Spectrum仪器数字化仪和任意波形发生器在杨百翰大学声波研究中的应用

——通过时间反转信号处理产生球面波虚拟源

美国杨百翰大学物理与天文系的声学研究小组正在从事有关时间反转(Time Reversal)信号处理方面的研究，用以聚焦房间内的高振幅波声。时间反转(TR)将来自不同方向的波聚焦于特定位置而产生一个球面波虚拟源，而后再通过这个位置发散出去。为了产生此类声波并获取准确的结果，杨百翰大学选择了Spectrum仪器生产的任意波形发生器以及数字化仪卡作为其实验器材。

杨百翰大学副教授Brian Anderson表示：“此前我研究和对比了不同类型的信号生成卡和采集卡，最终决定使用Spectrum仪器所提供的设备。Spectrum仪器的设备在超声波频率领域的表现卓越，且兼具成本效益。其产品具有多通道、同步生成和采集、高采样频率等特定，成为了我们发展超声无损检测技术的首选。此外，我们还将这些数字化仪卡应用于室内声音的非线性声学测量，其高采样频率有助于捕获我们遇到的陡峭波形。

杨百翰大学的实验在混响室中产生了高振幅的声音焦点。TR信号处理方法专注于研究通过向前和向后而远程放置的信号源所产生的声波。在前步过程中，可获得源和接收器的脉冲响应(或频域传递函数)。此后，脉冲响应会及时反转。如果需要，还能够进行其他的处理。在后步中，反向脉冲响应从源向外发散，在接收器位置实现声音聚焦。

为了获得高焦距振幅，杨百翰大学设计了一个实验装置。该装置由8个带有喇叭的同轴压缩驱动器，一个动态范围上限为175 dB的GRAS自由场传声器，以及用于测量的前置放大器组成。

实验所使用的信号产生于MATLAB，通过2个四通道的Spectrum M2i.6022-exp 20MS/s任意波形发生器输出。Spectrum任意波形发生器输出了两个四通道的CROWN/皇冠 CT4150放大器。

传声器信号采集是通过一个采样率为50kHZ的四通道M2i.4931-exp 16位数字化仪卡完成。

根据杨百翰大学的研究发现，为了生成最大振幅的聚焦声音，最佳的脉冲响应修正方法是通过切割标志法的技术获得。该实验最终所获得的最佳切割阙值能够达到9.05 kPa (高峰173.1 dB )。

通过实验得出的在低振幅下和经过适当缩放所获得的最高振幅结果，充分证明了在高振幅的情况下TR聚焦是一个非线性过程。

波聚焦的能力为众多领域的发展提供了无限可能，如通信、超声、无损检测(NDT)、医学和音频。举例来说，在生物医学应用中，聚焦超声可用于治疗肾结石或脑肿瘤。在无损检测领域TR处理被用于定位和判断固体物质中的缺陷。此外，它还能被用于无损检测评估所使用的高振幅超声聚焦非接触源。