相位共轭方法的声源定位分辨率研究

相位共轭方法可实现声波的反向传播和自适应聚焦,可用于声源定位。基于有限阵元平面阵列和球面阵列使用数值方法对相位共轭方法的定位分辨率进行了研究,研究了相位共轭阵列的形式及阵列与声源间距和声源定位分辨率的关系,还研究了在声源处设置声汇对噪声源定位分辨率的影响。数值结果表明:只有在近场测量声压梯度并使用偶极子源的相位共轭才能突破声波衍射极限分辨率;平面阵列距离点声源的距离越远分辨率越低,闭合球面阵列的分辨率不随阵列距离点声源距离的改变而改变;使用声汇后基于非近场测量也能突破声波衍射极限分辨率。     

阵列形式和界面条件对相位共轭阵列聚焦特性的影响

相位共轭阵列可以基于声压测量或质点速度测量使用单极子源或偶极子源在近场或非近场来进行时间反转,海面和海底等反射界面对相位共轭阵列的聚焦特性有影响。采用有限阵元平面阵列使用数值方法研究了5种不同相位共轭阵列的聚焦特性。结果表明：只有在测量距离小于1/5波长,基于声压梯度测量并使用偶极子源的相位共轭阵列才能突破声波衍射极限分辨率。还研究了界面条件对相位共轭阵列聚焦特性的影响,结果表明：界面反射条件对聚焦分辨率影响不大,只是增大了聚焦的强度,界面反射系数的绝对值越大,相位共轭声场的声压幅值越大;当阵列测量距离在声源的近场时,界面对阵列聚焦特性的影响非常小;当阵列测量距离较近时,刚性界面对声压幅值的影响大于自由界面的影响,但自由界面的影响随着阵列与声源距离的增大而增大,当测量距离较远时,自由界面的影响已远大于刚性界面的影响;随着界面与阵列和声源的距离的增大,界面对聚焦特性的影响越来越小。     

波束形成三维传声器阵列声源识别的改进方法

采用具有倾角的轮型阵列能消除平面阵列对其后方背景声源无抑制能力的缺点,降低对测试环境的要求。通过仿真计算获得了三维轮型传声器阵列波束形成指向图及典型最大旁瓣水平随阵列倾角的变化曲线,分析了阵列倾角对其声源识别性能的影响。在此基础上,提出了阵列多倾角测量声级平均的声源识别改进方法,三种类型声场声源识别的模拟计算结果表明：该方法在准确计算目标声源位置和幅值的同时,相比于一定倾角阵列的单次测量结果可以更有效地同时衰减阵列前方声波和背后背景噪声在聚焦方向上产生的旁瓣干扰,显著地提高了声源识别精度。     

航空发动机风扇管道径向声模态模拟与识别技术

针对航空发动机风扇管道径向声模态模拟与测试问题,研究了径向声模态模拟技术以及径向声模态识别技术。采用基于径向排布的声源阵列形式,调节阵列预设的各扬声器幅值及相位实现径向模态声源模拟。建立声源管道下游多圈环形阵列,根据阵列位置信息构造求解模态的传递函数矩阵,运用Tikhonov正则化方法减小传递函数矩阵的条件数,从而实现径向声模态识别能力。通过理论推导和数值计算,设计风扇管道径向声模态试验装置,并在消声室进行试验验证。通过试验验证了该系统具备周向4阶以内,径向2阶以内的径向声模态模拟与识别能力。     

统计最优柱面近场声全息识别声发射源研究

植物在受到病害胁迫时会发出声发射信号。通过声发射信号的采集,以统计最优柱面近场声全息技术为理论依据,进行植物的声源信号识别和声场分析。对单声源和多声源分别进行了仿真分析,通过不断修改全息柱面半径、重建柱面半径和测量点间距等参数,探索获得最佳重建效果的参数范围,同时探讨了窗函数对重建效果的影响。将基于统计最优算法的柱面近场声全息与基于空间傅里叶变换算法的柱面近场声全息进行了比较,仿真结果表明,单声源时基于空间傅里叶变换技术计算的重建面声压幅值相对误差均在10dB以下,而统计最优柱面声全息技术计算的重建面声压幅值相对误差均在15dB以下,多声源时基于空间傅里叶变换技术计算的重建面声压幅值相对误差基本在2dB左右,而统计最优柱面声全息技术计算的重建面声压幅值相对误差在26dB以下,充分表明了统计最优柱面声全息技术的优越性。     

利用声压幅值相关性识别声源特性研究

基于相位信息识别声源的传统方法在测量声信号前需要进行严格的相位匹配,对测量设备要求较高。通过对延时求和波束形成算法作形式上的转化,说明其运算机制是利用声压信号相位进行相关诊断,进一步研究提出利用声信号幅值识别声源的方法。将传声器阵列测得的声压幅值组成声压幅值向量,与虚拟点声源声压幅值向量做内积,搜索内积模的最大值,根据柯西-施瓦兹不等式定理确定声源位置。建立相应的识别步骤,对球面波声源进行仿真识别,并比较本方法与波束形成方法的识别特性的差异,且进行相应的实验验证。结果表明,本方法能有效识别出简谐波声源,且拥有良好的抗噪能力,可消除波束形成法识别高频声源时出现的“鬼影”现象;当传声器阵列存在误差时,比波束形成法有更准确的识别结果。     

泛沦线性声源阵列扬声器系统与应用（2）

3 线性声源阵列扬声器系统声辐射的基本特性 3．1关于柱面波特性的声辐射与频域的关系 线性声源阵列扬声器基于模拟柱面波辐射波形特性,与传统音箱声能辐射基于点声源类似球面波形特性是有很大区别的。     

阵列形式及阵元失效对统计最优近场声全息重建结果的影响分析

为探究阵列形式以及阵元失效两种阵列因素对声场重建结果的影响,基于统计最优近场声全息(Statistically Optimal Near-field Acoustical Holography,SONAH)理论,仿真计算了网格阵列、圆形阵列、均布非规则阵列的声场重建结果。得出:网格阵列和均布非规则阵列都能准确识别声源位置,圆形阵列不能用于SONAH声场重建;模拟研究了典型失效模式下阵元失效产生的影响,结果表明:阵元失效后在失效点处会出现伪声源,其大小与失效点和声源距离有关。由此给出并分析了阵元失效的补偿方法,基于该方法对典型失效模式进行了算例仿真并分析计算了重建误差限,结果显示:采用该方法能消除伪声源,较好地识别声源位置。从而验证了该方法的有效性,为实际工程测量提供了指导与借鉴。     

浅海目标辐射噪声测量中声聚焦现象引起的误差分析及修正

研究了浅海近距离声聚焦特性及其对目标辐射噪声测量的影响和修正方法。利用基于射线理论的虚源法,建立了典型声源和复合声源的声场计算模型,通过具体算例分析了声聚焦引起的测量误差,将单点测量模型和阵列多点测量模型进行对比,并进行湖上试验验证,结果表明阵列多点测量模型能有效的对信道空间传递函数平滑,为如何减小声聚焦对目标辐射噪声测量的影响提供了依据,有助于实际工程测量的数据分析和测量精度的提高。     

气液混输管道段塞流泄漏声波产生机理研究EI北大核心CSCD

气液混输管道的泄漏检测问题是油气混输管道安全运行的重要保障,段塞流是常见流型,同时也是研究难度最大的流型。为研究气液混输管道段塞流型下泄漏声波信号产生的机理,基于Fluent动网格以及UDF模拟泄漏发生的全过程,从气动声学与涡声理论出发分析泄漏全过程的流场、涡量以及声压变化,并与试验采集的声波信号与模拟信号进行类比,得到泄漏过程声波产生的机理。研究结果表明,气液混输管道段塞流泄漏后声波幅值增大,泄漏声源以偶极子声源为主;管道持续泄漏时,声源声压幅值随气塞与液塞交替到达泄漏口而呈周期性脉动;气液混输管道泄漏声压与总压波动趋势一致,可通过测量流体压力波动的方式获得泄漏声源产生的声波波动。泄漏孔径、气液流量是段塞流型下气液混输管道声波波动的主要影响因素。动网格仿真模拟与试验结合的方法可用于研究气液混输管道段塞流泄漏声波产生的机理。     

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。     

治疗超声系统中换能器声学性能的声全息法评估

换能器的聚焦特性等声学性能是治疗超声系统的重要参数之一,在出厂前和日常维护中须精确测量。目前常用的水听器测量法结果准确,但受声压幅度及测量效率的限制,高功率量程的声功率计造价较高;而基于声全息的表面振动模式测量法可作为高声压下水听器和声功率计测量法的补充,测量小声压平面并对高幅度声压焦域进行重建。为评估声全息法的准确性,文章研究了在小声压下使用基于声全息的表面振动模式测量法对声场进行测量和重建,分析该方法与水听器测量结果之间的功率和声压误差,以及影响误差的重要参数。结果表明,基于声全息的表面振动模式测量法可重建得到与水听器直接测量相近的结果,有望对高声压下工作的换能器的声场特性进行评估。     

Calibration of a focusing transducer and miniature hydrophone as well as acoustic power measurement based on free-field reciprocity in a spherically focused wave field

The free-field transmitting voltage response at the pressure focus of a spherically focusing transducer was defined and calibrated based on the reciprocity theorem of a free-field spherically focused acoustic wave. The acoustic power, the radiation conductance, and the pressure at the pressure focus were derived and measured accordingly from the transmitting current response on the imaginary mirror symmetric spherical surface of the radiating surface. A miniature hydrophone was calibrated by the self-reciprocity of the spherically focusing source. Comparison results show that the measured acoustic power deviation between the reciprocity method and the radiation force balance method are within +/- 5% for two air-backed focusing transducers at 1.53 MHz and 5.27 MHz, respectively, and the maximum deviation of a hydrophone calibration between the new method and the free-field plane wave reciprocity method is within 1.4 dB in the frequency range from 1 MHz to 2 MHz in experiments.     

高精度球面检测中调整误差的精确校正

针对高精度球面检测中球面的调整误差影响,分别研究了波前离焦和倾斜所引入的Zernike像差项,并以此为基础,提出了基于Zernike系数的高精度球面调整误差校正方法.利用Zygo干涉仪对大数值孔径的待测球面进行了检测,实验中对待测球面同时引入波前离焦和倾斜误差,再分别运用所提出的校正方法和传统的消倾斜离焦校正方法得到波面数据并进行对比,进而验证了所提出的校正方法的可行性.实验结果表明,利用该方法可有效地校正大数值孔径球面存在调整误差时所引入的球面像差,并且实验中的校正精度达到了0.002λ（λ为检测光波长）.提出的基于Zernike系数的球面调整误差校正方法可降低对于调节机构的精度以及检测人员的经验要求,在高精度球面检测中具有非常高的实际应用价值.     

极浅压入下纳米压痕仪针尖面积函数校准方法的研究

采用原子力显微镜直接扫描纳米压痕仪针尖法、球面拟合法和熔融石英标准样块的间接测量法对极浅压入下纳米压痕仪的针尖面积函数进行比较分析。实验表明,在极浅压入下,原子力显微镜直接法由于真实地反映了针尖尖端的几何形貌因而获得的面积函数更为准确可靠。建立了相应的数学模型,对于直接法测量中主要的误差,即由于原子力显微镜针尖曲率半径带来的误差进行了分析,结果表明在极小压入深度下压入深度越小,原子力显微镜针尖曲率半径带来的压痕仪针尖面积函数相对误差越大。     

Microelastic imaging of bone

Several high-frequency ultrasound techniques have been developed during the last decade with the intention of assessing elastic properties of bone at the tissue level. The basic measurement principles can be divided into: 1) measurement of the compressional wave velocity in thin tissue sections; 2) measurement of surface acoustic wave velocities in thick sections; and 3) derivation of the acoustic impedance from the confocal reflection amplitude in thick sections. In this paper, the 3 principles are described with example measurements given in the frequency range from 50 MHz to 1.2 GHz. The measurements were made with 2 microscopes operating in the pulse-echo mode, either with frequencies up to 200 MHz and time-resolved detection or between 100 MHz and 2 GHz and amplitude detection. The methods are compared and their application potentials and limitations are discussed with respect to the hierarchical structure of cortical bone. Mapping of the confocal reflection amplitude has superior capabilities for deriving quantitative elastic and structural parameters in the heterogeneous bone material. Even at low frequencies (50 MHz), the mineralized tissue matrix can be separated from the larger pores (Haversian canals), and the elastic coefficient in the probing direction can be measured in 2 dimensions. Depending on the type of sample surface preparation (flat or cylindrically shaped), local distribution of a single elastic coefficient or the average transverse isotropic stiffness tensor can be derived. With frequencies in the GHz range, the lamellar bone structure can be analyzed. However, at one GHz, the acoustic wavelength is still one order of magnitude larger than the individual mineralized collagen fibrils. Although the thickness of a lamellar unit can easily be assessed from the acoustic image, the derivation of the anisotropic elastic properties of the mineralized collagen fibrils as well as the detailed structure of a lamella can only be accomplished with further model assumptions.     

开口凹球面聚焦声场分析

高强度聚焦超声（HIFU）治疗局部肿瘤存在聚焦换能器和定位探头同时旋转的问题，考虑到实际工程中必须考虑B超探头的放置对聚焦声场的影响。文章就此进行了研究。结果表明：开口的凹球面会降低焦区声压幅度。随着开孔半径的变大。焦区声压呈下降的趋势，焦区越长，越不利于聚焦；随着开孔位置距轴线的距离变大。焦区声压呈下降的趋势，而焦区的位置变化不大，文章同时对相应的温度场也进行了相关的分析。     

基于K-wave的经颅超声聚焦仿真研究

由于颅骨形状不规则，声速、密度等声学参数分布不均匀，使用传统相控聚焦的方法进行经颅超声精确聚焦时会出现焦点偏移、焦点形状畸变、散焦的现象，时间反转法被认为是能够克服颅骨非均匀特性，实现经颅聚焦的有效手段。而利用传统有限元，有限差分法进行数值仿真时，往往需要划分十分精密的网格进行计算，耗费大量的时间。K空间伪谱法通过在空间域上进行傅里叶变换，时间域上进行有限差分的方法求解声波方程，能够在降低计算网格密度的同时保证计算精度。为了克服颅骨对聚焦超声造成的焦移影响，同时避免声学模型计算量过大的问题，本文使用Matlab K-wave开源工具箱，对食蟹猴颅骨CT数据进行三维声学建模，实现了基于时间反转法的经颅超声聚焦，讨论了时间反转法对于颅骨不规则形状及非均匀声速造成的焦移的补偿。仿真结果表明，K-wave在提高计算速度的同时能够服务于精准经颅超声聚焦，且相较于传统基于声时差法的相控聚焦方法，时间反转法在预设焦点位置，焦点强度更高，焦斑形状更为规则，聚焦效果更好。     

求解水下非圆弹性环声散射问题的一种半解析方法

基于传递矩阵法、齐次扩容精细积分法和复数矢径虚拟边界谱方法 ,提出了一种求解水下非圆弹性环声散射问题的半解析方法。该方法具有以下几个优点 :(1)采用复数矢径虚拟边界谱方法 ,不仅能保证在全波数域内Helmholtz外问题解的唯一性 ,而且由于虚拟源强密度函数采用 Fourier级数展开 ,克服了用单元离散解法不能用于较高频率范围的缺点 ;(2 )采用齐次扩容精细积分法求解非圆弹性环的状态微分方程 ,其计算结果具有很高的精度 ;(3)耦合方程不需要交错迭代求解 ,提高了计算效率。文中给出了两个典型非圆弹性环在平面声波激励下的声散射算例 ,计算结果表明本文方法是一种求解二维非圆弹性环声散射问题非常有效的半解析法。     

Finite element analysis of multilevel acoustic Fresnel lenses

Fresnel lenses have recently emerged as viable alternatives to conventional spherical lenses for focusing ultrasonic waves in acoustic microscopy systems. Although these lenses are relatively straightforward to manufacture, their bulk represents a major handicap. A remedy to this problem is to use multilevel acoustic Fresnel lenses. Multilevel lenses are surface relief structures that can be fabricated very precisely using existing VLSI semiconductor technology. However, accurate tools for designing lenses to achieve the desired efficiency and power specifications are not available. This paper presents a finite element study of multilevel acoustic Fresnel lenses. Results showing ultrasonic wave propagation through such surface relief structures together with the resulting diffraction profiles are presented. The high efficiency and focusing power of these lenses are also demonstrated. Simulation results together with a discussion on various multilevel lens design issues are presented. These results confirm the advantages of such lenses, and suggest that the finite element model can serve as a valuable tool for designing, simulating, and studying lens profiles prior to their fabrication