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

——通過時間反轉信號處理產(chǎn)生球面波虛擬源

美國楊百翰大學物理與天文系的聲學研究小組正在從事有關時間反轉(Time Reversal)信號處理方面的研究，用以聚焦房間內的高振幅波聲。時間反轉(TR)將來自不同方向的波聚焦于特定位置而產(chǎn)生一個球面波虛擬源，而后再通過這個位置發(fā)散出去。為了產(chǎn)生此類聲波并獲取準確的結果，楊百翰大學選擇了Spectrum儀器生產(chǎn)的任意波形發(fā)生器以及數(shù)字化儀卡作為其實驗器材。

楊百翰大學副教授Brian Anderson表示：“此前我研究和對比了不同類型的信號生成卡和采集卡，最終決定使用Spectrum儀器所提供的設備。Spectrum儀器的設備在超聲波頻率領域的表現(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)展超聲無損檢測技術的首選。此外，我們還將這些數(shù)字化儀卡應用于室內聲音的非線性聲學測量，其高采樣頻率有助于捕獲我們遇到的陡峭波形。

楊百翰大學的實驗在混響室中產(chǎn)生了高振幅的聲音焦點。TR信號處理方法專注于研究通過向前和向后而遠程放置的信號源所產(chǎn)生的聲波。在前步過程中，可獲得源和接收器的脈沖響應(或頻域傳遞函數(shù))。此后，脈沖響應會及時反轉。如果需要，還能夠進行其他的處理。在后步中，反向脈沖響應從源向外發(fā)散，在接收器位置實現(xiàn)聲音聚焦。

為了獲得高焦距振幅，楊百翰大學設計了一個實驗裝置。該裝置由8個帶有喇叭的同軸壓縮驅動器，一個動態(tài)范圍上限為175 dB的GRAS自由場傳聲器，以及用于測量的前置放大器組成。

實驗所使用的信號產(chǎn)生于MATLAB，通過2個四通道的Spectrum M2i.6022-exp 20MS/s任意波形發(fā)生器輸出。Spectrum任意波形發(fā)生器輸出了兩個四通道的CROWN/皇冠 CT4150放大器。

傳聲器信號采集是通過一個采樣率為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，最佳的脈沖響應修正方法是通過切割標志法的技術獲得。該實驗最終所獲得的最佳切割闕值能夠達到9.05 kPa (高峰173.1 dB )。

通過實驗得出的在低振幅下和經(jīng)過適當縮放所獲得的最高振幅結果，充分證明了在高振幅的情況下TR聚焦是一個非線性過程。

波聚焦的能力為眾多領域的發(fā)展提供了無限可能，如通信、超聲、無損檢測(NDT)、醫(yī)學和音頻。舉例來說，在生物醫(yī)學應用中，聚焦超聲可用于治療腎結石或腦腫瘤。在無損檢測領域TR處理被用于定位和判斷固體物質中的缺陷。此外，它還能被用于無損檢測評估所使用的高振幅超聲聚焦非接觸源。