一维线形超声相控阵换能器辐射声场研究

在相控阵超声工业无损检测中,超声换能器的声场分布直接决定着被检测区域的回波信息特征,从而影响检测结果。本文通过研究超声波在固体介质中的传播规律,建立了超声相控阵换能器在介质中辐射声场的数学模型,数值模拟了在一层、两层介质中相控阵换能器的辐射声场图,声场结果为更形象直观的了解声场变化和检测结果评估提供理论依据。     

线形宽带超声相控阵换能器的声场分析

讨论了一种计算矩形活塞阵元声场脉冲响应函数的简便算法,通过对不同延时量的矩形活塞阵元声场脉冲响应函数进行叠加,得到线形换能器阵列的脉冲响应函数;再施以宽带脉冲激励函数,得到线形换能器阵列的声场分布。比较了3种不同换能器的脉冲响应及声场分布,该法对工业无损检测领域超声成像用换能器参数优化具有重要意义。     

层状多界面的超声相控阵换能器声场研究

针对层状多界面粘接检测存在的难点,采用相控阵超声检测技术进行研究.建立了矩形换能器的辐射声场模型与声束聚焦偏转的时间延迟计算方法,实现了对声束的聚焦偏转控制.采用7 MHz的超声相控阵换能器仿真研究了多层介质中声场的特性,从仿真结果得出相控阵超声技术可用来检测层状多界面结构的多界面脱粘情况.     

基于四维切片图的相控阵超声辐射声场研究

声束聚焦是超声相控阵区别于常规超声检测方式的主要特点之一。该文研究了单源矩形换能器与一维线阵的辐射声场。在四维切片图的基础上详细分析了频率、阵元数和阵元间距对声束聚焦时焦斑和焦深的影响,进而分析了对检测分辨力和声压值的影响,换能器参数的优化结果对于相控阵探头的优化设计具有一定的参考价值。     

一种超声相控阵大焦域聚焦的设计方法

本文提出一种实现超声相控阵换能器大焦域声场的方法。这种方法就是通过多次正向—逆向变换计算出相控阵换能器各阵元的激励向量。仿真结果表明：此方法能准确地控制169阵元相控阵换能器的声场模式,能得到比较满意的单焦点大焦域声场分布。     

平凹柱面换能器线阵声场研究

提出了一种用平凹柱面换能器作为阵元的新型一维超声线阵.将平凹柱面换能器线形排列构成线阵,建立阵元及线阵的声场分布的数值模型,对其声场分布受线阵参数的影响和对线阵声束的控制进行了研究,并对其声场进行了数值模拟.研究表明,可用平凹柱面换能器作为阵元构成线阵,线阵的指向性在阵元的长度方向上受阵元长度影响,在宽度方向上可通过调节线阵的参数实现,线阵声场在对阵元不加相控的情况下表现出聚焦特性,且其声束辐射方向及其焦点位置可通过阵元激励相位进行控制.在对检测深度变化较小的情况下,这种线阵可用来进行无损检测.     

基于MATLAB的超声换能器声场可视化软件开发

对超声换能器的声场进行数值计算是当前研究的热点,在分析超声换能器声场模型的基础上,用MATLAB的GUI工具箱对声场进行可视化设计。通过输入换能器参数和介质参数,可以可视化地得到不同情况下的声场分布图,该软件可用于优化检测工艺,也可以指导探头设计。     

螺旋结构相控聚焦超声换能器的研究进展

影响相控聚焦超声换能器声场特性的因素很多,其中重要的一项是阵元的排布方式.目前临床治疗用相控聚焦超声换能器的阵元排布主要使用非螺旋方式,这类排布方式在控制栅瓣水平和提高焦点能量方面很难两全.螺旋相控阵是近年发展起来的新相控阵排布方式,其在控制旁瓣水平的同时提高焦点的能量,具有比普通相控阵更多优点.该文着重研究了几种螺旋...     

阵元失效对超声阵列换能器的影响及优化研究

超声阵列换能器单个或多个阵元的振动效率、几何尺寸等参数的改变,会影响整个阵列的声场分布等性能参数,降低超声检测的分辨率及相应的检测效果.基于阵列换能器声压分布理论,利用自适应算法,从阵元激励的角度,探讨阵列超声换能器阵元激励的优化方法,消除阵元失效的影响.研究结果表明,利用声场分布空间中有限数量的优化参考点,经过对激励参数的优化,可以使有阵元失效阵列的整个声场分布、指向性及聚焦特性等性能指标与标准无阵元失效阵列的基本一致,达到期望的标准声场分布的参数指标,大大降低超声检测设备的应用成本,提高检测效果.     

超声相控阵技术中的声场仿真

从单个矩形压电晶片的辐射声场表达式出发,定性分析了主要因素对声压强度及指向性的影响,提出了最小化主瓣及抑制栅瓣的具体方法。以16晶片相控阵探头为例,推导了叠加声场的表达式,分析了合成声压与焦点和换能器距离的关系。仿真并讨论相控阵探头晶片单元个数、晶片间距等因素对合成声束质量的影响,仿真结果与理论分析相吻合,为矩形相控阵探头声场评价及高性能相控阵探头的制作提供了参考。     

超声相控阵输出声场优化及仿真

为使超声相控阵在输出平面上的声压输出达到较好的分布模式,本研究通过预先设定相控阵输出面上的声压分布形态,然后利用迭代算法来求解超声相控阵驱动向量,最终实现了超声相控阵在输出平面上声压输出的有效控制,并通过计算机仿真对这种算法进行了验证。     

曲面超声换能器近声场指向性研究

通过结合物理声学原理推导出曲面结构及其等效动态相控阵列超声换能器所形成的近声场分布,并利用数学软件对超声近场声压进行近似数值仿真。通过分析比较各声场指向性的仿真结果表明,在给定的工作频率和介质条件下,对比于平面结构,二维半圆球壳的曲面压电晶片或等效相控阵元阵列结构的超声换能器在近声场可实现高强度聚焦,同时近声场焦点处的横向/纵向分辨率都达到最佳,旁瓣/栅瓣抑制也达到最大。最后给出了在曲面阵列优化设计方面一些有价值的规律。     

二维稀疏相控阵声场优化及阵元故障影响分析

针对二维稀疏超声相控阵声场分布中的栅瓣和旁瓣问题,推导了二维稀疏超声相控阵的指向性公式,并利用发射阵列和接收阵列交错分布的方式消除栅瓣及抑制旁瓣,从而优化声场特性,优化后横向和侧向扫描范围由30°扩大到60°。建立了优化后阵列声场指向性与损坏阵元位置的函数关系式。声场指向性仿真结果表明,距阵列中心越近的阵元损坏时旁瓣升高越多,单个阵元损坏导致一级旁瓣最多升高20dB,主瓣下降约6dB,且与损坏阵元位置无关;相同位置的发射阵列和接收阵列阵元同时损坏时,对声场特性影响达到最大。     

Modeling Wavefronts from Acoustic Phased Arrays by Computer

A computer simulator is described which allows the study in the near field of acoustic pressure waves generated by a linear phased array excited with short pulses. The simulator provides two-dimensional (2-D) and three-dimensional (3-D) representations of acoustic wavefronts and receiver sensitivity patterns generated by a pulsed phased array. Using the computer simulator, several phased arrays are studied to investigate transient effects in an area covering the near field of the corresponding unfocused arrays. Weak and strong focusing are compared. An algorithm for the optimal quantization of time delays, acoustic beampatterns and the structure of sidelobes and grating lobes are analyzed.     

熔覆层厚度对相控阵表面波聚焦特性的影响

超声表面波是检测激光熔覆层质量的重要手段,为提高检测分辨率,采用可达到声束聚焦效果的相控阵表面波对激光熔覆层进行检测。建立了单探头与相控阵表面波传播的有限元模型,基于Fermat原理研究超声波传播路径并分析了阵元延时特性,实现了相控阵表面波的聚焦和偏转,研究了熔覆层厚度对相控阵表面波聚焦特性的影响。结果表明,对于基体材料为铝,熔覆层材料为45#钢时,熔覆层厚度在2.5 mm内,聚焦点的能量随厚度增加而减小,如1 mm厚相对于0.2 mm厚的聚焦点能量减小了58.8%;当厚度大于2 mm时,聚焦点处能量变化不明显,表明超声相控阵表面波对薄的熔覆层具有较好的检测效果。     

基于FPGA的超声相控阵发射系统设计

为使水声成像系统小型化,首创性地提出了将相控阵技术和水下超声成像技术结合在一起,设计了一种基于FPGA的超声相控阵发射系统。对相控聚焦的发射原理进行了分析,利用FPGA的内部逻辑资源和丰富的I/O引脚实现了六通道超声相控阵发射,为有效激励压电换能器设计了信号调理电路对激励信号进行D/A转换及放大。通过实验测试表明,该系统可以实现超声信号的相控发射,相控延时精度达到2.5ns,发射信号稳定,系统集成度高,为水下超声成像提供了一种新的途径,具有较强的应用价值。     

基于线性相控阵的金属损伤定量监测仿真研究

基于超声相控阵的偏转理论,研究了阵元间隔、阵元数目和偏转角度对合成波束指向性的影响,最终确定了线性相控阵的模型参数。进一步采用线性相控阵偏转波束对金属板中裂纹型损伤进行监测,实现了裂纹中心位置、裂纹空间方向和裂纹长度的准确监测,且其监测结果的相对误差均在5%以内。仿真监测结果表明,线性相控阵可对金属板损伤进行准确定量监测。     

检测发动机叶片的相控阵超声换能器设计

相控阵超声检测技术能够为发动机叶片表面裂纹的检测提供方法。设计并制作了满足检测要求的带有楔块的相控阵超声换能器,该换能器包含阵元和楔块,其中阵元为线阵,个数为32,中心频率为5MHz,阵元宽度为0.3mm,阵元间距为0.1mm;楔块与叶片的表面完全耦合。采用有限元法对相控阵超声换能器和楔块的设计理论进行可行性验证。同时,构建相控阵超声检测系统,对叶片试样进行检测试验,试验结果表明,设计的带楔块的线阵换能器能实现对试样表面裂纹缺陷的检测。