声学基阵波束性能仿真与分析

声学基阵的波束指向性函数具有统一的表达式,运用符号运算的方法,可得到任意阵型声学基阵的波束指向图.论文在仿真计算几类代表性阵型波束图的基础上,以柔性垂直阵为例进一步分析了工程实际中基阵的波束性能.在拉伸作用下和海流作用下基阵波束性能会发生变化,阵元间距与波长比可根据主旁瓣比及栅瓣控制要求进行限制,阵的配重可根据阵弯曲后波束性能的变化进行设计.     

四分之一波长间距阵抗拖船干扰研究

为改善拖曳线列阵声呐的尾向探测能力,降低拖船噪声对半波长间距阵尾向探测性能的制约,本文关注四分之一波长间距阵对连续波信号和带限噪声的响应。研究表明,四分之一波长间距阵具有非对称的端向指向性,与半波长间距阵相比有约20 d B的空间抑制能力,能有效抑制拖船辐射噪声干扰。本文还提出用零陷权组合传感器构成四分之一波长间距阵,理论上其抗拖船噪声干扰的效果比四分之一波长间距阵更好。     

等束宽最佳扫描线列阵

线列阵波束从法线方向向端射方向扫描时，基阵束宽bw逐渐增大，而同时使基阵加权逐渐变浅，加权对束宽增大的影响逐渐减小，适当选取加权系数可使基阵束宽在波束扫描时基本相等。文中计算并分析了楔比雪夫加权线阵旁瓣级－rs与波束展宽系数fbw相对方向性指数（DI－DI0）的关系，给出了等束宽64元楔比雪夫加权线列阵的计算结果，最后分析了线列阵相对阵元间隔d/γ变化对（DI－DI0）的影响。     

超指向性扬声器的阵列设计与研究

超指向性扬声器的阵列设计要求阵列具有高指向性,并且无旁瓣.基于对线列阵和矩形平面阵的理论分析,以及均匀线列阵和矩形交错阵的理论分析和比较,提出了一种六边形交错阵列设计,计算机模拟和实测均表明该阵列3dB波束宽度小于5°主旁瓣比为8.3,满足设计要求.初步分析了传感器相位对换能器阵列指向性的影响,为挑选换能器阵元组成阵列提供了理论指导.     

稀疏矢量阵设计的模拟退火算法

对于均匀间隔线列阵,由采样定理可知,当阵元间距超过信号波长的一半时,指向性图会产生与目标等高的栅瓣。为了获得高分辨率,同时避免栅瓣出现,需要大量的传感器。为了减少设备复杂度,可以采用稀疏布阵技术,以较少的阵元获得较高的分辨力。将模拟退火算法应用到稀疏矢量水听器阵的设计中。通过优化阵元位置控制指向性图,可以获得无栅瓣的指向性图。给出了优化后的稀疏矢量阵与均匀间隔矢量阵的指向性图比较。     

基于辐射阻分析的水声换能器基阵优化设计

针对互辐射阻对基阵的辐射功率的影响,计算了圆面活塞水声换能器及其基阵的辐射阻抗;分析了二元阵的互辐射阻特性,当阵元半径小于λ/2时,阵元间互辐射影响较强且呈现一定的规律性,当阵元半径大于λ/2时,阵元间互辐阻影响非常小,因此试图通过改善互辐射阻来提高辐射功率,阵元的半径应小于λ/2;在分析了二元阵、均匀线列阵和N×N均匀平面阵的互辐射阻特性基础上,对阵元半径小于λ/2的基阵布阵方式进行了优化设计,使其能获得较大的辐射功率。研究结果表明：阵元半径小于0.22λ时,密排方式最佳;阵元半径0.22λ〈a〈λ/2时,阵元间距为5λ/4布阵方式最佳。     

水声基阵波束图分析与优化设计软件

介绍西北工业大学开发的水声基阵波束分析与优化设计软件.该软件针对给定的基阵形式,可以设计期望的波束图,然后通过优化方法获得最优的波束形成权系数.同时软件还可以分析水声基阵的常规波束图和最优波束图,并计算波束图的主瓣宽度、旁瓣级、栅瓣位置、指向性指数等主要指标.软件中考虑的基阵形式主要有直线阵、圆阵、圆柱阵、平面阵、球阵、体积阵等.本软件的有效性通过波束优化设计与分析实例得到了验证.     

基于基阵特性提高声发射频次的方法研究

针对传统的多波束探测效率低等问题,提出了一种利用栅瓣来提高声发射频次的方法.在设计发射波束形成的基阵时,为了防止由于阵元间距过大产生栅瓣,通常采用密排阵的方式来规避栅瓣现象,但这样又会增加发射机的复杂程度.然而,栅瓣的存在也有其本身可以利用的价值.本文利用MATLAB对发射波束形成的方向图进行了仿真分析,总结了在不同基阵条件下主瓣和栅瓣的变化规律.介绍了利用线列阵同时向两个不同方向发射波束的方法,并利用加权法对阵列特性进行了优化.     

基于线性预测的虚拟阵元波束形成

常规波束形成方法在信号频率一定的情况下,为提高其分辨率,需要增大基阵孔径,这在实际工程运用中受到了一定的限制。文中提出了基于线性预测技术的虚拟阵元波束形成方法。该方法在有限尺度基阵的情况下,运用线性预测技术,根据已知阵元的接收数据,估计虚拟阵元上的接收数据,使基阵孔径在虚拟的意义上得到了扩大,从而实现了高指向性窄波束,提高了基阵的指向性指数。仿真实验表明了方法的有效性。     

非主轴宽带辐射噪声测量线列阵的性能仿真

对采用线列阵系统的水下大型结构的辐射噪声测量原理进行了讨论,分析了测量的要素,对非主轴方向上的目标辐射噪声测量进行了建模,给出了非主轴方向的宽带波束形成方法。通过计算机仿真,得到了主波束宽度、阵元数和阵增益之间的关系,并对计算机仿真结果进行了比较,该结果对浅海条件下的线列阵水下大型结构辐射噪声测量具有一定的指导意义。     

Evaluation of the radiation pattern of a split aperture linear phased array for high frequency imaging

Developing transducer arrays for high frequency medical imaging is complicated because of the extremely small size and spacing of the array elements. For example, a 50 MHz linear phased array requires a center-to-center spacing of only 15 mum (one-half wavelength in water) to avoid the formation of grating lobes in the radiation pattern of the array. Fabricating an array with these dimensions is difficult using conventional technology. A split aperture design that permits much larger element spacing (3 to 4 times) while avoiding the formation of grating lobes is described. The 3-D radiation pattern of a 1.9x1.4 mm, 50-MHz split aperture linear phased array with 33 transmit elements and 33 receive elements has been evaluated theoretically. The azimuthal beam width is 90 mum at a distance of 4.0 mm. Grating lobes are suppressed by at least 60 dB at distances >4.0 mm (~f/2). The elevation beam width is 220 mum at 4.0 mm, and a useful depth of field over the axial range from 4 to 10 mm is obtained.     

密排平面阵辐射声场分析

研究了声场分布计算射线声学和波动声学的基本理论,用解析法和声有限元-边界元法计算了平面阵辐射声场的指向性和波束宽度,分析了指向性和波束宽度随频率变化的规律。在消声水池中对研制出的密排平面九元阵的指向性和波束宽度进行了实验测量。测量结果表明,采用阵元第一谐振频率半波长布阵时频带内互辐射对指向性影响较小,在声波频率较高时,两种算法的计算值和实测值基本吻合,并且比较了两种算法计算声场指向性的适应范围和优缺点。     

Grating lobe elimination in steerable parametric loudspeaker

In the past two decades, the majority of research on the parametric loudspeaker has concentrated on the nonlinear modeling of acoustic propagation and pre-processing techniques to reduce nonlinear distortion in sound reproduction. There are, however, very few studies on directivity control of the parametric loudspeaker. In this paper, we propose an equivalent circular Gaussian source array that approximates the directivity characteristics of the linear ultrasonic transducer array. By using this approximation, the directivity of the sound beam from the parametric loudspeaker can be predicted by the product directivity principle. New theoretical results, which are verified through measurements, are presented to show the effectiveness of the delay-and-sum beamsteering structure for the parametric loudspeaker. Unlike the conventional loudspeaker array, where the spacing between array elements must be less than half the wavelength to avoid spatial aliasing, the parametric loudspeaker can take advantage of grating lobe elimination to extend the spacing of ultrasonic transducer array to more than 1.5 wavelengths in a typical application.     

密集型矩形阵列参数对激光Lamb波成像的影响分析

激光超声技术具有非接触、检测效率高等优点,在无损检测领域受到广泛关注;充分利用激光超声技术的高空间分辨率特性,结合密集型矩形阵列和激光Lamb波技术进行板中缺陷检测。采用连续小波变换对频带宽、时域分辨率低的激光Lamb波信号进行提取,得到特定频率下具有高时域分辨率的窄带信号;利用线性映射补偿技术消除所提取窄带信号中的频散,消除频散的信号用于缺陷成像;最后,结合幅值成像技术和符号相干因子成像技术对频散补偿后的信号进行处理,实现铝板中缺陷的成像和定位。在此基础上,进一步对不同的阵元数量和阵元间距对密集型矩形阵列指向性和缺陷成像质量的影响进行分析。当阵元数量为16,阵元间距为一个Lamb波波长时,主瓣宽度较窄且没有栅瓣出现,缺陷成像质量得到有效提高。     

二阶镶拼圆管矢量接收换能器研究

文章介绍了一种二阶镶拼圆管矢量接收换能器的设计方法，获得了类偶极子指向性以及波束宽度更为锐化的类四极子指向性。利用理论计算以及有限元仿真分析了镶拼圆管的指向性以及接收灵敏度，并实际制作了二阶镶拼圆管矢量接收换能器。在消声水池的测试表明，灵敏度测试结果与有限元仿真计算结果吻合较好，镶拼圆管矢量接收换能器类偶极子指向性图-3 dB波束宽度在95°左右，类四极子指向性图-3 dB波束宽度在40°左右，二阶矢量指向性图波束宽度明显比一阶矢量指向性图波束宽度更加锐化。     

Broad-bandwidth radiation patterns of sparse two-dimensionalvernier arrays

The fabrication of a dense (one-half wavelength element spacing) two-dimensional (2D) transducer array suitable for medical ultrasound imaging is unrealistic using existing technology. Consequently, there is interest in developing sparse 2D transducer arrays. In this paper, we present the results of a study looking at the broad-bandwidth radiation patterns of 72 different sparse 2D vernier arrays. Suppression of grating lobes is achieved by choosing a different arrangement of transmit and receive elements using an analogy with a vernier scale. The broad-bandwidth radiation patterns were investigated by simulating volumetric sector scan of a point target. We summarize these results by deriving a set of design curves that predicts the minimum number of elements, element spacing, and apodization required for a desired beam width and maximum secondary lobe. The results show that a sparse vernier array can be designed with significantly lower average and peak secondary lobes compared with a sparse random array with the same number of elements and aperture size     

Computationally efficient sound field calculations for a circular array transducer

A computationally efficient method is presented for calculating field pressure distributions from a circular phased array transducer. This method employs a form of the rectangular radiator approach modified for use with the geometry of a circular array. The curved surface of the elements, radiating either continuous wave or pulsed excitation signals, is divided into incremental rectangular areas small enough so that the Fraunhofer approximation can be applied. Once the directivity of a single element is found, the array beam pattern can be calculated using superposition and suitable coordinate transformations. The validity of this approach is verified through comparisons with experimental data from a circular phased array. The results show that the location and amplitude of the grating lobes and main lobe width can be predicted with reasonable accuracy by using this method.     

方板阶梯辐射体指向性研究

指向性是衡量辐射体声学性能的重要参数。同相弯曲振动方板阶梯辐射体具有辐射阻抗低、面积大等特点,可广泛应用于大功率气介质超声领域。分别从材料、几何尺寸两个方面对影响辐射体指向性的因素进行了研究。并以材料为钢,边长为50 mm,基底厚度为6 mm,阶梯厚度为10 mm的方板阶梯辐射体(Ⅱ~#)为例,利用有限元将辐射体划分为多个微元,提取各微元位移振幅,计算其指向性。计算结果表明,工作频率一定时,材料对辐射体的指向性没有影响;当辐射体边长与基底厚度的比值较小时,其指向性较尖锐。实验测试与理论计算结果相符,方板阶梯辐射体指向性图案有单一主瓣,其辐射主要集中在主轴方向,形成一个半开角宽度较小的锥形射线束。     

旁瓣约束方向不变恒定束宽波束自适应综合

将自适应加权方法应用于波束图的主瓣控制研究,提出了方向不变恒定束宽波束形成算法。在波束图旁瓣区域引入若干虚拟干扰源,自适应调整干扰强度,改变波束形状。以主瓣某一指向的波束宽度为参考,以每次迭代后波束图最低旁瓣峰值与主瓣峰值的差作为下次迭代运算的预设主旁瓣比,在保持主瓣区域宽度不变的情况下,用自适应综合的方法获得不同主瓣指向上的最低均匀旁瓣。将该算法应用于均匀线阵和半球面阵,均在±60°的范围内得到了方向不变恒定束宽波束。研究表明,该算法不仅适用于均匀线列阵,也可用于任意结构阵列。