背景

聚焦波的能力為許多領(lǐng)域提供了有趣的可能性，通信、超聲、無損檢測(cè) (NDT)、醫(yī)學(xué)和音頻。例如，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，聚焦超聲可用于治療腎結(jié)石或靶向腦腫瘤的碎石手術(shù)。同樣在 NDT 中，TR 過程已被用于幫助定位和表征固體材料中的缺陷。此外，它還可用于為用于無損評(píng)估的非接觸源創(chuàng)建高振幅超聲波聚焦。

圖 1 顯示了帶有八個(gè)喇叭揚(yáng)聲器和一個(gè)位于混響室內(nèi)的麥克風(fēng)的實(shí)驗(yàn)裝置。

虹科

解決方案

聚焦波的一種方法是時(shí)間反轉(zhuǎn) (TR) 信號(hào)處理。該技術(shù)可用于使用遠(yuǎn)程放置的信號(hào)源進(jìn)行有意的波聚焦。美國楊百翰大學(xué)物理與天文學(xué)系聲學(xué)研究小組正在進(jìn)行一項(xiàng)研究，即使用 TR 技術(shù)聚焦房間內(nèi)的高振幅聲音。目的是創(chuàng)建一個(gè)具有足夠強(qiáng)度的虛擬球面波源，以便研究非線性聲學(xué)傳播。

TR 信號(hào)處理方法使用前向和后向步驟聚焦來自遠(yuǎn)程源的聲波。在前向步驟中，獲得源和接收器的脈沖響應(yīng)（或頻域中的傳遞函數(shù)）。然后脈沖響應(yīng)會(huì)及時(shí)反轉(zhuǎn)，可以應(yīng)用額外的處理。在后退步驟中，從源廣播反向脈沖響應(yīng)，并在接收器位置實(shí)現(xiàn)聲音聚焦。

在楊百翰大學(xué)，一個(gè)高振幅的聲音焦點(diǎn)是在混響室中產(chǎn)生的。TR 將波聚焦到選定位置，從各個(gè)方向會(huì)聚以產(chǎn)生焦點(diǎn)，然后從該位置發(fā)散。因此，TR 聚焦后波的發(fā)散可被視為虛擬源。

為了實(shí)現(xiàn)高焦振幅，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置由八個(gè) BMS 4590 同軸壓縮驅(qū)動(dòng)器組成，驅(qū)動(dòng)器上裝有喇叭。一個(gè)帶有 26AC GRAS 前置放大器的 0.3175 厘米（1/8 英寸）375 40DP GRAS 自由場(chǎng)麥克風(fēng)用于測(cè)量。該麥克風(fēng)的指定動(dòng)態(tài)范圍上限為 175 dB（178 dB 峰值或 15.9 kPa），精度為 ±1 dB。12AA GRAS 麥克風(fēng)電源用于為麥克風(fēng)供電。

圖2：虹科 M2i.6022-exp，輸出速率 20 MS/s -125 MS/s。

用于實(shí)驗(yàn)的信號(hào)在 MATLAB 中創(chuàng)建，并通過兩個(gè) 4 通道虹科 M2i.6022-exp 任意波形發(fā)生器 (AWG) 卡輸出。虹科板卡的輸出由兩個(gè) 4 通道 Crown CT4150 放大器放大，然后通過接線板通過 Speakon 電纜路由到混響室，然后到喇叭驅(qū)動(dòng)器。

來自麥克風(fēng)和 GRAS 前置放大器的信號(hào)采集是使用一個(gè) 4 通道虹科 M2i.4931-exp 數(shù)字化儀完成的。使用 50 kHz 的采樣頻率，數(shù)字化儀具有 16 位精度。

楊百翰大學(xué)副教授 Brian Anderson 指出：“我研究了多種不同類型的生成卡和采集卡，并確定 虹科Spectrum 為我們感興趣的超聲波頻率范圍提供了最具成本效益的解決方案。多通道、同步生成和采集以及高采樣率的特點(diǎn)，是我們開發(fā)超聲波無損評(píng)估技術(shù)的理想選擇。我們還使用這些板卡對(duì)場(chǎng)景內(nèi)的聲音進(jìn)行非線性聲學(xué)測(cè)量，在這些場(chǎng)景中，高采樣頻率使我們能夠表征我們遇到的陡峭波形。”

圖 1 顯示了高振幅聚焦實(shí)驗(yàn)設(shè)置的全景照片。

結(jié)論

該大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，要產(chǎn)生最高振幅的聲音焦點(diǎn)，最好的脈沖響應(yīng)修正方法是通過使用一種稱為削波法的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。通過在混響室中由虹科AWG 驅(qū)動(dòng)的八個(gè)揚(yáng)聲器源，實(shí)現(xiàn)了 9.05 kPa（173.1 dB 峰值）的最佳限幅閾值。

圖 3顯示了使用不同輸入幅度時(shí) TR 聚焦的非線性特性的結(jié)果

在較低振幅下進(jìn)行并適當(dāng)縮放至最高振幅結(jié)果的實(shí)驗(yàn)提供了在這些高振幅下 TR 聚焦是非線性過程的證據(jù)。圖 3 顯示了一些結(jié)果，其中 3a)：繪制了具有四個(gè)不同輸入幅度的整個(gè)焦點(diǎn)信號(hào)的縮放聲壓級(jí)頻譜，3b)：頻譜差異（減去 1 級(jí)頻譜），3c)：每個(gè)焦點(diǎn)信號(hào)之前的部分頻譜聚焦時(shí)間，從時(shí)間0到 10.4 s ；3d)：從 1 級(jí)光譜中減去相同的光譜部分。

結(jié)果表明，壓縮幅度隨著聚焦幅度的增加而非線性增加，而稀疏幅度隨著聚焦幅度的增加而非線性減小。線性縮放的聚焦信號(hào)的頻譜中低頻能量的減少和高頻能量的增加，以及在聚焦之前觀察到的線性縮放，表明觀察到的失真是由于依賴于振幅的波陡化效應(yīng)。

虹科

測(cè)試測(cè)量事業(yè)部

虹科是在各細(xì)分專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的資源整合及技術(shù)服務(wù)落地供應(yīng)商。在測(cè)試測(cè)量行業(yè)經(jīng)驗(yàn)超過17年的高科技公司，虹科與世界知名的測(cè)量行業(yè)巨頭公司Marvin Test、Pickering Interface, Spectrum, Raditeq等公司合作多年，提供領(lǐng)域內(nèi)頂尖水平的基于PXI/PXIe/PCI/LXI平臺(tái)的多種功能模塊，以及自動(dòng)化測(cè)試軟件平臺(tái)和測(cè)試系統(tǒng)，通用臺(tái)式信號(hào)源設(shè)備，高速數(shù)字化儀，EMC和射頻測(cè)試方案等。事業(yè)部目前已經(jīng)提供覆蓋半導(dǎo)體、3C、汽車行業(yè)的超過25個(gè)大型和超大型自研系統(tǒng)項(xiàng)目。我們的解決方案已在汽車電子、半導(dǎo)體、通信、航空航天、軍工等多個(gè)行業(yè)得到驗(yàn)證。此外，我們積極參與半導(dǎo)體、汽車測(cè)試等行業(yè)協(xié)會(huì)的工作，為推廣先進(jìn)技術(shù)的普及做出了重要貢獻(xiàn)。至今，虹科已經(jīng)先后為全國用戶提供了100+不同的解決方案和項(xiàng)目，并且獲得了行業(yè)內(nèi)用戶極好口碑。