水下空間內(nèi)的聲場測量及可視化系統(tǒng)、建模及清潔方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及聲學(xué)和電子通信領(lǐng)域，尤其涉及一種水下空間內(nèi)的聲場測量及可視化系統(tǒng)及其建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]功率超聲在清洗領(lǐng)域的應(yīng)用日益普遍，在水處理中的應(yīng)用也正處在基礎(chǔ)研究到應(yīng)用的關(guān)鍵時期。無論是清洗還是水處理，提高功率超聲的效率是一個重要的命題。而要提高功率超聲的效率，就要了解水中聲場的分布情況，聲場的分布狀況由不同換能器和不同幾何形狀的反應(yīng)器(水槽)共同決定，因此研究不同換能器在不同幾何形狀的反應(yīng)器(水槽)中聲場的分布狀況，有利于優(yōu)化反應(yīng)裝置、提高超聲作用效率。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的是提供一種水下空間內(nèi)的聲場測量及可視化系統(tǒng)及其建模方法，以實現(xiàn)對不規(guī)則水下空間呈現(xiàn)三維場景。
[0004]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種水下空間內(nèi)的聲場測量及可視化系統(tǒng)，包括:上位機、位于水下空間的超聲換能器和水聽器，分別用于發(fā)射、接收超聲波信號；以及由所述上位機控制的且用于對水聽器位置進行調(diào)節(jié)的位移裝置；所述上位機適于控制位移裝置帶動水聽器在水下空間移動，以對水下場景進行三維掃描，再通過可視化處理模塊，將經(jīng)三維掃描獲得的超聲波信號轉(zhuǎn)化為三維場景。
[0005]進一步，所述聲場測量及可視化系統(tǒng)還包括:適于驅(qū)動超聲換能器的超聲換能驅(qū)動模塊，該超聲換能驅(qū)動模塊包括超聲換能驅(qū)動電路，該超聲換能驅(qū)動電路為驅(qū)動用高頻運放電路，其適于將超聲換能器轉(zhuǎn)換出的微弱電信號進行去噪去干擾后放大；所述超聲換能器為壓電式超聲換能器。
[0006]進一步，所述位移裝置由與上位機相連的微控制器驅(qū)動；所述位移裝置包括??三個分別用于控制水聽器沿x、Y、z軸方向移動的步進電機，各步進電機分別驅(qū)動Χ、Υ、Ζ軸方向上的絲桿轉(zhuǎn)動；以及所述微控制器適于接收上位機發(fā)出的控制指令以產(chǎn)生相應(yīng)PWM脈寬調(diào)制信號來協(xié)調(diào)各步進電機的運動，進而實現(xiàn)對水聽器起始、終止測量位置和測量路徑以及移動速度的控制。
[0007]進一步，所述水聽器的輸出端依次通過信號調(diào)理放大電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊與上位機相連，其中A/D轉(zhuǎn)換模塊為AC8864高速數(shù)據(jù)采集卡，其適于將水聽器采集的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號發(fā)送至上位機。
[0008]進一步，所述信號調(diào)理放大電路調(diào)整電路包括調(diào)整用高頻運放電路，該調(diào)整用高頻運放電路包括:與水聽器相連的電壓跟隨電路，該電壓跟隨器的輸出端作為所述調(diào)整用高頻運放電路的正輸出端，以及所述電壓跟隨器的輸出端還與一反相比例運算電路相連，該反相比例運算電路的輸出端作為所述調(diào)整用高頻運放電路的負輸出端；所述調(diào)整用高頻運放電路的正、負輸出端分別與所述A/D轉(zhuǎn)換模塊的相應(yīng)輸入端相連。
[0009]進一步，所述聲場測量及可視化系統(tǒng)還包括:與超聲換能驅(qū)動模塊相連的電源模塊，該電源模塊適于提供12V電壓和士5V電壓；其中所述正12V電壓適于給超聲換能器驅(qū)動電路供電；所述±5V電壓適于給信號調(diào)理放大電路模塊供電。
[0010]又一方面，本發(fā)明還提供了一種基于聲場測量及可視化系統(tǒng)的水下空間建模方法，包括如下步驟:
[0011]步驟S1，通過超聲換能器發(fā)射超聲波信號；
[0012]步驟S2，通過上位機控制位移裝置帶動水聽器在水下空間移動，以對水下場景進行二維掃描；以及
[0013]步驟S3，通過可視化處理模塊，將經(jīng)三維掃描獲得的超聲波信號轉(zhuǎn)化為三維場景。
[0014]進一步，所述聲場測量及可視化系統(tǒng)還包括:適于驅(qū)動超聲換能器的超聲換能驅(qū)動模塊，該超聲換能驅(qū)動模塊包括超聲換能驅(qū)動電路，該超聲換能驅(qū)動電路為高頻運放電路，所述超聲換能器為壓電式超聲換能器。
[0015]進一步，所述位移裝置由與上位機相連的微控制器驅(qū)動；所述位移裝置包括??三個分別用于控制水聽器沿X、Y、Z軸方向移動的步進電機，各步進電機分別驅(qū)動Χ、Υ、Ζ軸方向上的絲桿轉(zhuǎn)動；所述微控制器適于接收上位機發(fā)出控制指令以產(chǎn)生的相應(yīng)PWM脈寬調(diào)制信號來協(xié)調(diào)各步進電機的運動，進而實現(xiàn)對水聽器起始、終止測量位置和測量路徑以及移動速度的控制。
[0016]進一步，所述水聽器的輸出端依次通過信號調(diào)理放大電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊與上位機相連，其中A/D轉(zhuǎn)換模塊為AC8864高速數(shù)據(jù)采集卡，其適于將水聽器采集的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號發(fā)送至上位機。
[0017]第三方面，本發(fā)明還提供了一種基于聲場測量及可視化系統(tǒng)的水下清潔方法，SP將水下三維場景與超聲換能器的超聲波工作強度的工作強度相結(jié)合，以提高超聲波清洗效果Ο
[0018]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于聲場測量及可視化系統(tǒng)的水下清潔方法，通過水下空間內(nèi)的聲場測量及可視化系統(tǒng)生成水下的三維場景，并根據(jù)所述三維場景控制超聲換能器的超聲波工作強度。
[0019]本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的水下空間內(nèi)的聲場測量及可視化系統(tǒng)及其建模方法，實現(xiàn)對整個不規(guī)則水下空間的三維掃描，且可通過上位機指定測量的起點和終點、測量的速度、水聽器移動的路徑以及測量的點與點之間的間隔，提高了測量的靈活性；且將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過LabVIEW進行可視化處理，以三維場景來呈現(xiàn)，提高了水下三維聲場的聲強分布的直觀性，從而來提高了超聲波的功效。
【附圖說明】
[0020]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0021]圖1是本發(fā)明的水下空間內(nèi)的聲場測量及可視化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖2是本發(fā)明的信號調(diào)理放大電路的電路圖；
[0023]圖3是本發(fā)明的基于聲場測量及可視化系統(tǒng)的水下空間建模方法的原理圖。
[0024]圖中:超聲換能器101、水聽器102、位移裝置2、X軸方向移動的步進電機201、Y軸方向移動的步進電機202、Ζ軸方向移動的步進電機203、水槽3。
【具體實施方式】
[0025]現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。
[0026]實施例1
[0027]如圖1所示，本發(fā)明的水下空間內(nèi)的聲場測量及可視化系統(tǒng)，包括:上位機、位于水下空間的超聲換能器101和水聽器102，分別用于發(fā)射、接收超聲波信號；以及由所述上位機控制的且用于對水聽器位置進行調(diào)節(jié)的位移裝置2 ;所述上位機適于控制位移裝置2帶動水聽器102在水下空間移動，以對水下場景進行三維掃描，再通過可視化處理模塊，將經(jīng)三維掃描獲得的超聲波信號轉(zhuǎn)化為三維場景。
[0028]其中，所述上位機將經(jīng)三維掃描獲得的超聲波信號轉(zhuǎn)化為可視化圖形例如但不限于三維場景。具體的，可視化處理模塊例如但不限于采用LabVIEW來實現(xiàn)，即通過LabVIEW構(gòu)建可視化處理模塊，通過水聽器的移動來對超聲波信號采集(即三維掃描)，該超聲波信號(三維掃描獲得的超聲波信號)為超聲換能器101在水下發(fā)出的，且由水下場景反射回的超聲波信號，可視化處理模塊通過采集超聲波信號實現(xiàn)水下場景的三維場景轉(zhuǎn)換，進而實現(xiàn)可視化處理。
[0029]并且，由于超聲換能器101和水聽器102采用互相獨立設(shè)置，可適用于各種不同幾何形狀的水下空間，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過可視化處理后，方便后面對水下聲場特性和規(guī)律的分析，通過結(jié)合測量的數(shù)據(jù)和聲場特性來研究水下三維聲場的聲強的分布特點。
[0030]可選的，所述水聽器102的工作頻率為7Hz-80kHz，接收靈敏度彡_210dB，指向性:水平全向，采樣率7Hz?80kHz，接收動態(tài)范圍彡80dB，測量精度±1.5dB，電源DC5V、600mA,尺寸(直徑*高度)43 X 250mmo
[0031]所述聲場測量及可視化系統(tǒng)還包括:適于驅(qū)動超聲換能器101的超聲換能驅(qū)動模塊，該超聲換能驅(qū)動模塊包括超聲換能驅(qū)動電路，該超聲換能驅(qū)動電路為驅(qū)動用高頻運放電路，其適于將超聲換能器101轉(zhuǎn)換出的微弱電信號進行去噪去干擾后放大；所述超聲換能器101為壓電式超聲換能器。進一步，所述上位機可以通過構(gòu)建的三維場景控制超聲換能器101的工作強度，以提高超聲換能器101在水下的清潔效果。
[0032]優(yōu)選的，超聲換能驅(qū)動電路的驅(qū)動芯片例如但不限于采用TPS2811驅(qū)動芯片，該驅(qū)動芯片在輸入信號的控制下將電源直流功率提高到能夠驅(qū)動負載電路的功率，以達到為負載提供盡可能大功率的目的，該芯片能夠提供2A的驅(qū)動電流，具有較好的驅(qū)動能力。
[0033]所述位移裝置2由與上位機相連的微控制器驅(qū)動；所述位移裝置2包括:三個分別用于控制水聽器102沿X、Y、Z軸方向移動的步進電機，各步進電機分別驅(qū)動Χ、Υ、Ζ軸方向上的絲桿轉(zhuǎn)動；以及所述微控制器適于接收上位機發(fā)出的控制指令以產(chǎn)生相應(yīng)PWM脈寬調(diào)制信號來協(xié)調(diào)各步進電機的運動，進而實現(xiàn)對水聽器102起始、終止測量位置和測量路徑以及移動速度的控制。
[0034]優(yōu)選的，所述微控制器例如但不限于采用單片機MSP430F149，使用3.3V直流電壓供電，接收的上位機產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號的頻率為15 - 30kHz，通過PWM脈寬調(diào)制信號的頻率和步進電機驅(qū)動器上的細分來控制步進電機轉(zhuǎn)動的速度。
[0035]具體的，本發(fā)明的水下空間內(nèi)的聲場測量及可視化系統(tǒng)通過上位機發(fā)出相應(yīng)的PWM脈寬調(diào)制信號給位移裝置2的微控制器，微控制器協(xié)調(diào)三個步進電機使水聽器102沿X、Y、Z軸方向移動，實現(xiàn)對水聽器102起始、終止測量位置和測量路徑以及移動速度的控制，以對水下場景進行三維掃描采集超聲波信號。可選的，步進電機采用兩相混合式步進電機，具有效率高，電流小，發(fā)熱低，精度高的特點。步距角為1.8°，使用驅(qū)動器細分，步距角可被細分達256倍，由于摩擦力和制造精度等原因，實際控制精度可能略低。
[0036]所述水聽器102的輸出端依次通過信號調(diào)理放大電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊與上位機相連，其中A/D轉(zhuǎn)換模塊為AC8864高速數(shù)據(jù)采集卡，其適于將水聽器102采集的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號發(fā)送至上位機。
[0037]A/D轉(zhuǎn)換模塊，主要將采集的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并傳到電腦，方便下一步的處理，選擇高采樣速率高分辨率的數(shù)據(jù)采集卡AC6684作為A/D轉(zhuǎn)化模塊，AC6684是一款二路并行12位40MHz存儲式A/D板，RAM容量512K采樣點/通道，采用365PCI接口芯片及門陣列作為主控芯片、門陣列控制模擬輸入、采樣、模擬輸出及開關(guān)量，以上特性可以滿足系統(tǒng)實際的采集需求及與上位機的通信控制。