基于Matlab的超声场可视化研究及GUI仿真模拟

[摘 要]利用超声场理论及对其数学计算，对常用圆形活塞换能器的声轴线声压分布、轴向横截面的声压分布及声场指向性的理论计算进行推导得出数学函数表达式，再通过Matlab数学软件模拟仿真进行可视化研究，以换能器的各项参数对超声场各个特征量的影响作为研究对象。最后利用人机交互界面（GUI）设计一个用户界面，并在界面上完成输入参数与输出模拟仿真结果，有利于文章更加方便地观察到超声换能器的各参数对超声场分布的影响，更有利于直观地理解超声场理论，从而提高研究的效率。

[关键词]Matlab软件；超声波声场分布；声场可视化；人机交互界面（GUI）

[DOI]10.13939/ki.zgsc.2017.06.233

在超声波无损检测中，发射超声波的是超声探头，又称换能器，是一种电声转换器件，它是超声波检测中用来探测物体的探测头，是超声检测设备中的重要组成部分。超声换能器的声场关系到缺陷的定位定量以及检测精度和灵敏度，了解声场结构及分布特征对于提高检测可靠性、准确性以及提高检测效率都起着至关重要的作用。[1]由于声场是抽象的，看不见摸不着，而表达式和声场数据也是抽象的，虽然能够概括声场的特性，但是τ谘芯糠治錾场来说，它们不利于人们对声场较好地理解。因此，将声场计算结果可视化，让不可见的声场变为可见的图形图像，然后结合探伤过程，选取合适的参数进行探头制造，这样可以大大提高检测质量、减少试制探头的不合格率，节省了检测成本和探头的制造成本。因此，将可视化技术应用于无损检测和超声波声场的模拟中有着重要的意义。

1 圆形活塞换能器的声场理论计算

设一圆形活塞换能器，在固体钢表面垂直入射。换能器表面上的每一个点可视为单一点源[2-3]，若声源发射的声波为连续的简谐波，在无衰减情况下，声轴线上的声压分布为：

2 Matlab声场仿真结果及讨论

根据圆形活塞声场理论，使用Matlab数学软件对换能器轴线上声压的分布进行仿真与可视化处理。图1为频率f=1MHz，直径D=40mm圆形换能器的声场分布。由图1（a）可看出，在近场区域内（即rN时，声轴线上的声压随距离r单调递减，不会再出现起伏波动的情况。当r≥3N时，由图观察可知，P∝1/r，与球面波的距离-振幅关系相似。于是在远场区，可将换能器近似看作点波源，并激发出球面波。从图1（b）中可发现，轴线附近声场衰减缓慢，轴线上的声压值最大，远离轴线则呈现出振荡衰减趋势，从而得出结论：声场能量大部分集中在轴线以及轴线的周围。

以辐射频率和换能器尺寸为自变量研究换能器辐射声场的指向性，如图2所示。从仿真结果可看出，辐射频率不变，随着换能器尺寸的增大，指向性越好；换能器尺寸不变，随着辐射频率提高，指向性越好。

图3给出了脉冲声场轴线上的声压分布，从图中可看出虽然在近场范围内脉冲波也存在着与连续波相似的波动，但波动幅度相对小很多，而且极大值远小于连续波声场声轴线的极大值，极小值远大于连续波声场声轴线的极小值。换能器的频带越宽，声轴线上声压幅值的波动就越小，反之越大。

3 基于超声场理论及模型的GUI界面开发

为了更有效方便地分析研究，可以利用人机交互界面的形式输出仿真结果。[5]在界面上输入相应的参数后，通过给计算机命令，即可将模型仿真的结果输出并在界面呈现。在本设计的GUI界面上，实现的功能为：控制三组控件，分别为换能器参数、工件参数及计算方式（可视图片、可视动态图），从而输出四个结果，分别为活塞换能器的近场长度、三幅可视化的仿真图片。设计结果如图4所示。