專利名稱：超聲散斑水下穩態振動測量方法和測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于振動測量技術，具體涉及應用超聲散斑對水下穩態振動物體的振動頻率、振幅和相位進行測量的方法和裝置。
背景技術：
水下振動測量在工程建設中有著特別的需求，例如需要對橋墩、船塢、潛艇等水下結構在穩態激勵下振動頻率和振幅進行不定時檢測或實時在線監控；此外，水下振動測量在科學研究中同樣有需求，例如，在結構設計中需對水下模型進行實驗振動模態分析，這就要求對受迫穩態振動模型中各結點或關鍵處的振動頻率、振幅和相位進行測量。傳統的振動測量技術有使用應變計、電容傳感器、壓電傳感器、光纖傳感器和渦流傳感器等多種方法。其中應變計由于簡單精確而最早應用于振動測試中，它可用于振動頻 率和相位的測量，但它局限于單點式的接觸式測量，且不能有效地測量振動物體的振幅；電容式傳感器也可用于振動測量，它具有測量范圍大、結構簡單、成本低，靈敏性高等優點，但它易受寄生電容的干擾，輸出特性為非線性，特別是難以在水下應用；新型的壓電式傳感器精度高、動態范圍大、頻率響應寬，但它同樣只適用于單點式的接觸式測量；而近年來發展起來的光纖傳感器系統，通過光纖耦合器和單模光纖構造干涉光路，根據反射物面振動所形成激光干涉狀態的變化，來進行振幅、頻率，速度等的測量，但它的測量受水的擾動影響比較大，水中工作不穩定，且難以對粗糙物面進行測量；渦流傳感器可用于水下振動的測量，但由于它的非線性以及傳感面端面比較大而存在缺陷，且它只能對金屬物面的振動進行測量；目前，工程中的振動測量應用最多的激光三角法技術，它的優點是非接觸測量，且量程大和分辨率高，但由于其線陣(XD(Charge Coupled Device)像元的光電響應不均勻性和非線性，以及精確度易受被測界面的傾斜和水的擾動影響，它難以對水下振動物進行測量，特別是它無法對粗糙振動物面進行測量。本發明的超聲散斑水下振動測量方法和裝置，可以克服上述各種測量方法所存在的困難，對水下物穩態振動的頻率、振幅和相位實施高精度、非接觸、掃描式的實時測量，且受物體材質和表面粗糙度、水流和溫度變化的影響很少。
發明內容
本發明的目的在于提供一種超聲散斑水下穩態振動測量方法和測量裝置，本發明適合于對水下粗糙物體穩態振動的頻率、振幅和相位進行實時、穩定、非接觸、全場掃描式測量。本發明提供的一種超聲散斑水下穩態振動測量方法，其特征在于，該方法包括下述步驟第I步向水下待測振動物體表面重復發射聚焦于當前測點上的超聲脈沖串；第2步根據接收到的待測振動物體的物面散斑信號的穩定情況，確定物體振動頻率;
第3步進一步對發射的聚焦超聲脈沖串進行延時處理，根據同步接收散斑信號所花費的最短和最長時間之差，確定振動物表面當前測點的振幅；第4步按照水下待測振動物體的振動頻率，向其表面當前測點重復發射聚焦超聲脈沖串，并進行延時處理，直到同步接收散斑信號花費時間最短；再將超聲探頭聚焦于水下待測振動物體表面當前測點的相鄰測點，也對相鄰測點重復發射聚焦超聲脈沖串進行延時處理，使同步接收散斑信號花費時間最短；根據二個測點進行延時處理時的延時量之差確定相鄰測點相對當前測點的相位差，即相鄰測點的相位；第5步以該相鄰測點作為當前測點；
第6步不斷重復第3至第5步，依次確定水下振動物表面不同測點的相位和振幅。本發明提供的一種超聲散斑水下穩態振動測量裝置，其特征在于，該裝置包括脈沖信號發生器，延時器，功率放大器，超聲聚焦探頭，電壓放大器，數字存儲示波器，微機和三維電控平移臺；脈沖信號發生器依次通過延時器、功率放大器與超聲聚焦探頭的接口用電纜相連接；超聲聚焦探頭的接口又依次通過電壓放大器、數字存儲示波器與微機實施散斑信號數據傳輸連接；脈沖信號發生器又分別與微機和數字存儲示波器實施控制連接；超聲聚焦探頭連接在三維電控平移臺上，再與微機實施平移控制連接。應用本發明的方法和裝置對水下振動物體進行測量時，要求被測物體位于水下30米以內，被測物表面各點曲率小于1，被測物面上水流速度小于I米/秒，水溫低于60攝氏度，水流無氣泡。應用本發明的方法和裝置對水下振動物體進行測量時連續工作時間不限，頻率測量的量程可以達到0.5赫茲至2000赫茲，測量誤差可以達到±0.01赫茲；振幅測量的量程可以達到0. I毫米至10毫米，測量誤差可以達到±0. 02毫米；相位測量的量程可以達到到-720度至720度，測量誤差可以達到±0. 01度。
圖I是超聲聚焦探頭發射和接收超聲波的形式；圖2是激勵超聲探頭的電脈沖重復頻率與示波器顯示屏內的電子水平偏轉掃描頻率不同步時顯示屏上顯示的散斑信號；圖3是激勵超聲探頭的電脈沖重復頻率與示波器顯示屏內的電子水平偏轉掃描頻率同步時顯示屏上顯示的散斑信號；圖4是本發明測量水下物體穩態振動頻率時用以判斷所顯示的散斑信號是否穩定和測定頻率的軟件流程圖；圖5是振動物面運動至正向位移最大時穩定顯示在示波器顯示屏時間軸上極左側位置上的散斑信號；圖6是振動物面運動至反向位移最大時穩定顯示在示波器顯示屏時間軸上極右側位置上的散斑信號；圖7是本發明測量水下物體穩態振動振幅時操控散斑信號在示波器顯示屏時間軸上極左側和極右側的位置間的變化和計算振幅的軟件流程圖；圖8是本發明測量水下物體穩態振動相位時過程操控和計算的軟件流程圖；圖9是本發明的超聲散斑水下穩態振動測量裝置示意圖。
具體實施例方式本發明的超聲散斑水下穩態振動測量方法的基本思想和原理是當超聲入射到介質粗糙界面時，其散射波會在介質空間中相互干涉，形成振幅和相位隨機分布的散斑場。在大多數工程檢測和醫學成像技術中，超聲散斑被視為噪聲而被避免和抑制，但超聲散斑跟隨散射界面作有規律運動的狀態包含了散射界面的位移和變形的信息。此外，超聲及其散斑有很多獨特的優點，諸如超聲不僅可在空氣中傳播，還能在水中和固體內部傳播；水的一般擾動和溫度變化對超聲傳播和散斑影響很小；超聲具有穿透性，超聲散斑可由超聲聚焦探頭遠距離發射超聲至粗糙物面上產生，也可同時由同一探頭非接觸地接收；在水中一般的超聲波長在亞毫米和厘米之間，這與一般工程結構變形的量級相吻合；以上這些為本發明的超聲散斑水下穩態振動測量方法的建立奠定了物理基礎。超聲聚焦探頭發射和接收超聲波的形式如圖I所示。在以某一重復頻率發生的電脈沖激勵下，超聲探頭產生出一系列的超聲脈沖串，它們傳播至水下粗糙物體表面上后，散射波所產生的超聲散斑被同一超聲聚焦探頭所接收。水下物體振動時，各處超聲散斑也對 應粗糙物體表面上各點作相應的往復運動。超聲波在聚焦范圍內形成有一定直徑和長度的焦柱，當超聲探頭聚焦于振動物面上，在焦柱范圍內運動的超聲散斑被聚焦超聲探頭接收后直接轉換為電信號，經放大后可在示波器上顯示。如果激勵超聲探頭的電脈沖重復頻率不等于物面振動頻率的1/n (n=l，2，3……)，這時顯示屏上顯示的散斑信號是混亂不清的，如圖2所示；反之，散斑信號可以穩定顯示在顯示屏時間軸上的某個位置上，如圖3所示。這就是應用本發明測量水下物體穩態振動頻率方法的原理。如果激勵超聲探頭的電脈沖重復頻率與物體振動頻率不僅相同，而且當振動物面運動至正向位移最大時超聲探頭正好被電脈沖所觸發，這時超聲聚焦探頭從發射超聲脈沖串至接收被測物面上散斑信號期間所花費的時間為最短，對應的是數字存儲示波器所同步記錄的測點上的超聲散斑信號駐留在顯示屏時間軸上極左側位置上，如圖5所示，這可通過恰當延時電脈沖對聚焦探頭的觸發時刻來加以實現；同樣情況下，當振動物面運動至反向位移最大時超聲探頭正好被電脈沖所觸發，這時超聲聚焦探頭從發射超聲脈沖串至接收被測物面上散斑信號期間所花費的時間為最長，對應的是數字存儲示波器所同步記錄的測點上的超聲散斑信號駐留在顯示屏時間軸上極右側位置上，如圖6所示。以上同樣可通過延時電脈沖對聚焦探頭的觸發時刻來加以實現，并根據上述兩種情況下接收散斑信號分別所花費的最短和最長時間之差，也就是使散斑信號分別穩定在示波器顯示屏時間軸上極左側和極右側位置上時所調節的電脈沖延時的時間差，再根據超聲波在水中傳播的速度，微機就可計算出振動物體測點上的振幅值。超聲聚焦探頭從發射超聲脈沖串至接收被測物面上散斑信號期間所花費的最短和最長時間的確定，亦即對應的數字存儲示波器所同步記錄的測點上的超聲散斑信號駐留在顯示屏時間軸上極左側位置和極右側位置的確定，以及振幅計算由圖7所示流程圖的計算機軟件來完成。當振動物面當前測點上的散斑信號被聚焦探頭接收后穩定駐留在顯示屏時間軸上的極左位置上時，將仍處于工作狀態下的聚焦探頭平移并聚焦于鄰近的相鄰測點上，如果該兩個測點振動的相位差等于零，也即相鄰測點上的散斑信號也是測點振動至正向最大位移時被探頭所接收，這時，該散斑信號也將駐留在顯示屏時間軸上的極左側位置上。由于兩個測點相互鄰近，它們之間相位差不會是2 。當然，一般情況下當前測點和相鄰測點的振幅是不相同的，它們對應在顯示屏上的極左側的位置也不相同。如果當前測點和相鄰測點振動的相位差不等于零，也即相鄰測點上的散斑信號不是運動至正向最大位移時被探頭所接收，這時所接收到的散斑信號將不駐留在顯示屏時間軸上的極左側位置上，也就是不在相鄰測點振動至正向最 大位移時所對應的顯示屏位置上，這時調節延時激勵超聲探頭電脈沖的觸發時刻，駐留在顯示屏上的散斑信號就會左右來回移動。逐漸將此散斑信號移至顯示屏時間軸上的最左位置上，根據電脈沖觸發時刻的延時量和振動頻率，可計算出相鄰測點相對于鄰近的當前測點振動相位的落后量。以上相位測量過程和計算由圖8所示流程圖的計算機軟件來完成。總之，本發明實例提供的的超聲散斑水下穩態振動測量方法包括以下步驟第I步向水下待測振動物體表面重復發射聚焦于測點上的超聲脈沖串；第2步對接收到的待測振動物體的物面散斑信號進行處理，根據信號穩定情況，確定物體振動頻率。顯示的散斑信號是否穩定以及物體振動頻率測定由計算機軟件來加以判斷和完成，所設計的軟件流程如圖4所示，其處理過程如下(2. I)設置某一個觸發超聲聚焦探頭的電脈沖的重復頻率F，F應低于物體振動的估計頻率；若無法估計物體振動頻率，則F值取一個小于等于0. 5赫茲的值；(2. 2)依次對超聲聚焦探頭連續同步重復接收的N1個散斑信號進行采樣，其采樣周期為TS，TS根據誤差要求確定，Ts取值范圍為0. 005微秒至0. I微秒％為大于等于5的正整數，本實例取N1=5 ；(2.3)分別計算這些散斑信號波形的平方值在時間域上的重心位置Gi,下標i表不散斑信號的序號，i = I,；(2. 4)判斷上述散斑信號中的任意2個重心位置之差的最大值max I Gni-GnI (m=l, 2，——N1In=I, 2,. . . N1Iiii^ n)是否小于N2倍的采樣周期Ts,若是,表示信號駐留穩定,貝U進入下一過程(2.5);若否，表示信號不穩定，則進入過程(2.7);下標m，n表示重心位置的序號，N2為正整數，它的取值范圍為5至20，本實例N2=IO ；(2. 5)記錄該重復頻率F值為匕，同時進入過程(2. 6);下標j表示信號穩定時所取重復頻率的序號，其初始值為I ;(2.6)步進增加重復頻率F值，根據誤差要求來取步長ZlF的值，再次進入過程(2. 2) 的取值范圍為0. 01赫茲至0. I赫茲；(2. 7)步進增加重復頻率F值，根據誤差要求來取步長ZjF的值，此后將進入過程(2. 8) 的取值范圍為0. 01赫茲至0. I赫茲；(2. 8)判斷所遞增后的頻率值是否大于F±R，若是，進入步驟(2. 9);若否，則進入過程(2. 2);值!^_為預先設置物體振動頻率的最大估計值；F±R的取值可根據水下結構的形式和材料來確定，其范圍為10赫茲至2000赫茲。在分別經過過程(2. 6)和(2. 8)后，再次進入過程(2. 2)、(2. 3)、(2. 4)，以及(2. 5)或(2. 7)，在不斷重復中從小到大取得一系列的Fj值后進入過程(2. 9);(2. 9)不斷地取Fj的最大值并輸出，直至遞增后的重復頻率值F大于F±R而軟件運作停止，則匕的最大值即物體振動頻率值。第3步進一步對發射的聚焦超聲脈沖串進行延時處理，根據同步接收散斑信號所花費的最短和最長時間之差，確定振動物表面測點的振幅；如圖7所示，所使用的軟件處理過程如下(3. I)增加延時器的觸發延時t，T = k A T ； A x為延時步長,其大小由測量誤差要求確定，它的取值范圍為0. 005微秒至0. I微秒；k為逐步增加的延時次數，k為連續正整數，它的初始值k = I ；(3. 2)將延時后的散斑信號波形進行平方運算，并計算它在時間域上的重心值Gk， 其上標k表示延時后波形的序號，它與步驟(3. I)中的延時次數k值一致，Gk將隨著延時次數k的增加而變化；(3. 3)令k = k+1,重復步驟(3. I)和(3. 2);不斷增加k值，重復步驟(3. I)和(3. 2)，直到確定Gk取得最小值，然后進入步驟(3.4);(3.4)記錄Gk為最小值時的波形序號k值，k = K1;(3. 5)再增加延時器的觸發延時T，T=kAT;AT仍為延時步長，k仍為逐步增加的延時次數，k為連續正整數，它的初始值k = 1+1 ；(3. 6)將延時后的散斑信號波形進行平方運算，計算它在時間域上的重心值Gk，Gk將隨著延時次數k的增加而變大；(3.7)$k = k+l，重復步驟(3. 5)和(3. 6);不斷增加k值，重復步驟(3. 5)和
(3.6)，直到確定Gk取得最大值，然后進入步驟(3.8);(3.8)記錄Gk為最大值時的波形序號k值，k = K2;(3. 9)根據KjPK2值，可計算測點振幅A，A=V* (K2-K1) A x，V是超聲在水中的傳
播速度。第4步按照水下待測振動物體的振動頻率，向其表面當前測點發射聚焦超聲脈沖串，并進行延時處理，使同步接收散斑信號花費時間最短；再將超聲探頭聚焦于水下待測振動物體表面相鄰測點，也對其重復發射聚焦超聲脈沖串進行延時處理，使同步接收散斑信號花費時間最短。根據當前測點和相鄰測點進行延時處理時的延時量之差可確定相鄰測點相對當前測點的相位差，也就是相鄰測點的相位。如圖8所示，所使用的軟件處理過程如下(4. I)將超聲聚焦探頭聚焦于作為基準的水下待測物體表面當前測點上；調節觸發脈沖重復頻率，使之與物體振動頻率相同，其過程與圖4的物體振動頻率確定軟件所示一致，在此基礎上，進入過程(4. 2)；(4. 2)增加延時器的觸發延時t，T = k A T ； A x為延時步長,其大小由測量誤差要求確定，它的取值范圍為0. 005微秒至0. I微秒；k為逐步增加的延時次數，k為連續正整數，它的初始值k = I ；(4. 3)將延時后的散斑信號波形進行平方運算，并計算它在時間域上的重心值Gf, Gf中的上標k表示延時后波形的序號，它與延時次數k值一致Of中的下標I表示當前測點。Gf將隨著延時次數k的增加而變化；(4. 4)逐步增加k值，判斷Gf是否為最小值，若否，則重新進入到過程(4. 2);若是，進入過程(4. 5)；(4. 5)記錄Gf為最小值時的k值，k = kj(4. 6)平移超聲探頭，使之聚焦于與當前測點相鄰近的相鄰測點上；
(4. 7)逐步增加延時器的觸發延時T，延時步長為A T，將延時后的散斑波形進行平方運算，并計算它在時間域上的重心值GhGf中的下標表示相鄰測點，Gf將隨著延時次數k的增加而變化；(4. 8)判斷C是否為最小值，若否，則重新進入到過程(4.7);若是，進入過程(4. 9)；(4. 9)記錄G〈為最小值時的k值，k = K2 ；(4. 10)根據K1和K2值，可計算相鄰測點與當前測點振動相位之差^K2-Kl^r，其中f是當前測點的振動頻率。第5步重復第3步，確定振動物表面鄰近相鄰測點的又一測點的振幅；第6步不斷重復第4和第5步，依次確定水下振動物表面不同測點的相位和振幅。 如圖9所示，本發明的超聲散斑水下穩態振動測量裝置包括脈沖信號發生器1，延時器2，功率放大器3，超聲聚焦探頭4，水下振動物體5，電壓放大器6，數字存儲示波器7，微機8和三維電控平移臺9。它們之間相互連接如下脈沖信號發生器I依次通過延時器
2、功率放大器3與超聲聚焦探頭4的接口用電纜相連接；超聲聚焦探頭4的接口又依次通過電壓放大器6、數字存儲波器7與微機8實施散斑信號數據傳輸連接；脈沖信號發生器I又分別與微機8和數字存儲示波器7實施控制連接；超聲聚焦探頭4連接在三維電控平移臺9上，再與微機8實施平移控制連接。測量裝置中各儀器和部件的作用功能如下脈沖信號發生器I產生一系列脈寬數十納秒，幅值數百微伏，重復頻率在數赫茲至數千赫茲內可調的尖峰狀電脈沖，其重復頻率的調節受微機8控制。所產生的電脈沖分別輸入至延時器2和數字存儲示波器7，來分別接受觸發時刻的延時處理和實施對數字存儲示波器7的掃描同步控制。延時器2的延時調節步長為0. 005微秒至0. I微秒內自定，其延時調節受微機8控制。經延時器2所輸出的電脈沖輸入至功率放大器3后，再輸出至超聲聚焦探頭4。超聲聚焦探頭4受功率放大后的電脈沖激勵，發射出長度為數微秒的超聲脈沖串，超聲脈沖串的中心頻率與探頭標稱頻率相一致，其重復頻率與脈沖信號發生器產生的電脈沖重復頻率相一致，其發生時刻與延時器2調節的電脈沖觸發時刻相一致。超聲聚焦探頭4所發射的超聲聚焦入射至水中振動物體5的粗糙表面上后，其表面上的散射波相互干涉所形成的超聲散斑為同一超聲聚焦探頭4所接收，然后輸入至電壓放大器6。散斑信號經電壓放大器6放大后輸入至數字存儲示波器7中進行信號預處理、采樣和量化，然后輸入至微機8中進行存儲、運算和輸出結果。另外，微機8發出控制信號至三維電控平移臺9，使其所連接的超聲聚焦探頭4沿平行于水下振動物體5表面的兩個正交方以及垂直于水下振動物體5表面的方向上作步進運動，以實行定位和掃描，其步長為0. 01毫米至I毫米內自定。應用本發明的超聲散斑水下穩態振動測量裝置對水下穩態振動物振動頻率、振幅和相位測量的操作流程如下( I )水下被測物體處于靜止狀態，垂直于水下振動物體表面方向上放置超聲聚焦探頭4，通過微機8調節三維電控平移臺9使超聲聚焦探頭4在水中進行掃描，應用超聲無損檢測中傳統的脈沖回波法確定被測振動物靜止時的表面輪廓高度。(II)調節三維電控平移臺9使超聲聚焦探頭4發射的超聲聚焦于振動物5表面的當前測點上。通過微機8從小到大步進調節脈沖信號發生器I所輸出脈沖的重復頻率至某個最大值，當微機8中流程如圖4所示的頻率測量軟件判定被數字存儲示波器7同步記錄的超聲散斑信號其時間域上的重心保持不變，即對應的顯示屏上的超聲散斑波形駐留不動時，此時所輸出脈沖的重復頻率的最大值就是所測物體表面的振動頻率，微機8自動記錄下這個頻率值。(III)通過微機8調節延時器2輸出到超聲聚焦探頭的脈沖激勵信號的觸發時刻，當微機8中流程如圖7所示振幅測量軟件判定超聲聚焦探頭4從發射超聲脈沖串至接收散斑信號期間所經歷的時間分別為最短和最長，即數字存儲示波器7所同步記錄的超聲散斑信號駐留在示波器7顯示屏時間軸上極左側和極右側位置上，根據這兩者的時間差，微機8計算出測點振動的振幅。(IV)保持超聲聚焦探頭4從發射超聲脈沖串至接收被測物面當前測點上散斑信號期間所經歷的時間為最短，即數字存儲示波器7所同步記錄的超聲散斑信號駐留在示波器7顯示屏時間軸上極左側位置上。通過微機8操控三維電控平移臺9，使聚焦探頭4聚焦于振動物5表面的相鄰測點上。通過微機8對延時器2進行延時操作，當微機8中流程如圖8所示相位測量軟件判定超聲聚焦探頭4從發射超聲脈沖串至接收被測物面相鄰測點上散斑信號期間所經歷的時間為最短，即數字存儲示波器7所同步記錄的相鄰測點上的超聲散斑信號駐留在示波器7顯示屏時間軸上極左側位置上。微機8記錄這過程中延時器2所調節的時間差，計算出相鄰測點相對于當前測點的振動相位差。(V)重復步驟(III)，測量出相鄰測點的振幅值。(VI)重復步驟(IV)和(V)，依次測量出第三，四，…各測點的相位和振幅值，各測點的振動頻率是相同的。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以 限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種超聲散斑水下穩態振動測量方法，其特征在于，該方法包括下述步驟 第I步向水下待測振動物體表面重復發射聚焦于當前測點上的超聲脈沖串； 第2步根據接收到的待測振動物體的物面散斑信號的穩定情況，確定物體振動頻率；第3步進一步對發射的聚焦超聲脈沖串進行延時處理，根據同步接收散斑信號所花費的最短和最長時間之差，確定振動物表面當前測點的振幅； 第4步按照水下待測振動物體的振動頻率，向其表面當前測點重復發射聚焦超聲脈沖串，并進行延時處理，直到同步接收散斑信號花費時間最短；再將超聲探頭聚焦于水下待測振動物體表面鄰近于當前測點的相鄰測點，也對相鄰測點重復發射聚焦超聲脈沖串進行延時處理，使同步接收散斑信號花費時間最短；根據二個測點進行延時處理時的延時量之差確定相鄰測點相對當前測點的相位差，即相鄰測點的相位； 第5步以該相鄰測點作為當前測點； 第6步不斷重復第3至第5步，依次確定水下振動物表面不同測點的相位和振幅。
2.根據權利要求I所述的超聲散斑水下穩態振動測量方法，其特征在于，第2步中，按照下述過程判斷是否信號穩定并計算物體振動頻率 (2. I)設置某一個觸發超聲聚焦探頭的電脈沖的重復頻率F，F低于物體振動的估計頻率，或取一個小于等于0. 5赫茲的值； (2. 2)依次對超聲聚焦探頭連續同步重復接收的N1個散斑信號進行采樣，其采樣周期為Ts ； (2. 3)分別計算N1個散斑信號波形的平方值在時間域上的重心位置Gi, i表示散斑信號的序號，i = l，2, ...,N1; (2. 4)判斷上述散斑信號中的任意2個重心位置之差的最大值max I Gm-GnI (m=l, 2，....N1In=I, 2,. . . N1Iiii^ n)是否小于N2倍的采樣周期Ts,若是,表示信號穩定,貝U進入下一過程(2.5);若否，表示信號不穩定，則進入過程(2.7) ;m，n表示不同的二個重心位置的序號，N2為正整數； (2. 5)記錄該重復頻率F值為匕，同時進入過程(2. 6) ；j表示信號穩定時所取重復頻率的序號，其初始值為I; (2.6)步進增加重復頻率F值，根據誤差要求取步長為再次進入過程(2. 2)； (2. 7)步進增加重復頻率F值，根據誤差要求取步長為某值ZJ ,此后將進入過程(2. 8)； (2. 8)設置物體振動頻率的最大估計值F±R，判斷所遞增后的頻率值F是否大于F±r，若是，進入步驟(2. 9);若否，則進入過程(2.2)； (2. 9)以。的最大值作為物體振動頻率值。
3.根據權利要求I或2所述的超聲散斑水下穩態振動測量方法，其特征在于，第3步中，其處理過程如下 (3. I)增加延時器的觸發延時T，T = kA T，延時步長為A T，k為逐步增加的延時次數，其初始值為k = I ; (3. 2)將延時后的散斑信號波形進行平方運算，并計算它在時間域上的重心值Gk ； (3. 3)令k = k+1，重復步驟(3. I)和(3. 2)，直到確定Gk取得最小值，然后進入步驟(3.4)；(3. 4)記錄Gk為最小值時的波形序號k值，k = K1 ; (3. 5)再增加延時器的觸發延時X，T = kA T ；^k = K:+l ； (3. 6)將延時后的散斑信號波形進行平方運算，，計算它在時間域上的重心值Gk，Gk將隨著延時的增加而變大； (3. 7)令k = k+1,重復步驟(3. 5)和(3. 6)，直到確定Gk取得最大值，然后進入步驟(3. 8)； (3. 8)記錄Gk為最大值時的波形序號k值，k = K2; (3. 9)根據K1和K2值，計算測點振幅A，A=V (K2-K1) AtjV是超聲在水中的傳播速度。
4.根據權利要求5所述的超聲散斑水下穩態振動測量方法，其特征在于，第4步中，其處理過程如下 (4. I)將超聲聚焦探頭聚焦于作為基準的水下待測物體表面當前測點上；調節觸發脈沖重復頻率，使之與物體振動頻率相同； (4. 2)增加延時器的觸發延時T，T = kA T ;A T為延時步長，k為逐步增加的延時次數，k的初始值k = I ; (4. 3)將延時后的散斑信號波形進行平方運算，并計算它在時間域上的重心值( (4. 4)逐步增加k值，判斷Gf是否為最小值，若否，則重新進入到過程(4. 2);若是，進入過程(4. 5)； (4. 5)記錄Gf為最小值時的k值，k = K1; (4. 6)平移超聲探頭，使之聚焦于鄰近的物體表面相鄰測點上； (4. 7)逐步增加延時器的觸發延時I延時步長為△ T，將延時后的散斑波形進行平方運算，并計算它在時間域上的重心值U1 , (4. 8)判斷句是否為最小值，若否，則重新進入到過程(4.7);若是，進入過程(4.9)； (4. 9)記錄G^r為最小值時的k值，k = K2 ; (4. 10)根據K1,和K2值,計算二個測點振動相位之差A￠7=2^/ ■ {K2 -K')At，其中f■是當前測點的振動頻率。
5.根據權利要求4所述的超聲散斑水下穩態振動測量方法，其特征在于，第2步中，ZlF的取值范圍為0. 01赫茲至0. I赫茲，F±R的取值范圍為10赫茲至2000赫茲。
6.一種超聲散斑水下穩態振動測量裝置，其特征在于，該裝置包括脈沖信號發生器，延時器，功率放大器，超聲聚焦探頭，電壓放大器，數字存儲示波器，微機和三維電控平移臺；脈沖信號發生器依次通過延時器、功率放大器與超聲聚焦探頭的接口用電纜相連接；超聲聚焦探頭的接口又依次通過電壓放大器、數字存儲示波器與微機實施散斑信號數據傳輸連接；脈沖信號發生器又分別與微機和數字存儲示波器實施控制連接；超聲聚焦探頭連接在三維電控平移臺上，再與微機實施平移和定位控制連接。
全文摘要
本發明屬于振動測量技術，為一種超聲散斑水下穩態振動測量方法和裝置。通過向水下待測振動物體表面重復發射聚焦于當前測點上的超聲脈沖串，根據接收到的物面散斑信號的穩定情況，確定物體振動頻率；再通過對發射的聚焦超聲脈沖串進行延時處理，根據同步接收散斑信號所花費的最短和最長時間之差，確定振動物表面當前測點的振幅；將超聲脈沖串聚焦于相鄰測點上，對重復發射的聚焦超聲脈沖串進行延時處理，根據該二個測點進行延時處理時的延時量之差確定該二個測點的相位差，即相鄰測點的相位。重復進行依次確定水下振動物表面不同測點的相位和振幅。本發明適合于對水下粗糙物體穩態振動的頻率、振幅和相位進行實時、穩定、非接觸、全場掃描式測量。
文檔編號G01H3/00GK102721457SQ20121017099
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月29日 優先權日2012年5月29日
發明者朱鴻茂, 沈磊, 羅志華, 胡莉莉, 胡鵬, 褚俊 申請人:華中科技大學