水下空间内的声场测量及可视化系统、建模及清洁方法技术方案

本发明专利技术涉及一种水下空间内的声场测量及可视化系统、建模及清洁方法，包括：上位机、位于水下空间的超声换能器和水听器，分别用于发射、接收超声波信号；以及由所述上位机控制的且用于对水听器位置进行调节的位移装置；所述上位机适于控制位移装置带动水听器在水下空间移动，以对水下场景进行三维扫描，再通过可视化处理模块，将经三维扫描获得的超声波信号转化为三维场景。实现对整个不规则水下空间的三维扫描，并以三维场景来呈现，提高了水下三维声场的声强分布的直观性，从而来提高了超声波的功效。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及声学和电子通信领域，尤其涉及一种水下空间内的声场测量及可视化系统及其建模方法。
技术介绍
功率超声在清洗领域的应用日益普遍，在水处理中的应用也正处在基础研究到应用的关键时期。无论是清洗还是水处理，提高功率超声的效率是一个重要的命题。而要提高功率超声的效率，就要了解水中声场的分布情况，声场的分布状况由不同换能器和不同几何形状的反应器(水槽)共同决定，因此研究不同换能器在不同几何形状的反应器(水槽)中声场的分布状况，有利于优化反应装置、提高超声作用效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种水下空间内的声场测量及可视化系统及其建模方法，以实现对不规则水下空间呈现三维场景。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种水下空间内的声场测量及可视化系统，包括:上位机、位于水下空间的超声换能器和水听器，分别用于发射、接收超声波信号；以及由所述上位机控制的且用于对水听器位置进行调节的位移装置；所述上位机适于控制位移装置带动水听器在水下空间移动，以对水下场景进行三维扫描，再通过可视化处理模块，将经三维扫描获得的超声波信号转化为三维场景。进一步，所述声场测量及可视化系统还包括:适于驱动超声换能器的超声换能驱动模块，该超声换能驱动模块包括超声换能驱动电路，该超声换能驱动电路为驱动用高频运放电路，其适于将超声换能器转换出的微弱电信号进行去噪去干扰后放大；所述超声换能器为压电式超声换能器。进一步，所述位移装置由与上位机相连的微控制器驱动；所述位移装置包括??三个分别用于控制水听器沿x、Y、z轴方向移动的步进电机，各步进电机分别驱动Χ、Υ、Ζ轴方向上的丝杆转动；以及所述微控制器适于接收上位机发出的控制指令以产生相应PWM脉宽调制信号来协调各步进电机的运动，进而实现对水听器起始、终止测量位置和测量路径以及移动速度的控制。进一步，所述水听器的输出端依次通过信号调理放大电路、A/D转换模块与上位机相连，其中A/D转换模块为AC8864高速数据采集卡，其适于将水听器采集的模拟信号转化为数字信号发送至上位机。进一步，所述信号调理放大电路调整电路包括调整用高频运放电路，该调整用高频运放电路包括:与水听器相连的电压跟随电路，该电压跟随器的输出端作为所述调整用高频运放电路的正输出端，以及所述电压跟随器的输出端还与一反相比例运算电路相连，该反相比例运算电路的输出端作为所述调整用高频运放电路的负输出端；所述调整用高频运放电路的正、负输出端分别与所述A/D转换模块的相应输入端相连。进一步，所述声场测量及可视化系统还包括:与超声换能驱动模块相连的电源模块，该电源模块适于提供12V电压和士5V电压；其中所述正12V电压适于给超声换能器驱动电路供电；所述±5V电压适于给信号调理放大电路模块供电。又一方面，本专利技术还提供了一种基于声场测量及可视化系统的水下空间建模方法，包括如下步骤:步骤S1，通过超声换能器发射超声波信号；步骤S2，通过上位机控制位移装置带动水听器在水下空间移动，以对水下场景进行二维扫描；以及步骤S3，通过可视化处理模块，将经三维扫描获得的超声波信号转化为三维场景。进一步，所述声场测量及可视化系统还包括:适于驱动超声换能器的超声换能驱动模块，该超声换能驱动模块包括超声换能驱动电路，该超声换能驱动电路为高频运放电路，所述超声换能器为压电式超声换能器。进一步，所述位移装置由与上位机相连的微控制器驱动；所述位移装置包括??三个分别用于控制水听器沿X、Y、Z轴方向移动的步进电机，各步进电机分别驱动Χ、Υ、Ζ轴方向上的丝杆转动；所述微控制器适于接收上位机发出控制指令以产生的相应PWM脉宽调制信号来协调各步进电机的运动，进而实现对水听器起始、终止测量位置和测量路径以及移动速度的控制。进一步，所述水听器的输出端依次通过信号调理放大电路、A/D转换模块与上位机相连，其中A/D转换模块为AC8864高速数据采集卡，其适于将水听器采集的模拟信号转化为数字信号发送至上位机。第三方面，本专利技术还提供了一种基于声场测量及可视化系统的水下清洁方法，SP将水下三维场景与超声换能器的超声波工作强度的工作强度相结合，以提高超声波清洗效果Ο为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于声场测量及可视化系统的水下清洁方法，通过水下空间内的声场测量及可视化系统生成水下的三维场景，并根据所述三维场景控制超声换能器的超声波工作强度。本专利技术的有益效果是，本专利技术的水下空间内的声场测量及可视化系统及其建模方法，实现对整个不规则水下空间的三维扫描，且可通过上位机指定测量的起点和终点、测量的速度、水听器移动的路径以及测量的点与点之间的间隔，提高了测量的灵活性；且将采集的数据经过LabVIEW进行可视化处理，以三维场景来呈现，提高了水下三维声场的声强分布的直观性，从而来提高了超声波的功效。【附图说明】下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是本专利技术的水下空间内的声场测量及可视化系统的结构图；图2是本专利技术的信号调理放大电路的电路图；图3是本专利技术的基于声场测量及可视化系统的水下空间建模方法的原理图。图中:超声换能器101、水听器102、位移装置2、X轴方向移动的步进电机201、Y轴方向移动的步进电机202、Ζ轴方向移动的步进电机203、水槽3。【具体实施方式】现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本专利技术的基本结构，因此其仅显示与本专利技术有关的构成。实施例1如图1所示，本专利技术的水下空间内的声场测量及可视化系统，包括:上位机、位于水下空间的超声换能器101和水听器102，分别用于发射、接收超声波信号；以及由所述上位机控制的且用于对水听器位置进行调节的位移装置2 ;所述上位机适于控制位移装置2带动水听器102在水下空间移动，以对水下场景进行三维扫描，再通过可视化处理模块，将经三维扫描获得的超声波信号转化为三维场景。其中，所述上位机将经三维扫描获得的超声波信号转化为可视化图形例如但不限于三维场景。具体的，可视化处理模块例如但不限于采用LabVIEW来实现，即通过LabVIEW构建可视化处理模块，通过水听器的移动来对超声波信号采集(即三维扫描)，该超声波信号(三维扫描获得的超声波信号)为超声换能器101在水下发出的，且由水下场景反射回的超声波信号，可视化处理模块通过采集超声波信号实现水下场景的三维场景转换，进而实现可视化处理。并且，由于超声换能器101和水听器102采用互相独立设置，可适用于各种不同几何形状的水下空间，采集的数据经过可视化处理后，方便后面对水下声场特性和规律的分析，通过结合测量的数据和声场特性来研究水下三维声场的声强的分布特点。可选的，所述水听器102的工作频率为7Hz-80kHz，接收灵敏度彡_210dB，指向性:水平全向，采样率7Hz?80kHz，接收动态范围彡80dB，测量精度±1.5dB，电源DC5V、600mA,尺寸(直径*高度)43 X 250mmo所述声场测量及可视化系统还包括:适于驱动超声换能器101的超声换能驱动模块，该超声换能驱动模块包括超声换能驱动电路，该超声换能驱动电路为驱动用高频运放电路，其适于将超声换能器101转换出的微弱电信号进行去噪去干扰后放大；所述超声换能器101为压电式超声换能器。进一步，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下空间内的声场测量及可视化系统，其特征在于，包括：上位机、位于水下空间的超声换能器和水听器，分别用于发射、接收超声波信号；以及由所述上位机控制的且用于对水听器位置进行调节的位移装置；所述上位机适于控制位移装置带动水听器在水下空间移动，以对水下场景进行三维扫描，再通过可视化处理模块，将经三维扫描获得的超声波信号转化为三维场景。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：漆灿，单鸣雷，钟余泽，林茂麒，陈晓兰，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏;32