Spectrum儀器數(shù)字化儀和任意波形發(fā)生器在楊百翰大學(xué)聲波研究中的應(yīng)用

——通過(guò)時(shí)間反轉(zhuǎn)信號(hào)處理產(chǎn)生球面波虛擬源

美國(guó)楊百翰大學(xué)物理與天文系的聲學(xué)研究小組正在從事有關(guān)時(shí)間反轉(zhuǎn)(Time Reversal)信號(hào)處理方面的研究，用以聚焦房間內(nèi)的高振幅波聲。時(shí)間反轉(zhuǎn)(TR)將來(lái)自不同方向的波聚焦于特定位置而產(chǎn)生一個(gè)球面波虛擬源，而后再通過(guò)這個(gè)位置發(fā)散出去。為了產(chǎn)生此類聲波并獲取準(zhǔn)確的結(jié)果，楊百翰大學(xué)選擇了Spectrum儀器生產(chǎn)的任意波形發(fā)生器以及數(shù)字化儀卡作為其實(shí)驗(yàn)器材。

楊百翰大學(xué)副教授Brian Anderson表示：“此前我研究和對(duì)比了不同類型的信號(hào)生成卡和采集卡，最終決定使用Spectrum儀器所提供的設(shè)備。Spectrum儀器的設(shè)備在超聲波頻率領(lǐng)域的表現(xiàn)卓越，且兼具成本效益。其產(chǎn)品具有多通道、同步生成和采集、高采樣頻率等特定，成為了我們發(fā)展超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的首選。此外，我們還將這些數(shù)字化儀卡應(yīng)用于室內(nèi)聲音的非線性聲學(xué)測(cè)量，其高采樣頻率有助于捕獲我們遇到的陡峭波形。

楊百翰大學(xué)的實(shí)驗(yàn)在混響室中產(chǎn)生了高振幅的聲音焦點(diǎn)。TR信號(hào)處理方法專注于研究通過(guò)向前和向后而遠(yuǎn)程放置的信號(hào)源所產(chǎn)生的聲波。在前步過(guò)程中，可獲得源和接收器的脈沖響應(yīng)(或頻域傳遞函數(shù))。此后，脈沖響應(yīng)會(huì)及時(shí)反轉(zhuǎn)。如果需要，還能夠進(jìn)行其他的處理。在后步中，反向脈沖響應(yīng)從源向外發(fā)散，在接收器位置實(shí)現(xiàn)聲音聚焦。

為了獲得高焦距振幅，楊百翰大學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置由8個(gè)帶有喇叭的同軸壓縮驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍上限為175 dB的GRAS自由場(chǎng)傳聲器，以及用于測(cè)量的前置放大器組成。

實(shí)驗(yàn)所使用的信號(hào)產(chǎn)生于MATLAB，通過(guò)2個(gè)四通道的Spectrum M2i.6022-exp 20MS/s任意波形發(fā)生器輸出。Spectrum任意波形發(fā)生器輸出了兩個(gè)四通道的CROWN/皇冠 CT4150放大器。

傳聲器信號(hào)采集是通過(guò)一個(gè)采樣率為50kHZ的四通道M2i.4931-exp 16位數(shù)字化儀卡完成。

根據(jù)楊百翰大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，為了生成最大振幅的聚焦聲音，最佳的脈沖響應(yīng)修正方法是通過(guò)切割標(biāo)志法的技術(shù)獲得。該實(shí)驗(yàn)最終所獲得的最佳切割闕值能夠達(dá)到9.05 kPa (高峰173.1 dB )。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的在低振幅下和經(jīng)過(guò)適當(dāng)縮放所獲得的最高振幅結(jié)果，充分證明了在高振幅的情況下TR聚焦是一個(gè)非線性過(guò)程。

波聚焦的能力為眾多領(lǐng)域的發(fā)展提供了無(wú)限可能，如通信、超聲、無(wú)損檢測(cè)(NDT)、醫(yī)學(xué)和音頻。舉例來(lái)說(shuō)，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，聚焦超聲可用于治療腎結(jié)石或腦腫瘤。在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域TR處理被用于定位和判斷固體物質(zhì)中的缺陷。此外，它還能被用于無(wú)損檢測(cè)評(píng)估所使用的高振幅超聲聚焦非接觸源。