多层介质中超声相控阵声场仿真*

由于良好的声束偏转与聚焦特性,超声相控阵已经广泛应用于多层固体介质的缺陷检测。当超声束经过多层介质时,由于反射、透射以及模式转换的存在,多种声束存在于这种结构中,使得声场分析变得复杂。为了提高多层介质检测的准确性,有必要对超声声场的分布规律进行深入地了解。该文结合高斯声束等效点源模型以及射线追踪法,给出了相控阵声源在多层固体介质中激发声场的仿真方法,并且模拟计算了一维线型相控阵在楔块-铝-黄铜-钢四层固体介质中的辐射声场。通过对不同延时法则的计算,实现了声波在这种复杂介质中的偏转与聚焦,进而研究了不同焦点处聚焦声场的分布。结果表明:相控阵方法能使聚焦点处的声场幅值增大,能量集中,提高了检测分辨率;不同聚焦点处声场聚焦效果不同,实际检测时应根据检测区域结构及位置特点,合理放置相控阵换能器。与瑞利积分法的比较表明,该文的仿真方法适用于多层介质相控阵声场的计算。     

超声吸收体物理参数对红外热成像测量高强度聚焦超声声场的影响

超声吸收体的物理参数对利用水听器和红外热成像技术的高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU)声场测量结果具有重要影响。为了探索超声吸收体的物理参数(密度、声速、衰减系数、热扩散系数、定压比热容)对测量结果的影响规律,本文根据层状模型计算出相同声源功率输出时不同物理参数对应的超声吸收体内部声场和热场,利用有限差分法计算出超声吸收体表面在辐照过程中的温度变化;利用基于水听器和红外热成像技术的聚焦声场测量方法测量出焦域内不同位置上声场特征值(轴线声强和-6 dB声束宽度),与通过理论计算得到的声源在纯水中声场特征值进行比较,分析了不同物理参数对测量结果的影响。超声吸收体的声、热学参数中除了声速外,其它物理参数的变化引起声场特征值的测量造成最大相对差异率小于15%。因为声波传播速度的改变会导致超声吸收体内部热场分布变化,使测量结果与理论计算值有较大偏差,其中-6 dB声束宽度和轴线声强最大相对差异率为95.37%和69.97%。因此在选择超声吸收体的声、热学参数时应重点关注声波在吸收体内声速的影响。超声吸收体的声学参数与水的声学参数相近时,可以在焦域内获得较好的测量结果。      

经颅超声聚焦方法和声场特性研究

基于高分辨的CT数据建立了非均匀颅骨仿真模型,该模型引入了颅骨的声衰减系数,深入研究和分析了声波时间反转法和超声相控阵法在颅脑中的聚焦方法及效果。颅骨具有较强的声波衰减特性,使用时间反转聚焦时需要进行幅度补偿,对于0.7MHz的频率信号,幅度补偿后的时间反转聚焦声场主瓣宽度窄、旁瓣低,焦点处声场比无幅度补偿的时间反转法提高8.86dB,比超声相控阵聚焦法提高7.89dB,具有很好的空间聚焦精度和聚焦效率。研究了颅骨衰减系数、声场焦点位置、声波频率、换能器阵列位置和方位等参数对聚焦声场的影响,结果表明,幅度补偿时间反转法比相控阵法具有更低的旁瓣,且高频时的聚焦效果比相控阵好,相控阵聚焦对换能器阵列的位置和方位比较敏感,而时间反转经颅超声聚焦对声传播路径和入射角具有更高的鲁棒性。      

焊缝结构中超声相控阵聚焦声场的数值模拟及分析*

针对焊缝内相控阵声场聚焦问题,建立焊缝结构中多高斯声束法的相控阵声场计算模型,分别用直接聚焦和底面反射聚焦两种方式对焊缝内部的相控阵声场进行数值模拟,分析不同方式下的相控阵聚焦声场特性,讨论不同区域适用的聚焦方式,分析了界面倾斜角度对聚焦效果的影响。结果表明,在相同焊缝结构条件下直接聚焦的方式更适合对厚壁焊缝的中下部进行聚焦扫描,在焊缝上表面附近,当声束偏转角大于80°时,直接聚焦方式无法有效聚焦;反射聚焦的方式更适合对焊缝上表面附近区域进行聚焦扫描,随着焦点深度增加,反射聚焦的声束偏转角增大,当声束偏转角大于55°时,反射聚焦无法形成明显焦点;两种聚焦扫描方式可形成有效的互补。当设置的焦点固定时,直接聚焦的实际焦点随界面倾斜角度增大向预设点远处偏移,而反射聚焦的效果基本不受倾斜角的影响,实际焦点始终在预设焦点附近。     

超声相控阵距离幅度曲线计算方法

超声相控阵偏转聚焦声场能量分布不均匀,造成不同位置的缺陷回波幅度差异,针对该缺陷量化问题,提出超声相控阵系统距离幅度曲线理论计算方法。在非近轴近似声场模型的基础上,结合缺陷散射模型来建立相控阵系统测量模型,再利用该方法来预测不同位置横通孔缺陷的回波信号,进而获得信号幅度随位置的变化曲线。分析对比了不同偏转聚焦声束理论计算结果与实验测量结果,两者幅度在焦点附近具有较好的一致性,偏差在5%以内,验证了超声测量模型计算方法的有效性。      

非均匀波导中的声聚焦

理论研究了声波在非均匀波导中的空间聚焦问题,利用多模态导纳法构建波导内任意位置处声压与入射声压在模态域的映射关系,计算使声波聚焦于空间某位置时的最佳入射波,并画出了相应的聚焦声场.研究了三种非均匀情况:水平变截面波导、含散射体波导以及声速垂直变化波导.结果表明,当输入最佳入射波时,在非均匀波导中可以产生良好的单点或多点声聚焦效果,声波的聚焦过程充分地利用了波导结构及介质非均匀性对声波的散射作用.     

有限入射声束在液固界面声反射的数值研究

采用将有限声束分解为一系列平面波的方法，对液固界面声束的声反射问题进行了数值研究，结果表明，当声束入射角为瑞利疲激角时，反射声速有明显位移；当声束在液固界面“掠射”时，反射声速显著变宽，文中还讨论了束宽对反射声速横截面上声场分布的影响。     

双层界面下非近轴近似多元高斯模型的相控阵声场模拟

非近轴近似多元高斯模型克服了近轴近似条件的限制,能保证较大偏转角度下模拟声场的精确度和效率。根据双层介质的瑞利积分模型和单层介质的非近轴近似多元高斯模型,推导出双层介质中基于非近轴近似多元高斯模型的单阵元辐射声场计算模型。并在得到各阵元声束偏转聚焦的延迟时间基础上,累加得到基于非近轴近似高斯模型的超声相控阵横波检测辐射声场计算模型。模拟计算带丙烯酸树脂楔块的超声相控阵探头在钢中横波检测的声束偏转与偏转聚焦辐射声场,并与近轴近似多元高斯模型的横波检测声束的偏转聚焦辐射声场进行比较分析。对比分析结果表明非近轴近似多元高斯模型计算速度更快,用时约为近轴近似多元高斯模型的1/13。此外,非近轴近似高斯模型方法横波检测的聚焦声束覆盖区域更大,能量更集中,更适于远场区域检测。      

深海上层声速剖面水平非均匀分布对声场会聚区特性预报的影响

针对深海上层声速剖面水平方向弱变化对声场会聚区特征的影响,通过对0°出射声线传播轨迹的分析,提出了只考虑声源及会聚区位置附近声速剖面水平变化实现深海声场会聚区特征准确预报的方法,该方法有助于降低深海声传播调查时声速剖面水平非均匀分布的测量工作量。通过模拟小振幅内波引起深海上层声速剖面水平非均匀变化,对该方法进行了仿真验证。南海声传播试验数据分析表明,当不考虑上层声速剖面的水平非均匀分布时,模型预报的声场会聚区位置及会聚区能量分布与实测结果有一定差异,该差异具有距离累积效应,到第二会聚区时位置累计误差可达3 km,当考虑会聚区宽度内声速剖面水平变化时,模型预报的声场会聚区位置与实测结果非常吻合,第二会聚区位置预报误差小于1 km。     

高斯叠代法研究相控阵非线性声场

相控阵在聚焦超声治疗应用中不可避免地受到非线性影响,提出了采用高斯叠代法计算相控阵的非线性声场。在该方法中,利用预设焦点参数并应用伪逆矩阵算法得到阵元的激励参数;然后将阵元近似拟合成一组高斯声束的叠加,通过高斯声束叠代计算非线性声场。数值计算中以64阵元一维相控阵为研究对象;线性条件下,高斯叠代法结果与菲涅耳积分结果的误差低于0.5%,验证了该方法的可行性;单焦点及双焦点模式的相控阵非线性声场结果表明非线性效应能提高焦点聚焦性能,并且非线性效应与激励声压及激励频率成正比。      

Simulation of the acoustic field emitted from medical linear transducer in a heterogeneous tissue

A numerical model is developed to simulate the acoustic field in heterogeneous tissue from a medical linear transducer.The coupled full-wave equation for nonlinear ultrasound is solved using a staggered-grid finite difference time domain method.The distribution of acoustic pressure and power in human abdominal wall with heterogeneities in sound speed,density,and nonlinear parameter are obtained.Compared with homogeneous medium,when sound speed in tissue is uniform and density unchanged,the acoustic energy decreases only1.8 dB in the focal region;when density in tissue is uniform and sound speed unchanged,the energy decreases 3.8 dB in the focal region,which is almost the same as heterogeneous tissue.Thus,the primary factor of the aberration of focused beam is the heterogeneous distribution of the tissue sound speed.     

重塑砂质含气沉积物的声响应特性与模型预测分析

海洋沉积物中气泡的存在对沉积物的声学特性有显著影响.为实现在实验室内对不同初始应力条件下含气沉积物的声学特性测量,研制了一套可用于土工三轴仪的双探针声学测量系统,基于CT扫描试验获得重塑含气砂样品中气泡群的尺寸分布,确定其共振频率范围.试验结果表明:细砂沉积物声速随气体含量的增加呈指数型降低,衰减系数随气体含量的增加呈...     

高频聚焦超声声场和温度场的仿真研究

为探究临床常用的7 MHz高频聚焦超声在多层生物组织中的声传播以及毫秒级时间内的生物传热规律问题,基于Westervelt方程和Pennes传热方程,使用有限元方法建立高频聚焦超声辐照多层组织的非线性热黏性声传播及传热模型。首先分析了线性模型和非线性模型之间的差异,然后在非线性模型下探究换能器的参数对声场和温度场的影响。仿真结果显示：在7 MHz频率下,当换能器输出声功率超过5 W时,声波传播的非线性效应不可忽视(p <0.05);当声功率从5 W增大到15 W时,非线性模型与线性模型预测的温度偏差从20%增加到34.703%;高频聚焦超声波的非线性行为比低频更加显著,基频能量向高次谐波转移的程度增大,声功率为10 W和15 W时4次谐波与基波之比分别达到7.33%和12.12%;高频换能器参数的改变对组织中声场和温度场分布的影响较大,换能器焦距从12 mm减小到11.2 mm,焦点处最高温度增加了77%。结果表明,7 MHz聚焦超声的非线性声传播需要考虑到4次谐波的影响。该文提出的多层组织非线性仿真模型可为高频聚焦超声换能器参数优化及制定安全、有效的术前治疗方案提供理论参考。     

The characteristics of sound radiation from a cylindrical shell coated with multiple compliant layers

The effect of multiple compliant layers on sound radiation from a finite cylindrical shell immersed in an infinite acoustic medium is studied. The transfer matrix is derived according to the continuous boundary conditions at each adjacent interface of the multi-layer system. With the shell theory and the acoustic wave equation, the theoretical model is developed to estimate the characteristics of sound radiation. The numerical calculation results show that the amount of the acoustic radiation power reduction increases as the wave speed or the density of the compliant layer decreases, and using multi-layer system could be more effective on noise reduction than the corresponding uniform single layer.     

Parabolic equation for nonlinear acoustic wave propagation in inhomogeneous moving media

A new parabolic equation is derived to describe the propagation of nonlinear sound waves in inhomogeneous moving media. The equation accounts for diffraction, nonlinearity, absorption, scalar inhomogeneities (density and sound speed), and vectorial inhomogeneities (flow). A numerical algorithm employed earlier to solve the KZK equation is adapted to this more general case. A two-dimensional version of the algorithm is used to investigate the propagation of nonlinear periodic waves in media with random inhomogeneities. For the case of scalar inhomogeneities, including the case of a flow parallel to the wave propagation direction, a complex acoustic field structure with multiple caustics is obtained. Inclusion of the transverse component of vectorial random inhomogeneities has little effect on the acoustic field. However, when a uniform transverse flow is present, the field structure is shifted without changing its morphology. The impact of nonlinearity is twofold: it produces strong shock waves in focal regions, while, outside the caustics, it produces higher harmonics without any shocks. When the intensity is averaged across the beam propagating through a random medium, it evolves similarly to the intensity of a plane nonlinear wave, indicating that the transverse redistribution of acoustic energy gives no considerable contribution to nonlinear absorption. Published in Russian in Akusticheskiĭ Zhurnal, 2006, Vol. 52, No. 6, pp. 725–735. This article was translated by the authors.     

南海北部负跃层环境下海底参数声学反演

利用2015年南海北部声学实验的实验数据,对海底声学参数进行反演。在综合分析声速起伏及海底模型对海底反演影响的基础上,通过选择等效的海水声速剖面和海底模型,改进了多参量联合地声反演方法,使得其不仅能解决反演中的多值性问题,还能适用于负跃层起伏环境下的声学反演。即当用匹配场反演海底声速和用传播损失反演海底衰减时,如果温跃层内有内波等随机起伏,可使用传播路径上平均声速剖面和单层等效海底进行声场计算。反演得到的海底声速和密度结果与海底采样测量符合较好,拟合给出了海底衰减系数随频率的非线性经验关系式。反演结果可为南海北部声传播规律研究与应用提供海底参数。      

气泡体积分数对沙质沉积物低频声学特性的影响

由于有机物质分解等原因,实际的海底沉积物中存在气泡,气泡的存在会显著影响沉积物低频段的声学特性,因此研究气泡对沉积物低频段声速的影响机理具有重要意义.考虑到外场环境的不可控性,在室内水池中搭建了大尺度含气非饱和沙质沉积物声学特性获取平台,在有界空间中应用多水听器反演方法首次获取了含气非饱和沙质沉积物300—3000 Hz频段内的声速数据(79—142 m/s),并同时利用双水听器法获取了同一频段的数据(112—121 m/s).在声波频率远低于沉积物中最大气泡的共振频率时,根据等效介质理论,将孔隙水和气泡等效为一种均匀流体,改进了水饱和等效密度流体近似模型.模型揭示了气泡对沉积物低频段声学特性的影响规律,理论上解释了沉积物中声速的降低.通过分析模型预报声速对模型参数的敏感性,根据测量得到的声速分布反演得到了沉积物不同区域的气泡体积分数,气泡体积分数从1.07%变化到2.81%.改进的模型为沉积物中气泡体积分数估计提供了一种新方法.     

Geoacoustic inversion for bottom parameters in a thermocline environment in the northern area of the South China Sea

Bottom acoustic parameters have important influence on the application of underwater acoustic propagation and source location.The acoustic parameters of the seabed in the northern of the South China Sea(SCS) were inversed using the experiment data from an acoustic experiment in 2015.Based on the comprehensive analysis of the influence of the sound speed fluctuation and the geoacoustic model on seabed inversion,the multi-parameter hybrid acoustic inversion scheme is improved by selecting the equivalent mean sound speed profile(SSP) and half-infinite liquid bottom model to save the inversion dimensions in the matched field processing(MFP) inversion.The inverted bottom sound speed and density are in good agreement with the core sampling measurements.The nonlinear empirical relationship of the attenuation coefficient with frequency is given out.The inversion results are meaningful to the sound propagation research and application in the northern area of the SCS.     

瓦状阻尼橡胶块对高铁车轮减振降噪的影响分析

依据声学测试标准,为了评价某型高铁车轮在安装不同形式橡胶块装置后的减振降噪效果,在半消声室内基于B&K振动噪声测试分析系统,对裸轮和橡胶块车轮开展振动声辐射室内测试实验,并基于有限元方法对车轮模态进行了仿真分析。测试结果可知:相比裸轮,WA、WB车轮模态阻尼比显著增加,车轮的减振效果明显,其中WA车轮的减振效果略优于WB车轮。径向激励下,WA车轮声功率级降低了8 dB(A),WB车轮声功率级降低了5.5 dB(A);轴向激励下,WA车轮声功率级降低了8.2 dB(A),WB车轮声功率级降低了6.2 dB(A)。分析可知橡胶块装置能有效抑制车轮的滚动噪声和曲线啸叫,对车轮的减振降噪有积极作用。