背景

聚焦波的能力為許多領域提供了有趣的可能性，通信、超聲、無損檢測 (NDT)、醫學和音頻。例如，在生物醫學應用中，聚焦超聲可用于治療腎結石或靶向腦腫瘤的碎石手術。同樣在 NDT 中，TR 過程已被用于幫助定位和表征固體材料中的缺陷。此外，它還可用于為用于無損評估的非接觸源創建高振幅超聲波聚焦。

圖 1 顯示了帶有八個喇叭揚聲器和一個位于混響室內的麥克風的實驗裝置。

虹科

解決方案

聚焦波的一種方法是時間反轉 (TR) 信號處理。該技術可用于使用遠程放置的信號源進行有意的波聚焦。美國楊百翰大學物理與天文學系聲學研究小組正在進行一項研究，即使用 TR 技術聚焦房間內的高振幅聲音。目的是創建一個具有足夠強度的虛擬球面波源，以便研究非線性聲學傳播。

TR 信號處理方法使用前向和后向步驟聚焦來自遠程源的聲波。在前向步驟中，獲得源和接收器的脈沖響應（或頻域中的傳遞函數）。然后脈沖響應會及時反轉，可以應用額外的處理。在后退步驟中，從源廣播反向脈沖響應，并在接收器位置實現聲音聚焦。

在楊百翰大學，一個高振幅的聲音焦點是在混響室中產生的。TR 將波聚焦到選定位置，從各個方向會聚以產生焦點，然后從該位置發散。因此，TR 聚焦后波的發散可被視為虛擬源。

為了實現高焦振幅，設計了一個實驗裝置，該裝置由八個 BMS 4590 同軸壓縮驅動器組成，驅動器上裝有喇叭。一個帶有 26AC GRAS 前置放大器的 0.3175 厘米（1/8 英寸）375 40DP GRAS 自由場麥克風用于測量。該麥克風的指定動態范圍上限為 175 dB（178 dB 峰值或 15.9 kPa），精度為 ±1 dB。12AA GRAS 麥克風電源用于為麥克風供電。

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

用于實驗的信號在 MATLAB 中創建，并通過兩個 4 通道虹科 M2i.6022-exp 任意波形發生器 (AWG) 卡輸出。虹科板卡的輸出由兩個 4 通道 Crown CT4150 放大器放大，然后通過接線板通過 Speakon 電纜路由到混響室，然后到喇叭驅動器。

來自麥克風和 GRAS 前置放大器的信號采集是使用一個 4 通道虹科 M2i.4931-exp 數字化儀完成的。使用 50 kHz 的采樣頻率，數字化儀具有 16 位精度。

楊百翰大學副教授 Brian Anderson 指出：“我研究了多種不同類型的生成卡和采集卡，并確定 虹科Spectrum 為我們感興趣的超聲波頻率范圍提供了最具成本效益的解決方案。多通道、同步生成和采集以及高采樣率的特點，是我們開發超聲波無損評估技術的理想選擇。我們還使用這些板卡對場景內的聲音進行非線性聲學測量，在這些場景中，高采樣頻率使我們能夠表征我們遇到的陡峭波形。”

圖 1 顯示了高振幅聚焦實驗設置的全景照片。

結論

該大學的研究發現，要產生最高振幅的聲音焦點，最好的脈沖響應修正方法是通過使用一種稱為削波法的技術來實現的。通過在混響室中由虹科AWG 驅動的八個揚聲器源，實現了 9.05 kPa（173.1 dB 峰值）的最佳限幅閾值。

圖 3顯示了使用不同輸入幅度時 TR 聚焦的非線性特性的結果

在較低振幅下進行并適當縮放至最高振幅結果的實驗提供了在這些高振幅下 TR 聚焦是非線性過程的證據。圖 3 顯示了一些結果，其中 3a)：繪制了具有四個不同輸入幅度的整個焦點信號的縮放聲壓級頻譜，3b)：頻譜差異（減去 1 級頻譜），3c)：每個焦點信號之前的部分頻譜聚焦時間，從時間0到 10.4 s ；3d)：從 1 級光譜中減去相同的光譜部分。

結果表明，壓縮幅度隨著聚焦幅度的增加而非線性增加，而稀疏幅度隨著聚焦幅度的增加而非線性減小。線性縮放的聚焦信號的頻譜中低頻能量的減少和高頻能量的增加，以及在聚焦之前觀察到的線性縮放，表明觀察到的失真是由于依賴于振幅的波陡化效應。

虹科

測試測量事業部

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