基于近场声全息的聚焦换能器声场测量方法研究

高强度聚焦超声(HIFU)被广泛应用于医疗领域,但聚焦换能器焦点处的声强比较大,直接测量容易造成水听器损坏。为了间接获得焦点处声压,将全息测量面近似等效为声源面,结合空间傅里叶变换算法,提出了一种高测量效率的聚焦换能器声场测量方法。以球面自聚焦换能器为对象,进行声场测量方法的仿真研究和实验验证。结果表明,该方法比积分法推算效率提高了1倍,测量误差保持在有效范围内,该方法可以有效用于聚焦换能器声场测量。     

基于近场测量法的水声换能器声场重建方法研究

为了提高对水声换能器声场分析的效率,开展了基于近场测量法的水声换能器的声场重建方法研究,首先将水声换能器的全息测量面近似为等效声源面,通过积分得到声场重建模型,然后利用自主研发的水下声场测量系统获得发射换能器全息测量面的复声压,实现对其声场的重建,最后比较不同全息测量面的重建结果和实测数据,并分析全息测量面的位置对重建结果的误差影响,得到了重建方法的有效测量区间。该声场重建方法可快速得到水声换能器的声场分布,并且准确可靠。     

一种高频换能器的声场推算方法

以二维空间Rayleigh积分和二维平面声压构建技术作为理论基础,提出了一种高频换能器的声场推算方法。为验证该方法的正确性,对由4个压电元件所构成、频率1.8 MHz的矩形活塞换能器的声场进行实验测试和推算,以获得距换能器不同距离处的声压分布。在50 cm处,实测结果推算的最大误差为8.25%。在保证准确性的前提下,该方法有效提高了高频换能器的声场测量效率。     

以少量传感器实时测量空间对称动态场任意多点场强的方法及其应用

探讨了以少数量的传感器实现实时测量空间对称动态场任意多点场强的方法,结合某蝙蝠发声声场强度分布测量系统的设计,介绍了该方法在此测量系统中的应用,并给出了实验测量结果。结果表明该测量方法与传统测量方法效果相当,且对于瞬态声场的测量,该方法相对于传统阵列法可节省大量传感器,降低成本。     

聚焦换能器焦域声场扫描路径规划及测量

聚焦换能器的焦域声压扫描是其声学特性计量的重要步骤,而传统的扫描路径测量效率较低,提出基于聚焦声场分布特征的扫描路径规划方法。首先给出了实验方案和原理,分析了聚焦换能器声场的焦域声场特性,然后对聚焦换能器进行有限元仿真分析,获得焦域声场的声压分布,根据声场同心圆分布特性,以焦点处为0 dB声压级,获得不同声压级对应区域作为水听器扫描特征区域。最后,搭建了实验系统,实验结果表明,-6 dB的焦域长度和宽度等参数均与理论值、传统机械测量机构的测量值一致,保证了测量精度并且有效提高了测量效率。     

线阵相控换能器阵列参数对聚焦性能的影响分析

针对超声相控阵检测中广泛使用的一维线阵换能器,通过建立其声场数学模型和引入指向性函数,仿真分析了阵列参数对声束聚焦性能的影响,提出了改善换能器声场性能的措施。最后对优化参数的阵列换能器声场进行实验测试,测试结果表明其具有良好的声束聚焦性能,为超声相控阵缺陷检测中换能器的选择提供了参考。     

基于波叠加方法的水下声源辐射声场预报及实验研究

根据基于波叠加方法的声全息技术研究了水下声源的辐射声场预报问题,通过水听器阵列测得的复声压预报三维空间声场的声特性。数值仿真分析了一有限长圆柱壳模型在不同频率力激励作用下的声场预报精度,发现测量阵列尺寸与结构尺寸相近即可准确预测声场。水池和湖上实验分别对柱形换能器声源和加肋双层圆柱壳受激辐射声场进行了预测并和实测值进行了对比,结果表明该方法是一种稳健有效的声场预报方法。不同频率下,二者误差一般在3dB以内,能够满足工程需要。为实际水下大型结构的空间声场预报和降噪性能预估提供了工程参考。     

超声换能器声场特性的可视化定量研究

利用可视化定量研究技术,在已建立的高精度扫描系统的基础上,利用高频水听器法对平面活塞换能器声场进行了三维可视化,并对某平面活塞换能器所产生声场的波束直径、探头有效直径等参数进行了定量测量。实验结果表明,实现的声场可视化系统能够直观、真实地反映换能器的声场分布,测量所得到的声场与理论计算的声场分布吻合很好,能够为超声换能器及设备的评价提供可靠的手段。     

1-3型压电复合材料壳式聚焦换能器的研究

为解决压电陶瓷聚焦换能器阻抗高、带宽窄,电声转换效率低等问题,采用新型的1-3型压电复合材料作为聚焦超声换能器材料,设计并制作了一种新型的1-3压电复合材料壳式聚焦换能器。通过对新型换能器的频率特性,电声转换效率研究后和当前应用的PZT壳式聚焦换能器进行对比,证明了1-3型压电复合材料壳式聚焦换能器的阻抗较低,相对带宽达61%,是PZT压电陶瓷壳式聚焦换能器的3.39倍,以及较高的电声转换效率η为54%,是PZT压电陶瓷壳式聚焦换能器的1.68倍。将换能器实际声场检测结果与Matlab声场仿真结果进行对比研究,得出换能器具有较好的声场特性及聚焦效果。为高性能的聚焦换能器的实现提供了理论及实验基础。     

基于激光全息法的聚焦换能器近场声特性分析

研究了基于激光全息法的低频聚焦换能器近场测量方法,分析了利用激光全息法测量近声场特性时的基本原理,构建了一套实验测量系统。为验证该方法的可行性与准确性,利用激光测振仪对1个由25个压电小柱按5×5排布构成,频率为80kHz且表面带有自聚焦声透镜的聚焦换能器的声场进行实验测试和推算,获得了距离该换能器辐射凹面中心50mm处振动膜片上的声压幅度和相位分布,推算出此聚焦换能器声轴线上的声压分布与焦点处声压分布,同时使用COMSOL模型仿真与水听器测试,对比验证了激光全息近场测量后远场外推结果的高准确性。     

均匀活塞阵辐射声场研究

主要研究了均匀活塞阵的近-远场的辐射声场。首先利用点源声波干涉原理建立均匀点源活塞阵的辐射声场理论,进而推导均匀活塞阵的近-远场的辐射声场函数表达式,并采用Matlab软件仿真了近-远场的辐射声场,分析了近-远场的声场变化规律、声轴方向声压的变化规律和旁瓣级的变化规律。通过与实测的80 kHz均匀活塞阵换能器近-远场的辐射声场对比,表明了实测结果与仿真结果基本一致,验证了理论与测量方法的可行性,能够为实际测量工作提供指导。     

基于等效源法插值的声场重放方法

声场重放旨在保留声音内容与声场空间特性,创造或再现一个真实的空间声学环境.一套在真实"听音室"实现的声场重放听音系统,需要对扬声器阵列的声传递函数进行多次测量,这个过程繁琐且耗时.文章提出一种等效源法插值重放方法,在传声器采样率较低的情况下,实现了扬声器阵列声传递函数在整个目标重放空间内的插值.对比传统的声压匹配法,所...     

利用源强分布声辐射模态识别噪声源

为了解决噪声源识别中存在的识别精度不高、分辨率受限、对测量条件要求高等问题,提出了基于源强声辐射模态的噪声源识别方法。该方法首先计算结构的源强声辐射模态矩阵和声场分布模态矩阵,然后利用声场中测得的声压数据向量与结构声场分布模态矩阵的关系求出声辐射模态展开系数向量,最后通过声辐射模态矩阵和声辐射模态展开系数向量的积就可得到结构的源强分布,从而达到对噪声源识别的目的。该方法利用较少的测量点可以获得较高分辨率和识别精度。通过平板振动仿真和音箱实验验证了该方法对平面结构噪声源识别的有效性。     

基元控制的方式优化自聚焦换能器聚焦声场的研究

根据HY2900聚焦超声治疗系统聚焦换能器采用6基元自聚焦方式的特点,通过对6基元聚焦换能器排序及数量的控制,达到了避让特定部位的目的。采用亥姆霍兹-基尔霍夫积分计算并用HY2900声场测量软件测量换能器在脱气水中声场的分布。对6基元换能器排序进行定义,结合水听器控制基元数及排序。在对换能器基元全驱动,关闭1、6基元,关闭1、2、6基元,关闭1、3、5基元的四种状况下测量聚焦换能器途径声场及焦平面声场分布。研究发现焦点上10 mm声场分布平面直接反映换能器基元数及随排序的改变换能器聚焦声途径的变化,可通过对换能器基元排序及数量的控制,优化其途径声场分布。     

基于声辐射模态的声场重建中的测点优化方法

少测点条件下,利用声辐射模态理论重建声场时,测点布置方式是决定声场重建精度的一个关键因素。为求得最佳测点布置方式,提出了一种基于声辐射模态的最优测点选择方法,即基于声辐射模态矩阵的奇异值分解,采用循环迭代的方式,逐次去除对其最小奇异值最敏感的测点,从而得到了一组使重建方程条件数最小的测点。实验结果表明,利用文中提出的最优测点选择方法布置测点,能够对声场进行有效的重建,重建效果优于均匀布置方式,显著提高了声场重建精度。     

基于圆环阵列的声场仿真及校准实验

针对圆环阵列中声波多途效应难以消除的问题,提出了采用不等间距圆环阵列的方法破坏声波各径的相干性来降低旁瓣性能,减少边缘衍射反射的干扰。通过仿真验证不等间距圆环阵列能够有效降低聚焦波束旁瓣,并根据仿真结果设计最佳环形阵列结构。最后,在实验水池中对圆环阵列进行声场校准实验,分别利用脉冲波与连续波在4～8kHz频率下激励换能器阵列工作,结果表明采用脉冲正弦信号激励的方法可在有限空间内准确测量换能器的轴向声压的特性。