3. 解决方案
　　本文设计和开发以凌华科技PCI-9846高速数字化仪为信息采集中心，组合前置放大器与检测传感器，用LabVIEW开发***声场信号自动采集与分析系统，通过***的数据采集模块，将三维声场的声压数据实时显示和保存。设计、制作步进电机驱动的四轴精密工业机器人系统，开发自动控制与自动测量系统，实现超声场任意部位的立体***与数据采集之间的协调。开发声场测量数据的回放及多功能综合分析系统，可视化结果显示。实现超声换能器性能指标的快速准确地测量，并建立超声辐射场的建模仿真分析系统，以减轻测量人员的劳动强度，缩短计量检定的工作时间，提高超声换能器设计和使用的规范化，标准化和结果的可信度。
  
　　3.1 超声信号采集与分析
　　1）信号采集单元：超声信号采集以高速数据采集卡为中心，联合前置放大器与信号采集传感器，再经计算机平台的信号采集软件实现信号的采集。
　　在超声信号采集中，使用宽带灵敏度较好的水听器接收微伏级的电压信号，然后采用带通滤波选择采集的频率范围，再经前置放大器放大后进预处理，由高速数据采集卡A/D转换输入计算机中保存和显示。采集过程中，采样频率和带宽是重要指标。带宽一般是取频率谱的-3dB带宽，或者功率谱上的半功率点为信号带宽。超声信号采集的带宽直接影响整个设备的总分辨率，灵敏度和信噪比等。带宽范围大可以使接收到的信号频谱丰富，高频分量丢失小，波形失真小。在***超声设备中，要尽量利用超声发射和接收换能器带宽，提高分辨力，同时又具有较高灵敏度和信噪比，使发射和采集电路的带宽要大于超声换能器的带宽[4]。采集的信号频谱确定在5M以下。信号采集方案原理图见图3-1。

图3-1  超声信号自动采集方案原理框图

　　2）主要设备选型
　　高速数据采集卡采用凌华科技科技高速高分辨数字化仪PCI-9846H，它具有4通道16位高精度、40MS/s的采样率，具有低噪音及高动态范围性能，信号采集精度及密度高，可广泛应用与中频信号、雷达应用、光达应用、超声波信号以及无损伤检测方面。该数字化仪完全可以满足应用需求。
　　水听器选用海鹰ZS-500型针式水听器频率响应范围100K-5M。常用的超声信号采集传感器有PVDF薄膜型和针式水听器[5]，由于薄膜型水听器在空间分辨率低，而且存在边缘效应，受温度限制等特点，本研究测量方法是高密度逐点自动扫描法，因此选择针式水听器作为信号采集传感器，直径小于1mm，具有灵敏度高等特点。前置放大器选用鹏翔科技PXPA Ⅳ声信号采集放大器，该放大器带宽范围为15k-2M、低噪音增益40dB，完全可以满足超声信号采集的前置放大要求。
　　3）超声信号分析
　　对超声瞬态的时域信号进行频谱分析时，保证信号处理中不会发生失真。为了减弱有限采样长度的超声波信号造成“***”现象，可以通过加时间窗函数的方法，有效防止频谱混叠，还可以***噪声，提高频率识别能力。调节超声发射换能器和水听器的距离，保持换能器轴线和回波声束共轴；调整表面回波信号的采样频率和采样点数，经过模拟数字数据离散处理，对采样的点数进行FFT转换；根据测得的波形幅度数据，经处理后，画出负载的频率响应曲线；计算超声换能器的频率特性参数，如中心频率。测量声场的关键参数包括声压，声强和声焦域等，相应描述声场的基本形式主要有轴线声压曲线图，焦平面径向声压曲线图，焦平面声场。在声场测量中会生成海量的数据，需要利用可视化技术。该技术将复杂的计算和仿真结果用具体形象的图形方式表示，加深了对数据的理解和规律分析，提高了处理效率，可以分析试验过程的变化，LabVIEW可视化技术为复杂超声换能器的分析和设计提供了有力的工具[6]。