基于空间脉冲响应的超声换能器声场研究

以空间脉冲响应为理论基础,建立了换能器空间声压模型,通过求任意时刻相交弧长对应圆心角的方法,计算了圆形和矩形换能器的脉冲响应函数,并仿真了其声轴线平面、横截面和声轴线的声压分布,通过与理论声压对比,仿真结果可以准确地反映换能器在空间辐射的声场。该方法对优化换能器设计参数和无损检测工艺、提高超声检测分辨率和可靠性有重要意义,也适用于其他形状换能器声场的计算。     

空气耦合超声换能器的频域声场研究

考虑介质的衰减及其引起的频散对频域声场的影响,提出幂函数衰减介质中圆形换能器声场的解析公式。基于该公式研究空气耦合超声换能器的轴向声压与径向声压分布特征。结果表明:空气中的衰减是引起声场变化的主要因素;相对于零衰减介质,空气中的声压幅度随着传播距离的增加而明显降低,近场长度明显减小,近场内轴向声压的零点、极大值点无偏移,径向声压分布和声束扩散角无变化。研究结果对于空气耦合换能器的设计、空气耦合声场的测量、校准具有重要参考价值,并可以作为ASTM E1065/E1065-14和IEC 62127标准的补充。     

空气耦合超声换能器声场计算与测量研究

利用空耦超声换能器发射孔径的空间脉冲响应计算平面换能器的声场分布特性.该方法基于线性声学理论的假设,利用孔径表面发射的球面脉冲波的叠加来获得空间中任意点的脉冲响应.由于空气介质中超声的吸收衰减对于声场分布影响较大,并且衰减随着频率的增大而增大,所以在频域计算中引入传播衰减函数,并通过与换能器激励脉冲的卷积获得该场点的声...     

夹心式压电超声换能器声场分析

对谐振频率为28.4 kHz的夹心式压电超声换能器声场进行仿真分析,研究空化气泡对声场分布及噪声的影响。以COMSOL软件压力声学接口为基础,对换能器进行瞬态分析,观察有无空化气泡时空间内的声压分布情况,对比两种情况下截点位置的声压变化曲线及频域分布曲线。通过试验对仿真结果进行验证,确认空化气泡的存在增强了空间中的声场,使水中最大声压值由8×104 Pa增大至2.5×105 Pa,空气中最大声压值由80 Pa增大至140 Pa。水中的高声压区集中在空化区域内,空化区域后方的声压减弱。与此同时,空化气泡使空气中的低频噪声增加,截点位置的声压幅值由原来的2 Pa增大至4 Pa。     

基于矩形换能器空间脉冲响应的相控阵声场研究

针对矩形换能器空间脉冲响应利用分割阵元叠加和近似方法求解,提出一种精确求解的新方法。根据矩形换能器的对称性将观察点转换到第四象限进行求解,该方法不需要远场或近轴近似,只需要坐标变换就可以得到任意长宽比的矩形换能器在不同空间点处的脉冲响应函数。通过控制各阵元的延时实现相控阵声束的偏转和聚焦,分析一维相控阵的聚焦法则,得到各阵元的延时时间;对各矩形阵元加延时控制后的空间脉冲响应叠加求和,得到相控阵聚焦时的空间脉冲响应,进而求得各空间点的声压。计算相控阵换能器在不同聚焦角度时的空间声压分布,讨论不同阵元间距对分辨力的影响。结果表明该方法可以快速准确地计算较大偏转范围内的相控阵声场。     

AlN超声换能器声场的仿真分析

超声换能器声场性能是换能器优劣的一个重要指标,对声场中的一系列理论进行了分析推导,分别对换能器声场进行频域和瞬态分析。频域分析中研究了声压、声压级随频率变化规律、油液区域中声场的分布、衰减的问题。瞬态分析中展示了声波在油液域的传播过程,对比了声信号在换能器两侧的传播,分析声波在各个反射界面的强度变化。结果与理论分析一致性较好,为后续利用设计制作换能器提供一定的依据。     

矩形超声换能器空间脉冲响应计算方法研究

空间脉冲响应模型是一种可以高速、精确地计算平面型超声换能器瞬态声场的方法,该方法不需要对平面型探头的表面进行离散化或近轴近似处理。首先将空间点投影到换能器平面内,将构建空间脉冲响应函数转化为计算以该投影点为圆心,与换能器相交的圆弧段的圆心角。由于矩形换能器包括4个顶点和4条边线,其几何形状与圆形换能器相比较为特殊,所以当投影点位于平面内的不同位置时,其计算方法也不相同。首先将探头所在平面进行分区,当投影点位于同一分区中时,其空间脉冲响应函数的计算方法相同;然后给出了当投影点位于各个分区中时的空间脉冲响应函数的计算过程,分析了矩形换能器尺寸的变化对分区的影响;最后,对一维超声相控阵探头的瞬态辐射声场进行了计算实验,并采用动态光弹方法对瞬态声场进行观测实验。实验结果表明,不同的换能器尺寸对计算过程及结果有显著影响,本文计算方法可以有效地实现矩形超声波探头在均匀单一介质中的瞬态声场仿真计算,有利于对平面矩形类超声换能器进行优化设计。     

基于电容式微机械超声换能器的脉冲回波接收电路设计

电容式微机械超声换能器(CMUT)是一种新型超声换能器,具有高带宽、易与前端放大电路集成等优点,CMUT通过输出微弱的变化电流实现超声波回波检测。根据CMUT工作在发射与接收模式的特点,设计了一种具有发射开关保护功能和跨阻放大器的脉冲回波接收电路。波特图测量表明该电路的最大增益为39 dB,-3 dB带宽为24.2 MHz,涵盖了医学与工业超声检测常用的频率范围。分别对5.8 MHz和9.4 MHz的CMUT进行脉冲回波实验测试,测试结果表明：在CMUT发射模式下,该电路能够防止高压发射脉冲损坏后级的跨阻放大器电路;在CMUT接收模式下,该电路能够有效地将微弱电流信号转化为电压信号并进行放大。因此该电路能够用于CMUT的脉冲回波信号处理。     

基于近声场的超声悬浮试验

针对非接触式悬浮传输装置的良好应用前景,设计可应用于此种场合的基于近场声的超声作动器.对该作动器的核心驱动部件——压电换能器进行了结构设计并加工制造出了换能器样机.利用PVS-300F型多谱勒激光测振仪对换能器样机进行模态试验,获得了相关的动态特性参数.利用该作动器进行悬浮能力试验,发现随着激励电压的增大,悬浮高度呈现非线性增加.作动器最大单位面积悬浮重量为12.53 g/cm2.将试验结果与声辐射压力的理论计算比较,发现两者具有相似的变化趋势.     

基于近场互谱法的医用聚焦超声场多参数检测

为实现医用聚焦超声场声学性能快速、准确检测,提出基于近场互谱测量技术的声参数检测方法。首先介绍了近场互谱法测量原理,实现聚焦声场的声压、声强、声功率检测;然后在COMSOL下建立聚焦换能器辐射声场有限元模型,分析其声场聚焦特性和传播形态,给出检测方案;最后,搭建了实验平台,验证了该方法的有效性和正确性。结果表明,通过聚焦声场的近场声源面预测焦域的声压分布,估算声功率,实现了对聚焦超声场的多个声性能参数检测,且具有较高的精度,有望应用于医用换能器的现场检测,有效监控医用聚焦超声设备的声性能,保证设备安全使用且满足治疗效果。     

基于热释电传感器的聚焦超声场声功率测量方法研究

为实现聚焦声场声功率的快速、精确测量,提出了基于PVDF热释电传感器的声功率测量方法。首先,基于热释电传感器声功率测量的原理建立了有限元模型,并围绕超声功率测量的影响因素开展了仿真分析;其次,搭建测试系统开展了声功率测量的方法研究。研究表明,该测量方法在声场焦区域和非声场焦区域都可以进行测量,且输出信号与辐射声功率呈线性关系,测量误差最大为8.2%,符合声学计量要求。通过实验与仿真对比分析,结果验证了该方法的可靠性和准确性。     

结构参数对超声波流量计水流特性影响的研究

超声波流量计应用于小管径时,在基表内部加装反射装置,延长声程,提高测量精度。反射装置对超声波流量计基表内水流特性影响较大,为了优化表内水流特性,本文针对U型反射的特点提出两种改进措施:反射柱上部削平部分和在此基础上加装导流片。利用SST K-ω模型,对3种基表内水流特性进行数值模拟,分析3种基表内流场分布、声道流速稳定性和压力损失。结果表明,反射柱上部削平部分没有改善流场分布,而在此基础上加装导流片流场明显得到改善,同时两者均增加了声道流速稳定性和减小了压力损失,但后者效果更为显著。     

小型深沟球轴承磨加工工艺的改进

通过对小型深沟球轴承磨加工工艺改进,使产品质量得到明显提高,满足摩托车发动机寿命的需要。     

基于同步挤压小波和脉冲压缩的钢轨踏面裂纹电磁超声表面波检测方法研究

钢轨踏面上的疲劳裂纹严重影响着列车行车安全。 针对如何快速有效地检测出踏面斜裂纹的问题,本文提出了一种快 速检测钢轨踏面裂纹的方法。 首先分别建立了含高斯白噪声、正弦信号加高斯白噪声干扰的数学模型,分析了编码脉冲压缩、 同步挤压小波变换和先同步挤压小波变换后脉冲压缩共 3 种信号处理方法的噪音抑制效果。 其次,为了验证上述方法对噪音 的抑制能力,使用激励频率为 1 MHz 的表面波电磁超声换能器对含裂纹的钢轨踏面进行检测。 最后,以检测得到裂纹的超声 回波为研究对象,比较了希尔伯特黄方法处理单一频率脉冲对应的超声回波信号和先同步挤压后脉冲压缩方法对应的降噪能 力和超声成像效果。 实验结果表明:本文所提方法可以获得钢轨踏面裂纹的位置信息及其数量。 希尔伯特黄变换在处理无同 步平均的原始超声回波时,由于回波信噪比低,经验模态分解(EMD)失效。 在以巴克码为激励信号且无同步平均采集的条件 下,先进行同步挤压小波变换后脉冲压缩处理,得到的超声回波信噪比相较于只采用相位编码脉冲压缩提高了 6. 82 dB,相比于 只做同步挤压小波变换提高了 11. 02 dB,能明显提升检测速度和 B 扫图像分辨率。     

超声波流量计中反射装置的声-固耦合分析

对超声波流量计中的反射装置进行有限元模拟计算,利用声-固耦合的方法将流体域内的声压和固体域中的结构变形联系起来。在流体域内求解Helmholtz方程,得到的声压作用于固体表面使得超声波反射装置受到载荷,而结构变形在固体边界的法向上产生结构化加速度。选取一款超声波流量计的反射装置并将其置于无限大空间中,通过一个球体对计算区域进行分割得到有限元计算区域,将超声波换能器简化为垂直入射计算区域的平面波。通过对硬边界、铝材料和不锈钢的模拟结果进行对比,分析3种情况下超声波传播过程中3条路径上的声压级变化,得出固体域的结构变形对超声波传播过程中声压分布产生影响;不锈钢材料宜作为反射装置的材料。     

基于脉冲压缩技术的金属锻件缺陷跑道线圈EMAT检测方法研究

针对电磁超声换能器(EMAT)在高温、大提离、表面粗糙等恶劣环境下对枝晶粗大的铸锻件进行快速、在线检测时,超声回波的信噪比低和空间分辨力差等难题,建立了基于chirp信号激励的跑道线圈EMAT检测过程的有限元模型,采用正交试验表,分析了EMAT设计参数、chirp信号带宽和脉宽等因素对检测回波脉冲压缩后的主瓣峰值和主瓣...     

基于场指纹法的金属管道小腐蚀坑的监测方法

FSM即场指纹法,是一种基于电位列阵的金属管道在线腐蚀监测的方法.该方法的核心在于将电极列阵分布在被测管道外部,利用电阻与管道厚度的关系,通过测量电极之间的电压来监测管道内壁的腐蚀情况.但是测量电极间的电压同时受腐蚀坑的面积和深度的影响,而一个电压值无法确定两个未知参数,故存在不可解问题.目前计算腐蚀坑的公式是将面积设定为固定值,由此得出的结果一般表现为坑的面积偏大而深度偏小,这也是当前FSM法最大的缺陷之一.在介绍FSM方法的基础上,针对传统FSM法对于小腐蚀坑的监测存在不可解问题,创新性地提出了一种综合利用主电压和辅电压来准确区分小腐蚀坑的面积和深度的方法.理论分析和实验表明,提出的主辅电压法可以大幅度提高小腐蚀坑的监测精度.