基于标准尺寸微球运动图像的声场测量方法研究

叶建东 范宗尉 吴玉光

摘 要：为了解决水环境下微小空间内声场难以测量问题，提出了一种基于标准尺寸微球运动图像的声场测量方法。首先根据水环境下声场中标准尺寸微球的受力特性建立运动模型，然后根据标准尺寸微球运动图像对微球运动情况进行分析得到运动参数，最后结合运动模型反求出标准尺寸微球在声场中各处所受超声辐射力的分布。实验结果表明，该测量方法能较好地解决声场测量问题，具有较高的实用性。

关键词：超声辐射力;近壁面;声场测量;标准尺寸微球运动模型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.071

2.2 实验方案设计

为了最大程度地实现声场测量，必须对镜头视野内的整个区域内各处微球所受的超声辐射力进行检测。在图1所示的坐标系中，以X轴正向方向为起始运动方向，在圆周方向上沿着逆时针方向以30°角为增量，进行12组数据采样，从而实现全方位覆盖式测量。同时采用来回反复两次运动测量，即使标准尺寸微球按照指定方向运动出去后，再使其按原路返回到初始平衡位置。保证每组所采集的数据位置信息相对位移不变。具体为：首先合成声场稳定俘获标准尺寸微球，并使其处于相机视野中心位置;然后控制的合成声场，使微球按照指定方向运动;接着使微球按原路返回到初始平衡位置;最后改变角度，重复进行实验，直到完成12组实验采样。

得到微球运动图像之后，使用Tracker软件对图像进行处理得到微球的运动数据，并根据理论推导公式求出其在各处所受的超声辐射力，进而得出声场的分布。

3 实验结果及分析

根据实验方案进行实验，拍摄得到12组微球运动图像。下面图像为微球沿着与X轴成60°、-60°方向运动过程的图像，具体如图4，5所示。

根据得到的微球运动图像完成实验数据处理后，得到的结果是有限采样点集合。为更直观的表现声场的空间分布，采用空间平滑滤波器对超声辐射力分布图进行插补，在三维图中显示超声辐射力的分布。

从图6可以看出，声场中超声辐射力分布基本符合理论仿真分布趋势，但在有些方向上分布不规则，这是可能是实验过程中如信号不稳定、换能器之间存在差异、水中存在气泡等其他因素引起，而且实验数据在处理过程中也会产生一定的误差。

4 结束语

本文在分析水环境中标准尺寸微球受力特性的基础上，建立水环境中标准尺寸微球的运动学模型，并利用机器视觉技术实现对水环境中微球运动的识别，确定其相关的运动参数，从而根据实测的运动参数反求出微球所受超声辐射力，实现了声场测量。同时，完成了检测实验系统的开发，开展了实验研究，证实了所研发技术的可行性与有效性。

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作者简介：叶建东（1992-），男，浙江文成人，硕士研究生，主要研究方向：微纳操纵。