稀疏超声相控阵声场特性的仿真及优化

设计发射阵列与接收阵列上下交错排列的稀疏阵列,可有效消除栅瓣和抑制旁瓣.针对稀疏超声相控阵列的相位模糊问题,采用直径为16mm的压电超声探头,利用活塞式振动和远声场近似,得到了相控阵的阵列因子和方向图,对不同阵元尺寸、间距、数目等参数的相控阵声场特性进行了仿真及优化.优化后的阵列比单列阵列结构更加紧凑,方向图旁瓣得到有效抑制,横向分辨率达到4.09°,扫描范围由30.扩大到50..设计的稀疏超声相控阵列优化特性可用于空气中的障碍检测.     

基于DSP和FPGA的超声相控阵信号收发卡设计

超声相控阵收发卡在超声发射时产生具有特定延迟的一组信号激发超声换能器上的各个阵元,产生可控的空间超声波声场;信号接收时进行多路回声信号的处理,通过多波束合成算法对超声声场进行空间滤波处理得到具有空间指向性的回波信号,基于DSP和FPGA设计了相控阵信号收发卡,可进行8路信号的接收和发射控制,配合外部多路D/A、A/D卡可对8阵元超声相控阵换能器进行激发和接收控制.     

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。     

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。     

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。     

超声相控阵用于无损检测的一种新方法

基于超声相控阵技术的无损检测在工业上已经得到广泛应用,相控阵技术的最大优点就是能快速控制和聚焦阵列换能器发射的辐射声束,根据换能器参数设置的不同,辐射声束也会随之改变。所研究的超声相控阵检测系统,对实时信号进行高速采集,将全部22个晶片发射和接收的信号进行存储,并通过检测系统数据处理软件将所存储数据处理,改善了信噪比,提高了横向和纵向分辨率,完成了被检测处的B扫描成像。实验证明：检测系统在工业无损检测方面有较好的应用前景。     

空气耦合电容式微超声换能器线阵设计与测试

电容式微超声换能器(CMUT)作为一种新型的MEMS器件,在空气耦合无损检测领域具有较大的研究价值;设计了一种在空气介质中使用的电容式微超声换能器阵列,阵列由8个阵元组成,每个阵元包含16个CMUT敏感单元;介绍了CMUT换能器的原理和设计方法,利用FieldⅡ仿真了不同参数下的阵列指向性;对加工出的CMUT阵列进行了表面形貌测试和声学实验测试.实验结果表明:所加工的CMUT阵列满足设计要求,实验结果同仿真结果一致.     

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.     

基于压电复合材料的二维面阵超声换能器性能研究

采用锆钛酸铅陶瓷基环氧树脂1—3复合压电材料,制作了一种64(8×8)阵元二维面阵超声换能器,并对其进行性能研究.实验测试表明:二维面阵超声换能器一致性良好,回波带宽为40.8％,中心频率为5.0 MHz,与理论设计的3.5 MHz中心频率保持基本一致.对二维面阵超声换能器的声场进行仿真模拟和表征,验证了该超声换能器产...     

超声相控阵缺陷检测聚焦技术仿真分析

采用有限元方法对超声相控阵缺陷检测技术进行分析.首先介绍了超声波波束聚焦、偏转的基本原理,然后使用COMSOL有限元分析软件以及Matlab仿真程序对超声相控阵缺陷检测技术进行建模,在该模型的基础上分析了超声相控阵延时聚焦技术的实现过程与方法.在仿真过程中,通过改变阵元参数,研究其对于超声相控阵缺陷检测信号的影响,并结合物理实验进行了验证.分析结果表明,超声相控阵的延时聚焦技术减小了发射波的波幅宽度,提高了缺陷点回波信号的幅值;基于延时聚焦技术的发射信号,其波束指向性图的主波瓣波束较窄,幅值较高,旁瓣幅值降低,提高了图像分辨率以及成像质量.     

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。     

分形理论在近表面缺陷超声A扫检测中的应用

针对超声相控阵无损检测(NDT)中近表面缺陷识别困难的问题,提出一种基于分形理论的近表面缺陷智能识别方法。运用基于线性插值的盒计数维数算法,计算140组超声A扫(A-Scan)信号的盒计数维数,并运用统计的方法详细分析其分布情况。实验结果表明超声A-scan信号具有分形特性,分形理论可应用于A-Scan信号分析;而且有无缺陷信号的盒维数分布区间差异明显,盒维数可作为A-Scan信号的特征识别近表面缺陷。在超声相控阵自动化检测中,运用分形理论能提高近表面缺陷的检出率,减少人为因素引起的漏检。     

聚乙烯管焊接接头相控阵超声检测的优化设计

在管道工程应用中,由于良好的耐腐蚀性和韧性,聚乙烯(PE)管与其他材料相比具有显着优势,已广泛地应用在核电、油气输送领域;PE管焊接过程中,焊接参数、人员操作和环境等因素会影响聚乙烯管道的焊接情况,可能致使焊接接头内部形成缺陷,影响管道安全运行,而相控阵超声检测技术能够实现聚乙烯管道焊接接头内部结构的无损检测及评估;因此开展PE管焊接接头的相控阵超声实际检测工作,研究了聚乙烯材料的声衰减规律及声频散效应,优化了焊接接头的超声相控阵检测工艺,基于CIVA仿真软件实现了聚乙烯管道相控阵超声检测的声场模拟和缺陷仿真,通过研究检测参数及声学参量变化对检测结果的影响,获得了PE管焊接接头的最优检测工艺;通过加工带有典型缺陷的聚乙烯热熔对接接头试样,对前期基于仿真结果设计的检测工艺以及针对焊接接头相控阵检测研发的楔形耦合组件进行可靠性测试和工艺试验;研究结果为PE管接头缺陷的超声相控阵检测提供了工艺设计的理论支持和可靠的研究方法。     

十字形二维稀疏混合MIMO相控阵雷达收发阵列设计

针对二维混合多输入多输出(MIMO)相控阵雷达发射子阵分割带来的自由度损失进而影响雷达系统参数估计性能的问题,提出一种基于十字阵的二维稀疏混合MIMO相控阵雷达收发阵列设计方法.首先,结合稀疏阵列-共轭嵌套阵对混合MIMO相控阵雷达的收发端进行稀疏设计;其次,对混合MIMO相控阵雷达产生的合阵进行做差处理,得到阵元位置差的差异阵列;最后,通过空间平滑处理进行波达方向估计.仿真实验表明,相较于传统的二维混合MIMO相控阵雷达,所提出方法仅利用两个互相垂直的一维线阵便可形成阵列的二维平面扩展,同时,在不增加阵元个数的前提下可有效扩展雷达阵列虚拟阵元数目,提高阵列的自由度以及波达方向估计性能.     

超声检测系统的建模研究

电声检测模型（EAM模型）是为研究超声无损检测系统建立的一种系统模型。该模型组合了超声检测系统各个环节的子模型,包括：超声波激励脉冲发射,检测信号接收,连接电缆,超声换能器,以及在被检测材料中的传播过程。利用该方法对海底管道内爬行器的超声部分的设计进行计算机仿真,可以对爬行器设计方案进行前期验证,优化设计。这种方法既能缩短设计周期,又节省大量费用,可以说EAM模型为分析超声检测系统提供了一种全新而有力的工具。     

一种可扩展式磁传感器阵列及应用

介绍了一种基于UGN3503U线性霍尔传感器的磁传感器阵列,其测量区域可根据具体需要进行扩展,测量灵敏度及其外特性与UGN3503U基本一致。在将其制成传感模块的情况下,可以广泛用于在役长输管道、油罐等大型设备的漏磁探伤,由于测量面积和分辨力的提高,可以极大地减少信号处理通道数目,降低测量装置的复杂性,并提高测量系统的可靠性。     

Performance enhancement of a piezoelectric linear array transducer by half-concave geometric design

A geometric design for array elements of a piezoelectric linear array transducer is proposed and evaluated. The design concept is based on the half-concave geometry, in which the radiating surface is concave while the other surface remains plane. A ∼1.8 MHz piezoelectric linear array transducer with half-concave elements has been designed, fabricated and evaluated. A dicing method was developed to shape the concave surfaces of the piezo elements and matching layers. By comparing the transducer performance, a traditional linear array transducer with similar dimension has been fabricated. It was found that the half-concave array transducer has significantly broader −6 dB bandwidth (96%), higher effective electromechanical coupling coefficient (0.62), and lower insertion loss (−21 dB) compared to those (76%, 0.55, and −25 dB, respectively) of the plane array transducer. The enhanced coupling coefficient and bandwidth are caused by the broaden resonance of the elements, which is induced by the continuously varying thickness in the designed geometry. The increased sensitivity is mainly attributed to the focused radiating surface.