光弹法测量超声换能器声场

超声换能器声场的测试对于超声检测具有基础性作用,而传统的超声换能器声场测试方法具有一些局限性。本文介绍了搭建的动态激光光弹实验平台,并利用动态光弹法测量了纵波换能器和横波换能器辐射声场的特征,由瞬态声场图像获得了传声介质的声波速度及超声换能器的中心频率;由稳态声场图像获得了声场的近场长度、指向性和扩散角等参数;分析了光弹实验系统和测量方法可能引起测量误差。本文结果表明动态光弹法是一种有效的定量测量超声换能器声场的方法。     

固体中激光热弹超声的光穿透效应

本文从热弹性基本方程出发，理论上研究了非金属固体材料受激光热弹激励超声时，光穿透效应对所产生声波的影响。在一维模型中，通过求解热扩散方程和热弹性位移方程，得到弹性位移的一般表达式，分析了材料的光叩收性质与声波位移振幅的关系。在二维模型中，对于轴对称分布的情况，忽略热扩散的影响，采用积分变换法求解热弹性运动方程，推导出远场区中的位移解析表达式。给出了纵波和横波的指向性图案，讨论了光穿透效应对声源指向性的影响。     

斜入射激光支持燃烧波时纵波声场的指向性

利用理论推导及实验验证的方法研究了激光倾斜入射支持燃烧波时纵波声场的指向性。根据激光超声的产生机理, 在喷溅物质垂直作用于工件表面的前提条件下, 推导了椭圆形声源作用时远场质点的法向位移。获得了纵波声场的指向性函数, 分析了影响纵波声场指向性的因素, 并进行了实验验证。利用功率密度低于爆轰波点燃阈值的激光烧蚀工件, 使用峰值频率为5 MHz压电探头接收纵波, 进而获得纵波声场的指向性实验数据, 结果表明, 实验数据与理论数据能够较好地进行吻合。在光斑短轴长度恒定时, 与激光垂直入射相比, 各倾斜入射角度下纵波声场的声束轴线指向均保持不变, 并且指向性图形随倾斜角度的增加而变得细窄, 纵波声场的能量也更加集中。     

点源和超声楔形换能器激发的兰姆波

本文分析了在无限大各向同性均匀弹性板表面法向点力激发的兰姆波.给出超声楔形换能器的兰姆波指向性图案公式,对部份推导结果作了实验验证.     

硅油介质中矩形电容式微机械超声换能器发射与接收声场特性研究

与传统压电式超声换能器相比,基于微机电系统微加工技术制备的电容式微机械超声换能器(CMUT)具有频带宽、灵敏度高、一致性好、易于集成等优势,在医学超声成像中具有广阔的应用前景。该文针对研制的矩形CMUT器件,开展硅油介质中CMUT发射、接收声场特性的理论分析及实验验证研究。首先,针对CMUT阵元结构特征和工作原理,根据指向性函数理论和Bridge乘积原理,建立了矩形CMUT阵元指向性函数分析模型。此基础上,分析微元数目以及谐振频率对CMUT指向性的影响规律。最后,针对7 mm×7 mm二维矩形CMUT在硅油介质中的发射和接收特性进行了实验验证,测试表明发射指向性曲线与仿真理论曲线基本吻合;此外,CMUT接收与发射指向性的测试表明,收发指向性具有一致性,从而验证了声场的互易性。该文的研究对CMUT器件的封装设计以及基于CMUT阵列的乳腺超声CT成像系统的研制具有重要参考价值。     

基于透射法的激光超声声场指向性研究

在忽略尺寸激光激励下的超声回波路径分析的基础上,通过设置不同直径的光源对不同厚度的1060铝合金平板进行激励,并在对侧接收信号,获取各次回波达到时间和幅值,用于分析不同尺寸光源激励下的激光超声各次回波传播路径及声场指向性规律。结果显示,在波形混叠处,纵波被淹没在横波内,到达时间难以提取,而横波的到达时间会向前移,偏离理论到达时间,若忽略波形混叠的影响,给出的各次回波到达时间扩展公式的理论值与实验值之间的最大误差不超过0.1μs;通过分析幅值分布情况可以看出,直径≤0.1 mm的激励源可以产生指向性较好的横波声场,而增大激励源直径,纵波声场指向性变好,横波幅值逐渐向法线方向移动,但当直径增加到一定程度,两者声场都会受到热弹效应的影响而向两边扩散。研究结果表明,在实际应用中可针对不同的检测需求选择合适的光源直径。     

阵元固体指向性补偿对超声全聚焦成像的 优化研究*

超声全聚焦成像中,声波的传播受到阵元指向性的影响,位于阵元不同方位的缺陷成像幅度不同。缺陷相对阵列中心偏角越大,回波幅度越低,容易造成漏检。为提高超声全聚焦算法对固体中大偏角缺陷的成像能力,该文引入了矩形阵元固体指向性函数,建立了基于固体指向性补偿的超声全聚焦优化算法,利用指向性系数对不同角度区域的成像进行幅值补偿。实验结果表明,相对于基本超声全聚焦和传统指向性补偿的超声全聚焦算法,该文固体指向性优化算法对大偏角缺陷的成像幅度补偿效果更好,检测灵敏度更高,有效避免了缺陷漏检,扩展了超声全聚焦算法检测范围。     

含孔隙分层半空间中瑞利波的传播特性研究

为了研究含孔隙介质分层半空间中瑞利波的传播规律,分析孔隙介质参数对瑞利波频散曲线的影响,本文进行了数值模拟研究。采用传递矩阵算法,计算了含孔隙分层半空间中一定频率范围内瑞利波所有模式的频散及激发强度曲线,并与均匀弹性固体分层半空间情况作了类比分析,在含孔隙覆盖层的两层模型和含低速孔隙夹层的三层模型下,详细研究了孔隙度、渗透率、层厚度等参数对瑞利波各模式的影响,发现孔隙度及层厚度的变化对频散曲线影响较大,而渗透率的变化对频散曲线影响较小。      

斜入射激光超声体波声场的实验研究

为研究微烧蚀状态下圆形光斑斜入射时激光超声声场的指向性,使用脉冲激光辐照半圆柱形铝质工件表面,并使用压电探头和电磁超声探头分别接收纵波和横波信号。根据速度参数确定了超声信号的类型,提取了信号的峰-峰值,并绘制出声场指向性曲线。通过分析获得以下结论:激光斜入射角度在0~60°范围内变化时,纵波声场的声束轴线方向保持不变,且与工件内法线平行;另外,横波声场的峰-峰值仍然在±35°的方向上取最大值,但是横波指向图形的主瓣易受激光入射方向的影响,当倾斜角度大于等于45°时,横波主瓣的范围变得较宽。     

裂隙介质中纵波地面地震记录模拟及特征

利用纵波检测地层中的裂隙是油气勘探、工程探测等领域中的主要方法，也是地球物理领域中的难点，在各向同性介质的背景上，因存在裂隙而形成的散射作用，使接收的波场复杂化，为了正确认识裂隙介质中地震波场特征，以声波方程为基础，为了提高计算精度，应用高阶(十阶)有限差分法求解数值解，给定裂隙介质地质模型和均匀层状介质地质模型，通过数值模拟得到地质模型的地面地震响应．在此基础上，进行分析对比，总结了裂隙介质中地震波场特征，在裂隙发育带顶、底，纵波地面地震记录波形特征均有明显的变化，这表明利用纵波动力学特征作裂隙检测是可行的。     

受禁锢的表面态电子波的驻波

在金属表面上把电子约束在纳米尺度的环形量子围栏中，导致电子波在围栏内形成同心圆状的驻波，本有无限高圆形对称散射势的分析方法模拟和分析了这种情况了受禁锢的表面态电子波的驻波，并介绍了实验上观察了电子驻波图象的方法。     

SOLITARY WAVES IN MARANGONI-BENARD CONVECTING FLUID

In this paper the evolution of nonlinear long surface waves in a Marangoni-Bénard convecting fluid is considered. The fluid system is bounded below by an isothermic plane and above a free deformable surface, on which a heat flux is fixed. We show that the nonlinear behavior of the long surface wave is governed by the Korteweg-de Vries equation when the Rayleigh number is near its critical value. A head-on collision between two solitary waves traveling from opposite directions is also investigated by use of the Poincaré-Lighthill-Kuo method. The results show that the solitary waves emerging from the collision can preserve their original identities to the second order. The phase shifts due to the collision are calculated analytically.     

用光栅法测超声波在液体中的传播速度

介绍了用光栅法测超声波在液体中的传播速度的方法，讨论了其设计思想、原理及实验装置并给出了一个实例。     

SOLITARY WAVES IN MARANGONI-BENARD CONVECTING FLUID

In this paper the evolution of nonlinear long surface waves in a Marangoni-Bénard convecting fluid is considered. The fluid system is bounded below by an isothermic plane and above a free deformable surface, on which a heat flux is fixed. We show that the nonlinear behavior of the long surface wave is governed by the Korteweg-de Vries equation when the Rayleigh number is near its critical value. A head-on collision between two solitary waves traveling from opposite directions is also investigated by use of the Poincaré-Lighthill-Kuo method. The results show that the solitary waves emerging from the collision can preserve their original identities to the second order. The phase shifts due to the collision are calculated analytically.     

具有基本流动的两层流体界面和表面孤波

本文研究了具有基本流动的两层流体浅水孤波,利用多重尺度摄动方法求得了两流体界面和表面波所满足的KdV方程和相应单孤波解;对所得结果进行了讨论,并将其应用到海洋温跃层和有剪切流动的均匀密度流体两种常见情形。 关键词：     

超声波波型转换与表面波的检测

分析了超声波纵波、横波、表面波3种波型的产生条件和声速关系,检测了超声波在固体表面的波型转换,并测量了声表面波的速度,讨论了声表面波在超声延迟线方面的应用.     

铁磁/反铁磁双层薄膜中自旋波特性研究

本文在一维海森堡模型的基础上,采用界面参数化方法,研究了非周期性边界条件下,铁磁/反铁磁双层薄膜中自旋波低温激发问题.重点讨论了表面各项异性对薄膜中自旋波谱、色散关系的影响.结果表明:表面各向异性对铁磁层中自旋波谱影响较大,对色散关系影响甚微。     

激光超声检测带过渡圆角平板表面缺陷的数值研究

为了研究激光激发出的超声波在带过渡圆角的金属平板上的传播规律和检测表面缺陷的方法，采用有限元法模拟了该类平板中的激光超声现象，分析了表面波在圆角区域的传播规律和与表面缺陷的作用过程。数值结果表明:激光激发出纵波、横波和Rayleigh波等，其中Rayleigh波主要存在于表面mm量级，并且在过渡圆角处发生模式转换生成了直达波R′和模式转换波R_R等多种表面波；经过过渡区域后的声波在表面缺陷处发生了反射和透射现象，通过B扫图可以检测缺陷的位置。随着缺陷深度的增加，表面波的透射系数不断减小，且透射波R_t和R_st存在0.5 μs左右的到达时间差，该时间差与缺陷深度近似成线性正相关。数值结果为激光超声检测带过渡圆角的平板表面缺陷提供了有价值的参考。     

Processing an acoustic microscope’s spatiotemporal signal to determine the parameters of an isotropic layer

This paper presents a method for measuring the thickness and velocities of body waves and the density of an isotropic layer by a pulse scanning acoustic microscope. The method is based on recording the microscope signal as a function of the displacement magnitude of the focused ultrasonic transducer along its axis perpendicular to the sample surface and on the decomposition of the recorded 2D spatiotemporal signal into the spectrum of plane pulse waves. The velocities of the longitudinal and transverse waves and the layer’s thickness are calculated from the relative delays of the components of the spectrum of plane waves reflected from the surfaces of the layer and the density is computed by the amplitudes of these components. An experimental investigation of a test sample in the form of a glass plate carried out in the 50-MHz range shows that the error in measuring the thickness and velocities of body waves does not exceed 1% and the density measurement error does not exceed 10%.     

超声波在乙酸乙酯和乙酸甲酯中的弛豫吸收

关于超声波在乙酸乙酯和乙酸甲酯中的吸收问题曾引起了多次热烈的争论,为此,作者采用了行波中的光衍射法做了进一步的实验研究。在实验过程中,特别注意了仪器的精确度问题,并且对许多种吸收系数已知的标准液体进行了多次重复的测量,结果很好地符合于一般的公认值,且误差不超出5％。对于两种乙酸酯,测量的频率范围是3-30Mc,温度保持20℃。测量结果表明,在实验的误差范围内,吸收的实验值很好地落在唯象单弛豫理论所预期的曲线上,弛豫频率对乙酸乙酯约在12Mc附近,对乙酸甲酯约在7Mc附近。并且通过对不同纯度的乙酸乙酯进行重复的测量,表示杂质引起的附加吸收并不影响吸收曲线的特性。因此也就明某些作者测量得到两个弛豫频率的结果是不真实的。作者并认为Karpovich首先提出的旋转异构的理论是适合于解释这两种液体的驰豫吸收的机理的。