本发明专利技术属于振动测量技术，为一种超声散斑水下稳态振动测量方法和装置。通过向水下待测振动物体表面重复发射聚焦于当前测点上的超声脉冲串，根据接收到的物面散斑信号的稳定情况，确定物体振动频率；再通过对发射的聚焦超声脉冲串进行延时处理，根据同步接收散斑信号所花费的最短和最长时间之差，确定振动物表面当前测点的振幅；将超声脉冲串聚焦于相邻测点上，对重复发射的聚焦超声脉冲串进行延时处理，根据该二个测点进行延时处理时的延时量之差确定该二个测点的相位差，即相邻测点的相位。重复进行依次确定水下振动物表面不同测点的相位和振幅。本发明专利技术适合于对水下粗糙物体稳态振动的频率、振幅和相位进行实时、稳定、非接触、全场扫描式测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于振动测量技术，具体涉及应用超声散斑对水下稳态振动物体的振动频率、振幅和相位进行测量的方法和装置。
技术介绍
水下振动测量在工程建设中有着特别的需求，例如需要对桥墩、船坞、潜艇等水下结构在稳态激励下振动频率和振幅进行不定时检测或实时在线监控；此外，水下振动测量在科学研究中同样有需求，例如，在结构设计中需对水下模型进行实验振动模态分析，这就要求对受迫稳态振动模型中各结点或关键处的振动频率、振幅和相位进行测量。传统的振动测量技术有使用应变计、电容传感器、压电传感器、光纤传感器和涡流传感器等多种方法。其中应变计由于简单精确而最早应用于振动测试中，它可用于振动频 率和相位的测量，但它局限于单点式的接触式测量，且不能有效地测量振动物体的振幅；电容式传感器也可用于振动测量，它具有测量范围大、结构简单、成本低，灵敏性高等优点，但它易受寄生电容的干扰，输出特性为非线性，特别是难以在水下应用；新型的压电式传感器精度高、动态范围大、频率响应宽，但它同样只适用于单点式的接触式测量；而近年来发展起来的光纤传感器系统，通过光纤耦合器和单模光纤构造干涉光路，根据反射物面振动所形成激光干涉状态的变化，来进行振幅、频率，速度等的测量，但它的测量受水的扰动影响比较大，水中工作不稳定，且难以对粗糙物面进行测量；涡流传感器可用于水下振动的测量，但由于它的非线性以及传感面端面比较大而存在缺陷，且它只能对金属物面的振动进行测量；目前，工程中的振动测量应用最多的激光三角法技术，它的优点是非接触测量，且量程大和分辨率高，但由于其线阵(XD(Charge Coupled Device)像元的光电响应不均勻性和非线性，以及精确度易受被测界面的倾斜和水的扰动影响，它难以对水下振动物进行测量，特别是它无法对粗糙振动物面进行测量。本专利技术的超声散斑水下振动测量方法和装置，可以克服上述各种测量方法所存在的困难，对水下物稳态振动的频率、振幅和相位实施高精度、非接触、扫描式的实时测量，且受物体材质和表面粗糙度、水流和温度变化的影响很少。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超声散斑水下稳态振动测量方法和测量装置，本专利技术适合于对水下粗糙物体稳态振动的频率、振幅和相位进行实时、稳定、非接触、全场扫描式测量。本专利技术提供的一种超声散斑水下稳态振动测量方法，其特征在于，该方法包括下述步骤第I步向水下待测振动物体表面重复发射聚焦于当前测点上的超声脉冲串；第2步根据接收到的待测振动物体的物面散斑信号的稳定情况，确定物体振动频率;第3步进一步对发射的聚焦超声脉冲串进行延时处理，根据同步接收散斑信号所花费的最短和最长时间之差，确定振动物表面当前测点的振幅；第4步按照水下待测振动物体的振动频率，向其表面当前测点重复发射聚焦超声脉冲串，并进行延时处理，直到同步接收散斑信号花费时间最短；再将超声探头聚焦于水下待测振动物体表面当前测点的相邻测点，也对相邻测点重复发射聚焦超声脉冲串进行延时处理，使同步接收散斑信号花费时间最短；根据二个测点进行延时处理时的延时量之差确定相邻测点相对当前测点的相位差，即相邻测点的相位；第5步以该相邻测点作为当前测点； 第6步不断重复第3至第5步，依次确定水下振动物表面不同测点的相位和振幅。本专利技术提供的一种超声散斑水下稳态振动测量装置，其特征在于，该装置包括脉冲信号发生器，延时器，功率放大器，超声聚焦探头，电压放大器，数字存储示波器，微机和三维电控平移台；脉冲信号发生器依次通过延时器、功率放大器与超声聚焦探头的接口用电缆相连接；超声聚焦探头的接口又依次通过电压放大器、数字存储示波器与微机实施散斑信号数据传输连接；脉冲信号发生器又分别与微机和数字存储示波器实施控制连接；超声聚焦探头连接在三维电控平移台上，再与微机实施平移控制连接。应用本专利技术的方法和装置对水下振动物体进行测量时，要求被测物体位于水下30米以内，被测物表面各点曲率小于1，被测物面上水流速度小于I米/秒，水温低于60摄氏度，水流无气泡。应用本专利技术的方法和装置对水下振动物体进行测量时连续工作时间不限，频率测量的量程可以达到0.5赫兹至2000赫兹，测量误差可以达到±0.01赫兹；振幅测量的量程可以达到0. I毫米至10毫米，测量误差可以达到±0. 02毫米；相位测量的量程可以达到到-720度至720度，测量误差可以达到±0. 01度。附图说明图I是超声聚焦探头发射和接收超声波的形式；图2是激励超声探头的电脉冲重复频率与示波器显示屏内的电子水平偏转扫描频率不同步时显示屏上显示的散斑信号；图3是激励超声探头的电脉冲重复频率与示波器显示屏内的电子水平偏转扫描频率同步时显示屏上显示的散斑信号；图4是本专利技术测量水下物体稳态振动频率时用以判断所显示的散斑信号是否稳定和测定频率的软件流程图；图5是振动物面运动至正向位移最大时稳定显示在示波器显示屏时间轴上极左侧位置上的散斑信号；图6是振动物面运动至反向位移最大时稳定显示在示波器显示屏时间轴上极右侧位置上的散斑信号；图7是本专利技术测量水下物体稳态振动振幅时操控散斑信号在示波器显示屏时间轴上极左侧和极右侧的位置间的变化和计算振幅的软件流程图；图8是本专利技术测量水下物体稳态振动相位时过程操控和计算的软件流程图；图9是本专利技术的超声散斑水下稳态振动测量装置示意图。具体实施例方式本专利技术的超声散斑水下稳态振动测量方法的基本思想和原理是当超声入射到介质粗糙界面时，其散射波会在介质空间中相互干涉，形成振幅和相位随机分布的散斑场。在大多数工程检测和医学成像技术中，超声散斑被视为噪声而被避免和抑制，但超声散斑跟随散射界面作有规律运动的状态包含了散射界面的位移和变形的信息。此外，超声及其散斑有很多独特的优点，诸如超声不仅可在空气中传播，还能在水中和固体内部传播；水的一般扰动和温度变化对超声传播和散斑影响很小；超声具有穿透性，超声散斑可由超声聚焦探头远距离发射超声至粗糙物面上产生，也可同时由同一探头非接触地接收；在水中一般的超声波长在亚毫米和厘米之间，这与一般工程结构变形的量级相吻合；以上这些为本专利技术的超声散斑水下稳态振动测量方法的建立奠定了物理基础。超声聚焦探头发射和接收超声波的形式如图I所示。在以某一重复频率发生的电脉冲激励下，超声探头产生出一系列的超声脉冲串，它们传播至水下粗糙物体表面上后，散射波所产生的超声散斑被同一超声聚焦探头所接收。水下物体振动时，各处超声散斑也对 应粗糙物体表面上各点作相应的往复运动。超声波在聚焦范围内形成有一定直径和长度的焦柱，当超声探头聚焦于振动物面上，在焦柱范围内运动的超声散斑被聚焦超声探头接收后直接转换为电信号，经放大后可在示波器上显示。如果激励超声探头的电脉冲重复频率不等于物面振动频率的1/n (n=l，2，3……)，这时显示屏上显示的散斑信号是混乱不清的，如图2所示；反之，散斑信号可以稳定显示在显示屏时间轴上的某个位置上，如图3所示。这就是应用本专利技术测量水下物体稳态振动频率方法的原理。如果激励超声探头的电脉冲重复频率与物体振动频率不仅相同，而且当振动物面运动至正向位移最大时超声探头正好被电脉冲所触发，这时超声聚焦探头从发射超声脉冲串至接收被测物面上散斑信号期间所花费的时间为最短，对应的是数字存储示波器所同步记录的测点上的超声散斑信号驻本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种超声散斑水下稳态振动测量方法，其特征在于，该方法包括下述步骤 第I步向水下待测振动物体表面重复发射聚焦于当前测点上的超声脉冲串； 第2步根据接收到的待测振动物体的物面散斑信号的稳定情况，确定物体振动频率；第3步进一步对发射的聚焦超声脉冲串进行延时处理，根据同步接收散斑信号所花费的最短和最长时间之差，确定振动物表面当前测点的振幅； 第4步按照水下待测振动物体的振动频率，向其表面当前测点重复发射聚焦超声脉冲串，并进行延时处理，直到同步接收散斑信号花费时间最短；再将超声探头聚焦于水下待测振动物体表面邻近于当前测点的相邻测点，也对相邻测点重复发射聚焦超声脉冲串进行延时处理，使同步接收散斑信号花费时间最短；根据二个测点进行延时处理时的延时量之差确定相邻测点相对当前测点的相位差，即相邻测点的相位； 第5步以该相邻测点作为当前测点； 第6步不断重复第3至第5步，依次确定水下振动物表面不同测点的相位和振幅。2.根据权利要求I所述的超声散斑水下稳态振动测量方法，其特征在于，第2步中，按照下述过程判断是否信号稳定并计算物体振动频率 (2. I)设置某一个触发超声聚焦探头的电脉冲的重复频率F，F低于物体振动的估计频率，或取一个小于等于0. 5赫兹的值； (2. 2)依次对超声聚焦探头连续同步重复接收的N1个散斑信号进行采样，其采样周期为Ts ； (2. 3)分别计算N1个散斑信号波形的平方值在时间域上的重心位置Gi, i表示散斑信号的序号，i = l，2, ...,N1; (2. 4)判断上述散斑信号中的任意2个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倍的采样周期Ts,若是,表示信号稳定,贝U进入下一过程(2.5);若否，表示信号不稳定，则进入过程(2.7) ;m，n表示不同的二个重心位置的序号，N2为正整数； (2. 5)记录该重复频率F值为匕，同时进入过程(2. 6) ；j表示信号稳定时所取重复频率的序号，其初始值为I; (2.6)步进增加重复频率F值，根据误差要求取步长为再次进入过程(2. 2)； (2. 7)步进增加重复频率F值，根据误差要求取步长为某值ZJ ,此后将进入过程(2. 8)； (2. 8)设置物体振动频率的最大估计值F±R，判断所递增后的频率值F是否大于F±r，若是，进入步骤(2. 9);若否，则进入过程(2.2)； (2. 9)以。的最大值作为物体振动频率值。3.根据权利要求I或2所述的超声散斑水下稳态振动测量方法，其特征在于，第3步中，其处理过程如下 (3. I)增加延时器的触发延时T，T = kA T，延时步长为A T，k为逐步增加的延时次数，其初始值为k = I ; (3. 2)将延时后的散斑信号波形进行平方...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱鸿茂，胡莉莉，沈磊，褚俊，罗志华，胡鹏，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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