【虹科案例】虹科数字化仪在声波的高振幅时间反转聚焦中的应用

背景

聚焦波的能力为许多领域提供了有趣的可能性，通信、超声、无损检测 (NDT)、医学和音频。例如，在生物医学应用中，聚焦超声可用于治疗肾结石或靶向脑肿瘤的碎石手术。同样在 NDT 中，TR 过程已被用于帮助定位和表征固体材料中的缺陷。此外，它还可用于为用于无损评估的非接触源创建高振幅超声波聚焦。

图 1 显示了带有八个喇叭扬声器和一个位于混响室内的麦克风的实验装置。

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解决方案

聚焦波的一种方法是时间反转 (TR) 信号处理。该技术可用于使用远程放置的信号源进行有意的波聚焦。美国杨百翰大学物理与天文学系声学研究小组正在进行一项研究，即使用 TR 技术聚焦房间内的高振幅声音。目的是创建一个具有足够强度的虚拟球面波源，以便研究非线性声学传播。

TR 信号处理方法使用前向和后向步骤聚焦来自远程源的声波。在前向步骤中，获得源和接收器的脉冲响应（或频域中的传递函数）。然后脉冲响应会及时反转，可以应用额外的处理。在后退步骤中，从源广播反向脉冲响应，并在接收器位置实现声音聚焦。

在杨百翰大学，一个高振幅的声音焦点是在混响室中产生的。TR 将波聚焦到选定位置，从各个方向会聚以产生焦点，然后从该位置发散。因此，TR 聚焦后波的发散可被视为虚拟源。

为了实现高焦振幅，设计了一个实验装置，该装置由八个 BMS 4590 同轴压缩驱动器组成，驱动器上装有喇叭。一个带有 26AC GRAS 前置放大器的 0.3175 厘米（1/8 英寸）375 40DP GRAS 自由场麦克风用于测量。该麦克风的指定动态范围上限为 175 dB（178 dB 峰值或 15.9 kPa），精度为 ±1 dB。12AA GRAS 麦克风电源用于为麦克风供电。

图2：虹科 M2i.6022-exp，输出速率 20 MS/s -125 MS/s。

用于实验的信号在 MATLAB 中创建，并通过两个 4 通道虹科 M2i.6022-exp 任意波形发生器 (AWG) 卡输出。虹科板卡的输出由两个 4 通道 Crown CT4150 放大器放大，然后通过接线板通过 Speakon 电缆路由到混响室，然后到喇叭驱动器。

来自麦克风和 GRAS 前置放大器的信号采集是使用一个 4 通道虹科 M2i.4931-exp 数字化仪完成的。使用 50 kHz 的采样频率，数字化仪具有 16 位精度。

杨百翰大学副教授 Brian Anderson 指出：“我研究了多种不同类型的生成卡和采集卡，并确定 虹科Spectrum 为我们感兴趣的超声波频率范围提供了最具成本效益的解决方案。多通道、同步生成和采集以及高采样率的特点，是我们开发超声波无损评估技术的理想选择。我们还使用这些板卡对场景内的声音进行非线性声学测量，在这些场景中，高采样频率使我们能够表征我们遇到的陡峭波形。”

图 1 显示了高振幅聚焦实验设置的全景照片。

结论

该大学的研究发现，要产生最高振幅的声音焦点，最好的脉冲响应修正方法是通过使用一种称为削波法的技术来实现的。通过在混响室中由虹科AWG 驱动的八个扬声器源，实现了 9.05 kPa（173.1 dB 峰值）的最佳限幅阈值。

图 3显示了使用不同输入幅度时 TR 聚焦的非线性特性的结果

在较低振幅下进行并适当缩放至最高振幅结果的实验提供了在这些高振幅下 TR 聚焦是非线性过程的证据。图 3 显示了一些结果，其中 3a)：绘制了具有四个不同输入幅度的整个焦点信号的缩放声压级频谱，3b)：频谱差异（减去 1 级频谱），3c)：每个焦点信号之前的部分频谱聚焦时间，从时间0到 10.4 s ；3d)：从 1 级光谱中减去相同的光谱部分。

结果表明，压缩幅度随着聚焦幅度的增加而非线性增加，而稀疏幅度随着聚焦幅度的增加而非线性减小。线性缩放的聚焦信号的频谱中低频能量的减少和高频能量的增加，以及在聚焦之前观察到的线性缩放，表明观察到的失真是由于依赖于振幅的波陡化效应。

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