相控阵超声检测DDF优化方法的研究

针对超声相控阵线性阵列在动态深度聚焦(DDF)扫查过程中,发射声场影响深度方向上检测灵敏度的问题,提出一种利用阵列探头相控延时原理形成多焦点聚焦声场的方法,改变发射声场声束轴线方向上的声压分布,改善DDF扫查中深度方向上检测灵敏度的均匀性,实现DDF检测的优化。介绍动态深度聚焦的原理和应用,分析改善深度方向上检测灵敏度均匀性的必要性;阐述多焦点聚焦发射声场的方法;利用声学理论和Matlab工具对线性阵列聚焦声场进行仿真,说明该方法对发射声场声束轴线声压分布均匀性的改善,通过DDF扫查实验验证该方法能够有效地改善深度方向上检测灵敏度的均匀性。     

基于相位聚焦的驻波声场悬浮与运输方法研究

高频驻波声场中声波入射波与反射波非线性叠加作用下会产生声辐射力,从而实现微小物体的悬浮.使用幅值调制或频率调制改变悬浮位置存在空间上限制,且运输平稳性较差.在换能器阵列形成声场中,使用相位调制可以实现定点聚焦与物体平稳运输.基于超声驻波悬浮原理,详细分析了单驻波、平面驻波、空间驻波声场声压、相位分布情况,并基于聚焦原理使用相位调制的方法实现对声场的定点聚焦、聚苯乙烯小球悬浮与运输.结果表明：单驻波声场可通过双向相位调制方法实现小球稳定运输；在横向相位差为π的情况下使用PLL多时钟信号可实现多方向、不同速度的同时运输；空间阵列驻波声场通过定点聚焦声压提高了83%,且通过连续改变焦点位置实现了小球直线运输.     

MATLAB&VC++混合编程在HIFU声场仿真中的应用

针对广泛应用于超声医疗的HIFU(高强聚焦超声)换能器,利用MATLAB与VC++的接口技术,混合编程设计实现了具有一定通用性质的HIFU声场仿真软件.可利用此软件对具有不同设计参数的HIFU换能器进行声场的声压分布仿真、-3dB焦域仿真等,具有直观的三维图形输出,并可方便地进行设计参数与声场形态之间关系地分析.充分利用了MATLAB与VC++各自的优点,使两者优势互补,成功实现了一界面友好,实用高效的虚拟实验测试平台.     

MATLAB＆VC＋＋混合编程在HIFU声场仿真中的应用

针对广泛应用于超声医疗的HIFU（高强聚焦超声）换能器，利用MATLAB与VC＋＋的接15／技术，混合编程设计实现了具有一定通用性质的HIFU声场仿真软件。可利用此软件对具有不同设计参数的HIFU换能器进行声场的声压分布仿真、-3dB焦域仿真等，具有直观的三维图形输出，井可方便地进行设计参数与声场形态之间关系地分析。充分利用了MATLAB与VC＋＋各自的优点，使两者优势互补，成功实现了一界面友好，实用高效的虚拟实验测试平台。     

小孔径扩散焊质量检测用超声换能器的研制

为了提高超声成像系统的分辨率,研制了用于检测双金属转子复合层扩散焊连接质量的超声换能器.论文提出了用声程相等的概念来设计超声传感器的聚焦,详细介绍了其制作工艺,并利用数字动态光弹仪器对超声换能器的聚焦声场进行了验证.制作的换能器中心频率为10 MHz,波列只有两个周期,在实际的检测中可分辨0.5 mm当量的缺陷.     

基于超声相控阵的环焊缝缺陷检测方法研究

针对传统超声探头焦距固定,检测位置的改变就要更换相应焦距的探头而影响检测效率的问题,提出一种基于超声相控阵换能器的环焊缝缺陷检测方法;而超声相控阵具有电子偏转和电子聚焦特性,能在不移动的情况下发射偏转聚焦超声束,有效地解决了上述问题;首先基于超声相控线阵换能器的声场特点,采用数值分析方法,研究了影响声束偏转聚焦性能的几个主要参数;然后给出了与超声相控阵换能器相连接的多通道数据采集系统结构;介绍了单通道声信号的硬件结构及相应的信号处理方法,实现了对换能器中单个阵元的精确延时的控制;实验结果表明,优化设计的超声相控线阵换能器具有较高的检测精度和检测效率。     

凹球面换能器在多层生物组织中的温度场仿真

高强度聚焦超声(HIFU)治疗肿瘤是目前临床治疗的一种有效方法,治疗过程中组织内的温度测量相当重要。分析了凹球面自聚焦换能器的声场特点,采用差分法求解Pennes方程,得到凹球面换能器的声场在多层生物组织中形成的温度场,通过实验仿真,得出不同初始声压、吸收系数和热传导率等参数在多层组织内的声场和温度场的分布情况,结果表明初始声压和热传导率对焦域内温升的影响较大,该研究便于理论与临床应用相结合。     

多元高斯声束模型相控阵超声传感器声场仿真

由于高斯函数积分的简单性,利用扩展多元高斯声束模型对矩形相控线阵超声传感器偏转聚焦时的辐射声场进行了理论计算,并在一种介质中与更精确的瑞利积分进行了分析和对比,在偏转角度不是很大的情况下,计算结果非常符合。利用该方法计算了传感器安装在契块上时固体试件中的声场分布,并在入射角大于10°(折射角大于20°)时,对结果进行了修正,使声场计算的偏转范围增大,进一步丰富了高斯叠加方法的适用范围。     

聚焦超声在脱气水声场中的多泡分布与声致发光研究

为明确多泡空化在高强度聚焦超声（High intensity focused ultrasound,HIFU）治疗中焦前区、焦后区的副作用,进一步优化HIFU治疗,本文在不同声强下利用高速摄像系统与数字相机拍摄聚焦超声在脱气水声场中的多泡及多泡声致发光（Multi-bubble sonoluminescence,MBSL）的空间分布,通过被动空化检测（Passive cavitation detection,PCD）技术和光电倍增管（Photomultiplier tube,PMT）系统检测多泡空化特征及声场整体发光强度。研究表明：当声强较低时（如3 047 W/cm²）,气泡以驻波场模式分布;随着声强的提高,焦点处出现向焦后方生长的气泡群,3~6 MHz宽带噪声增幅明显,同时MBSL最先出现在焦前区,并向换能器表面扩大,声场整体发光强度与声强成正比;当声强足够高时（如21 328 W/cm²）,焦点处空化泡群剧烈坍缩的同时可见椭球形光斑,嘶嘶声不断,气泡的聚集大大降低了声场的相对发光强度。     

用布拉格光纤光栅对聚焦超声场的检测

采用一种简单而有效的光纤光栅透射法传感系统检测聚焦超声场参数,从理论上证明并分析了该系统检测的信号.实验采用直探头与光纤光栅在焦点处的频率响应进行对比.用光栅检测出了液浸式聚焦换能器在焦平面上的声场剖面图,实验结果说明了输入换能器电压与光栅检测输出信号的线性关系.这种解调方法检测超声波动态范围宽,应变解析率高,高速.     

聚焦换能器的研制和在超声特征成像中的应用

为了提高对层状复合金属材料缺陷的成像分辨率,需要用高灵敏度的聚焦换能器.针对我们研制的(F-San)全自动超声特征成像系统,用钛酸铅做压电晶片,不同颗粒度的钨粉做声透镜和背衬的主要材料,研制了主频为10～20MHz宽带窄脉冲聚焦换能器,并用光学法拍摄了主频为10MHz的换能器的超声波声场在水中的聚焦过程及焦斑大小.在对层状复合金属材料检测时,缺陷的成像分辨率达0.5 mm.     

声透镜聚焦相控阵换能器的波束特性研究

聚焦声透镜可以使平面换能器获得与球面自聚焦换能器几乎一样的聚焦效果,但对于平面阵列换能器而言,能否利用聚焦声透镜来增强相控聚焦的效果尚待研究。首先基于声透镜聚焦阵列换能器的几何结构,并利用数值计算和有限元仿真的方法,获得了相控条件下声透镜聚焦阵列换能器的辐射声场。其次,利用FPGA相控发射系统激励32(8×4)阵元声透镜聚焦阵列换能器,并采用探针水听器扫描法,获得了各偏转条件下换能器的相控辐射声场,测试结果与仿真计算的结果基本一致。理论计算与实验结果都表明,利用聚焦声透镜可以使平面阵列换能器获得较好的聚焦波束,在一定范围内主瓣可有效偏转、旁瓣较小;但超出该范围则会出现旁瓣变强、散焦等问题。从加工工艺、制造成本方面考虑,声透镜聚焦阵列换能器可以用于小范围内的无损检测,以及人体的局部超声治疗。     

基于图像处理的超声探头声场测量

在超声无损探测中,探头的性能好坏直接制约着整个检测系统的性能.论文以超声探头的声场特性为研究对象:首先建立探头的声场特性参数体系,然后采用球靶法进行C扫描成像,接着对声场图像进行预处理及二值化、边缘检测及特征提取,获得探头的近场长度、孔径大小和声束半扩散角等性能参数,根据实际检测的声场参数来指导超声无损检测.最后通过实...     

尺寸和发射频率对换能器声场影响仿真分析

在实际探伤过程的研究中,超声换能器的尺寸和发射频率,对辐射声场分布及指向性特征直接影响探伤效果,正确选择换能器具有重要意义.为了正确进行探伤并保证效果,对尺寸及发射频率对换能器辐射声场的影响进行分析.对超声波声场进行仿真的难点在于数学模型的建立,以往给出的数学模型有很多缺陷,无法给出整个换能器辐射声场的解析表达式.采用的高斯声束模型克服了以往方法的缺陷,能够以简单的解析表达式描述整个换能器辐射声场,并在Matlab中仿真了不同尺寸和不同发射频率的圆形活塞换能器的辐射声场,可正确地分析尺寸及发射频率,为换能器辐射声场的设计提供依据.     

多焦点超声相控阵在双层媒质中声场仿真

提出了一种可对双层媒质进行声聚焦的控制方法。通过预先设定目标区域内焦点处的声压,利用遗传算法求解相控阵的驱动向量。利用声场快速算法对12×12二维相控阵在双层生物媒质中的多焦点声场模式进行仿真。结果表明遗传算法能优化多焦点模式的声场增益,声强能最大限度地聚焦在目标区域内。     

基于超声相控阵的飞机蒙皮检测技术研究

根据飞机蒙皮的结构特性及飞机的工作环境,分析了飞机蒙皮中常见的缺陷及损伤类型,对其相关的无损检测技术进行了研究。通过对几种常见的检测方法优劣性的分析,提出一种基于超声相控阵技术的飞机蒙皮检测方法,并对相控阵换能器的辐射声场进行计算仿真,分析了检测中的声场特性。最后,对飞机蒙皮试块进行检测试验,验证了超声相控阵技术在新型复合材料检测中的优势,应用于飞机蒙皮的检测有较好的发展前景。     

阵列超声场的信号采集与处理系统

介绍了一种新型的基于计算机和数字示波器的阵列超声场的信号采集和处理系统。系统利用Windows平台,采用VC、VB和Matlab编程方法,采集信号并进行信号处理,从而为相控阵聚焦声场的研究提供了很好的试验平台。利用提出的系统,可对样品中的缺陷进行无损检测。     

高斯声束模型系数对声场模拟精度的影响

在高斯声束模拟超声场的研究中,高斯系数作为声场计算的一个重要指标,对声场模拟精度具有直接的影响.选取合适的高斯系数对提高模拟声场的准确度有着重要的意义.利用声场计算中的误差作为目标函数,通过遗传算法优化高斯系数的取值,并与瑞利积分模拟轴线声场进行对比,分析了高斯系数的个数及取值对声场的影响.在此基础上,又通过缩小误差范围来重新界定系数的选取,实现了系数的进一步的优化重构.采用优化后的系数可以得到更加准确的模拟声场,同时为利用高斯展开法来计算介质中辐射声场的分布提供了更优的高斯系数因子.     

等值面抽取技术在超声探头声场模拟中的应用

为了更好地研究超声波声场,提出了以等值面方式来表现超声探头的声场分布;运用并改进了经典的MC（Marching Cubes）算法得出了圆盘和矩形两种超声探头声源的三维声场等值面描述.实验表明改进后的算法能获得较好的效果.     

线形超声相控阵换能器的阵列设计

超声相控阵检测技术是利用脉冲反射法对被检构件中是否存在缺陷(如裂纹、夹杂、气孔等)进行无损检测,阵列换能器是该检测技术中实现电-声转换的传感器件,其声场特性是能否获得并有效利用被检测部位或区域回波信息的决定因素,也是设计换能器阵的主要依据。从平面矩形活塞阵元的辐射声场出发,利用简便算法对阵元辐射声场、一维线阵辐射声场进行了仿真模拟,分析了影响阵列换能器性能的几个主要因素,提供了阵列换能器的设计思路,并对采用相控阵超声换能器与常规超声换能器探测人工缺陷时的扫查波形进行了比较。