一种精确测量聚焦超声换能器横向分辨率的方法技术

本发明专利技术提供一种精确测量聚焦超声换能器横向分辨率的方法，属于超声检测技术领域。该方法首先将不锈钢材料加工成立方体试块，试块棱边锐利无倒角；然后用待测聚焦超声换能器对试块棱边进行高精度C扫成像；再随机选择C扫图像中垂直于试块棱边的10条灰度值曲线V(x)，对其平均后采用均值滤波方法对灰度值曲线进行平滑处理；对平滑后的灰度值曲线进行求导运算，得到灰度值变化率曲线

A method for accurate measurement of lateral resolution of focused ultrasound transducer

The invention provides a method for accurately measuring the transverse resolution of a focused ultrasonic transducer, which belongs to the technical field of ultrasonic detection. Firstly, the stainless steel material is processed into a cube block, and the edges of the block are sharp without chamfering; then, the high-precision C-scan image of the edges of the block is processed by the focused ultrasound transducer to be measured; then, 10 gray value curves V(x) perpendicular to the edges of the block are randomly selected in the C-scan image, and then the gray value is averaged by means of filtering. The curve is smoothed, and the gray value curve after smoothing is derived to obtain the gray value change rate curve.

【技术实现步骤摘要】
一种精确测量聚焦超声换能器横向分辨率的方法
本专利技术涉及超声检测
，特别是指一种精确测量聚焦超声换能器横向分辨率的方法。
技术介绍
聚焦超声换能器的横向分辨率是影响超声显微镜检测精度以及成像质量的重要参数之一，决定着C扫成像的清晰度。聚焦超声换能器的横向分辨率与换能器的数值孔径和声波波长有关，通过改善换能器发出的声波在待测材料中的汇聚程度可有效提高聚焦超声换能器的横向分辨率。目前，确定聚焦超声换能器横向分辨率的方法大致分为以下三种：1)根据瑞利准则，采用公式ω＝0.51λN.A.计算聚焦超声换能器的横向分辨率；2)根据聚焦换能器发出的声波在焦平面处的径向声压分布，采用-6dB下降法计算其横向分辨率；3)根据标准光栅在C扫图像中的可分辨程度判断聚焦超声换能器的横向分辨率。尽管上述三种方法在不同场合下均有使用，但或多或少都存在一定的不足。根据瑞利准则计算出的横向分辨率仅适用于单一频率或近似为单一频率的球形聚焦换能器，对于频带范围较宽的宽频聚焦换能器，计算结果误差较大。根据径向声压分布计算聚焦超声换能器横的向分辨率时，需要通过实验或理论公式准确得到换能器焦平面的径向声压分布。若通过实验测量聚焦超声换能器焦平面的径向声压分布，其测量结果难免会受到接收装置的影响，而根据理论公式计算聚焦超声换能器焦平面的径向声压分布又必须考虑实际换能器的频谱特性，因此整个测量过程较为复杂。若根据标准光栅图案在C扫图像中的清晰度判断聚焦超声换能器的横向分辨率，需要在试块上制备一系列间距不同的光栅条纹，此方法不仅对试块的加工精度有较高要求，而且成像清晰度不可避免地会受到轴向分辨率的影响。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种精确测量聚焦超声换能器横向分辨率的方法，通过相对简单的C扫成像实验并结合图像处理方法，准确测量聚焦超声换能器的横向分辨率。该方法具体的是通过加工一个具有锐利棱边的立方体试块，对试块棱边进行高精度C扫成像，根据C扫图像中垂直于试块棱边方向灰度值的变化率，采用-6dB下降法测量聚焦超声换能器的横向分辨率。该方法包括如下步骤：(1)将不锈钢材料加工成立方体试块；(2)用待测聚焦超声换能器对步骤(1)所制得的立方体试块棱边进行高精度C扫成像；(3)随机选择步骤(2)中C扫图像中垂直于试块棱边的10条灰度值曲线V(x)，对其平均后采用均值滤波方法对灰度值曲线进行平滑处理，变量x表示灰度值曲线平行于x轴方向；(4)对步骤(3)中平滑后的灰度值曲线进行求导运算，得到灰度值变化率曲线(5)对步骤(4)中的灰度值变化率曲线采用-6dB下降法计算，得到聚焦超声换能器的横向分辨率。其中，步骤(1)中的立方体试块采用线切割的方式加工而成，立方体试块棱边锐利无倒角。步骤(1)中立方体试块边长为20mm×20mm。步骤(2)中高精度C扫成像的扫描步长l与声波波长λ的关系为：l≤λ/100，扫描面积为1mm×1mm。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：该方法具有标样制备简单，测量结果精确，适用范围广等特点，可作为聚焦超声换能器横向分辨率测量的标准方法。附图说明图1为本专利技术的精确测量聚焦超声换能器横向分辨率的方法测量聚焦超声换能器横向分辨率的原理图的侧视图；图2为本专利技术测量聚焦超声换能器横向分辨率的原理图的俯视图；图3为本专利技术实施例中10MHz聚焦超声换能器的测试结果；图4为本专利技术实施例中30MHz聚焦超声换能器的测试结果；图5为本专利技术实施例中50MHz聚焦超声换能器的测试结果；图6为本专利技术实施例中100MHz聚焦超声换能器的测试结果；图7为本专利技术实施例中聚焦超声换能器频谱特性，其中，(a)10MHz，(b)30MHz，(c)50MHz，(d)100MHz；图8为本专利技术实施例中20#钢内部缺陷C扫图像对比结果，其中，(a)30MHz，(b)50MHz。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本专利技术提供一种精确测量聚焦超声换能器横向分辨率的方法。该方法步骤如下：(1)将不锈钢材料加工成立方体试块；(2)用待测聚焦超声换能器对步骤(1)所制得的立方体试块棱边进行高精度C扫成像；(3)随机选择步骤(2)中C扫图像中垂直于试块棱边的10条灰度值曲线V(x)，对其平均后采用均值滤波方法对灰度值曲线进行平滑处理；(4)对步骤(3)中平滑后的灰度值曲线进行求导运算，得到灰度值变化率曲线(5)对步骤(4)中的灰度值变化率曲线采用-6dB下降法计算，得到聚焦超声换能器的横向分辨率。其中，步骤(1)中的立方体试块采用线切割的方式加工而成，立方体试块棱边锐利无倒角。步骤(1)中立方体试块边长为20mm×20mm。步骤(2)中高精度C扫成像的扫描步长l与声波波长λ的关系为：l≤λ/100，扫描面积为1mm×1mm。在具体实施过程中，结合附图(参见图1-图8)，以标称中心频率分别为10MHz、30MHz、50MHz和100MHz的聚焦超声换能器为例，对本专利技术的设计方案进行详细说明，但不作为本专利技术的限定。图1和图2给出了测量聚焦超声换能器横向分辨率的基本原理。根据图1(侧视图)和图2(俯视图)可知，在保证试块棱边锐利且无倒角的条件下，当聚焦超声换能器的焦斑逐渐由完全处于试块表面的左侧区域扫描至完全处于水中的右侧区域时，由反射回波引起的电压信号幅值V的变化将严格取决于在试块表面发生镜面反射的入射声波的声压变化，因此C扫图像中垂直于试块棱边(假设平行于x轴方向)的灰度值变化V(x)将间接反映聚焦超声换能器的径向声压分布变化。通过计算C扫图像中垂直于试样棱边的灰度值变化率采用-6dB下降法测量聚焦超声换能器的横向分辨率。下面将具体给出测量聚焦超声换能器横向分辨率的方法步骤：1.以304不锈钢作为实验材料，采用线切割的方式将其加工成边长为20mm×20mm的立方体试块，然后在铣床上将试块上表面和侧面加工光滑且保证试块棱边锐利无倒角；2.将试块浸没在水槽中，调整扫查机构的高度，使聚集超声换能器准确聚焦于试块上表面，采用2μm的步进精度对试块的锐利棱边进行C扫成像，成像面积为1mm×1mm，成像结果分别如图3至图6中左侧的C扫图像所示；3.从C扫图像中随机选择垂直于试块棱边的10条灰度值曲线V(x)，对其平均后采用均值滤波方法对灰度值曲线进行平滑处理，滤波器的长度为20，滤波后的光滑曲线分别如图3至图6中中间的灰度值曲线所示；4.对平滑后的灰度值曲线进行求导运算，得到灰度值的变化率曲线分别如图3至图6中右侧的灰度值变化率曲线所示；5.对灰度值变化率曲线采用-6dB下降法测量得到聚焦超声换能器的横向分辨率。对于上述四个聚焦超声换能器，其横向分辨率依次为316μm、98μm、150μm和104μm。为了证明该测量方法的有效性，将测量结果与采用锐利准则公式ω＝0.51λN.A.计算出的理论结果进行对比，结果如表1所示。锐利准则公式中λ为水中的声波波长，N.A.＝D/2F代表数值孔径。表1中的2～4列为聚焦超声换能器的几何参数。表1显示，对于标称频率为10MHz和30MHz的聚焦超声换能器，其横向分辨率的理论计算结果与实验测试结果较为接近，相对偏差分别为3.36％和9.26％，而对于标称频率为50MHz和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种精确测量聚焦超声换能器横向分辨率的方法，其特征在于：包括步骤如下：(1)将不锈钢材料加工成立方体试块；(2)用待测聚焦超声换能器对步骤(1)所制得的立方体试块棱边进行高精度C扫成像；(3)随机选择步骤(2)中C扫图像中垂直于试块棱边的10条灰度值曲线V(x)，对其平均后采用均值滤波方法对灰度值曲线进行平滑处理；(4)对步骤(3)中平滑后的灰度值曲线进行求导运算，得到灰度值变化率曲线

【技术特征摘要】
1.一种精确测量聚焦超声换能器横向分辨率的方法，其特征在于：包括步骤如下：(1)将不锈钢材料加工成立方体试块；(2)用待测聚焦超声换能器对步骤(1)所制得的立方体试块棱边进行高精度C扫成像；(3)随机选择步骤(2)中C扫图像中垂直于试块棱边的10条灰度值曲线V(x)，对其平均后采用均值滤波方法对灰度值曲线进行平滑处理；(4)对步骤(3)中平滑后的灰度值曲线进行求导运算，得到灰度值变化率曲线(5)对步骤(4)中的灰度值变化率曲线采用-6dB下降法计算，得到聚焦超声换能器的横...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖会芳，陈丹，安元卜，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11