图5 -1 8为由两条平行线s b和p 尸 确定的平面s o p 。如果求得了图 中参数a , 刀 1 1 , 1 1 2 ， 代入上面的公式就可以 算出p 点的声压。 s h 1 1 k a p b v 2 y p 图5 -1 8 平面s o p展开图 在图 中 ，已 知 参 量 为h 州 s b 1= l c o s o + n s i n 9 , y = 1 p p b p 1= 派丽不n c o s o + x ) 2 + m 2 。 通 过 折 射 定 律 ， 求 得 点 声 源 产 生 的 声 北京交通大学硕士学位论文 射 线 在斜 楔中的 声 程l , ， 入 射角a ， 在 弹性 介 质中 的 声 程1 2 ， 入 射角刀 。 计 算的思路是将b p 均分为有限的小线段，对每一个小线段看作一个入射点， 依据三角关系求得。 1 q l j _ ， ， 。 ， ， ， ，v . 判 m t 母 点p a得 田 i 分 一 v 2 s in 奥 1 值 是 否 满 足 设 定 的 精 s i n 夕 度， 如果不满足， 则继续细分日 p 线段， 直至求得满足精度的入射点。 根据 入 射点的 位置求得参 数a , 刀 1 1 , 1 1 2 ， 代入声场公 式， 即 可 求得点 声源s对场 点 p的声压贡献。 上述计算得到的是点声源对场点的声压值，如果对探头晶片所有点声 源的贡献求和，可以 得到场点尸的声压值大小。求和的方式与直探头平面 晶片所述类似，即分为实部和虚部将声源中所有点的贡献相加，利用两部 分总和求得总的复声压的模即声压值的大小， 待场中所有点的值都得到后， 在将每点计算得到的值与场中最大值进行比较，得到声压值的相对大小。 利用色标中对应颜色渲染该点， 得到整个声场的形貌。 不同形状晶片的斜探头声场在数值计算过程中有不同的处理方法，主 要思路仍然是划分成许多小面源，然后求取各个小面源贡献之和。所以对 斜探头晶片的分割方法与直探头处理的方法类似，可参考前面几节中对直 探头晶片的处理方法。 主要程序算法代码如下: f o r ( j = o ;j w;j 十 +) f o r ( i= o ;i d ; i+ + ) i l 循环计算声场中各点声压值 f o r ( m = o ; m 0 ) u 计算出 的 参 量d , x le n g t h 分 别对 应图s - 1 8 中 参数h , 旧 p i in c id e n c e a n g le ( x le n g t h ,d , ( j+ s t a r t y ) r e s _ 1 ,v 1 2 ,s in a ,s in b ) ; 11 利用函数! n c id e n c e a n g le o 寻找满足折射定律的点， 求得入射角和出射角的正弦值 c o s a = s g rt ( 1 - s i n a s in a ) ; t a n a = s i n a / c o s a ; c o s b = s g rt ( 1 - s in b s i n b ) ; t a n b = s i n b / c o s b ; 11 利用三角关系求得入射角和出 射角的余匆正切值 v a l u e = a n g le p r o b e .p 1 t a n a ; v a lu e a d d = a n g le p r o b e .p 2 t a n b ; v a l u e m u l = v a l u e v a lu e a d d ; v a l u e a d d = v a l u