超声换能器辐射特性的优化*

匹配层和背衬层是换能器的重要组成部分,对换能器特性有重要影响。针对发射型换能器,基于有/无匹配层和空气/树脂背衬两种条件组合,该文研究了匹配层与背衬层对换能器辐射特性的影响。结果表明,负载材料为水时,空气背衬换能器相较于树脂背衬换能器声能辐射效率更高;匹配层可以提高换能器的主瓣能量,抑制旁瓣能量及旁瓣数量。因此,针对发射型换能器的设计,背衬材料的选择应遵循与压电材料的阻抗差异越大越优的原则;匹配层的合理设计不仅可以提高超声换能器的声能辐射效率,还可以提高主瓣旁瓣峰值比,使声能更集中。     

多匹配层空气耦合压电超声换能器*

该文针对超声无损检测与成像功能空气耦合换能器开展了分析计算和研制。为解决压电材料与空气间巨大的阻抗失配问题,进行了多匹配层设计,并基于有限元技术仿真设计了1-3压电复合材料参数。借助复数压电方程,导出考虑损耗的多匹配层压电复合材料换能器厚度振动等效电路,获得其等效导纳,以此计算电导谱,同时基于有限元技术数值计算相应电导谱,二者有较好的一致性。在此基础上分别设计制作复合压电材料,多匹配层材料以及由此构成的空气耦合超声换能器。换能器的实测电导谱与数值仿真结果一致。进一步的换能器回波信号测试及其谱分析结果表明,所研制的160 k Hz中心频率空气耦合换能器样品有较好灵敏度和带宽。这些结果说明,该文研制的空气耦合超声换能器的初样是成功的。     

柯尔克孜族学生汉语单字调声学实验研究

利用Praat语音分析软件,对柯尔克孜族学生汉语单字调进行了声学实验研究。实验选取22个汉语普通话单音节词,在规定的采样率和采样精度下测试柯尔克孜学生的声调格局、调长、调域,并和普通话水平测试员进行对比,32位被试参与了此项研究。研究发现,柯尔克孜族学生将阴平、阳平读成了微降调,且两条声调曲线非常接近,和普通话调型差别较大;上声调型正确,但调长较短、终点T值偏低;去声发音过于用力,起点触顶,听感上不够自然;阴平调域较宽,其他各个调类的调域较窄。针对以上情况,文章提出了相应的教学参考建议。     

跑道线圈换能器在铁路重载货车探伤中的应用*

针对在线车轮超声探伤系统的工程应用,研究了跑道线圈电磁超声换能器由洛伦兹力换能机制在钢中产生的辐射声场。根据外磁场和线圈配置,将表面力源近似为非均匀的水平剪切力源,数值计算得到了此力源的辐射声场指向性图,并与实验结果进行比对,结果表明辐射的水平偏振横波具有中间强两侧弱的指向性,对理解跑道形电磁线圈超声换能器的辐射声场和在重载货车车轮辋裂缺陷探伤中的工程应用具有一定的指导意义。     

方位偶极声波远探测技术研究与应用*

偶极横波远探测测井技术是当前缝洞型和复杂储层油气勘探开发和评价不可缺少的技术手段。常规偶极远探测技术受限于180?方位的不确定性,难以判别缝洞等地质体的真实方位。采用双偶极错位发射多分量阵列接收研究偶极方位识别方法。首先以传统正交偶极模式获得地质体方位探测结果,再以45?错位角发射偶极声波信号,通过多个邻近接收器的波形差的组合以及反射波在仪器孔径上的时间延迟来区分方位,进一步压制伪像干扰获得地质体真实的方位成像结果。针对弱反射信号,在硬件上,研究了多分量有源接收器阵列声系,有效提升了偶极声波信号信噪比,结合动态增益控制提升反射波幅度;研究了双偶极宽频发射器与多模式发射技术,提高偶极发射功率,保证了偶极声波信号在地层中的远距离传播与反射。数值仿真与实际测井数据表明,双偶极方位识别方法可行,有助于偶极横波远探测技术的进一步发展和应用。     

超声共振谱法岩石弹性参数测量研究进展*

岩石弹性参数的准确测量对于地下资源的可靠评价和勘探开发具有重要意义。超声共振谱法基于共振频率与岩石弹性性质相关的原理,较传统方法如超声脉冲穿透法、应力应变法等,具有可重复测量、测量精度高、一次测量可获得全部弹性参数的优点,并且可用于不规则样品的测量,因此在岩石弹性参数测量方面拥有广阔的应用前景。本文主要综述了20世纪60年代以来超声共振谱方法的测量、正演方法和反演方法的发展历程,并分析了样品制备、测量方式和计算方法等因素对测量结果的影响,最后对近些年来该方法在测量方法、正演方法、反演方法、非线性测量及极端环境下的测量等方面的进展进行了总结及展望,对未来应重点关注的方向给出了建议,以期对于常规岩石以及页岩和海底矿物等非常规岩石的弹性参数测量方法的发展提供帮助。     

混合k空间经颅聚焦超声相位校正*

经颅聚焦超声是一种非侵入性治疗方式,为脑功能性疾病的治疗提供了一种新思路,常见的应用有：血脑屏障打开、脑部肿瘤消融、神经调控等。由于颅骨的异质性,超声在传播过程中会产生畸变,需要一定的相位校正实现超声的聚焦。利用时间反转结合k空间伪谱可以实现对于非均匀的颅骨进行相位校正。然而,在相控聚焦过程中,同时提高相位校正的精度和减少计算的时间是一个矛盾的关系。本文提出伪谱法和角谱法相结合的混合k空间方法在较短时间内优化相位校正,k空间伪谱模拟非均匀的颅骨部分,角谱法模拟均匀的脑组织部分,并对经兔颅骨后的声场进行仿真与测试。结果表明,混合k空间和k空间相位校正方法得到焦点处的声压差和位置差较小,分别为3%和6%。在模型网格大小为（310×310×300）条件下,混合k空间相位校正方法的相位计算时间（14.98分钟）与k空间方法（91.73分钟）计算时间相比大幅降低,在脑超声治疗临床方面具有良好的应用前景。     

浅海近程混响的振荡现象*

研究浅海近程混响特性对于评估和提高主动声纳性能具有重要意义。多次浅海混响实验显示,近程混响强度存在稳定的振荡现象,脉宽基本对振荡的幅度和周期没有影响。为解释这一现象,本文基于射线理论和小斜率近似给出了浅海近程混响模型,仿真与实测数据结果基本吻合。数值仿真结果表明：海底反射声场对单站声纳接收到回声信号的贡献远小于海底近垂向大掠射角散射声场的作用;混响强度振荡现象是海底近程散射声场的多途现象造成的,并由此给出了振荡周期与海深及收发深度的关系。     

分布式通风消声板特性研究*

在隔声板结构中,分布式内嵌大量小型消声单元,在入射声波被消声单元有效衰减的同时,气流可均匀通过整个板结构,形成一种分布式消声板结构。利用平面波理论和修正传递矩阵法,建立消声板简化模型,并预测模型传递损失。加工消声板样件,实验室内测试并验证其声学及通风性能。对比隔声测试结果与预测结果,验证修正传递矩阵法针对该结构的准确性,同时验证消声板结构的实际效果。结果显示,该分布式消声板结构具有良好的声学效果,修正传递矩阵法可应用于该结构的声学性能预测以及结构设计。     

声波远场三维成像测井技术及应用*

西北地区深层油气多富集在缝洞储层,大缝洞精细评价和小缝洞有效探测是缝洞型碳酸岩油气藏勘探亟待解决的关键问题。声反射法可对井周地层成像,传统单极反射纵波成像方法可对井周约20米范围内的异常体成像。偶极横波远探测方法具有发射频率低、探测深度大的显著优势,但具有180°方位不确定性。本研究在前期研制的远场偶极横波远探测测井仪基础上,采用该仪器结构和非对称组合接收的方位区分方法分别对有、无反射界面的地层模型开展有限差分模拟。对裂缝、溶洞、孔洞三种典型缝洞地质模型进行正反演,获得了典型缝洞模型的远探测响应特征和成像结果并升级了远探测处理解释软件,应用于西北地区某井。通过对缝洞型地质异常体的远探测测井、常规测井、电成像测井、地震资料等综合分析,形成近井到远井地质异常体形态及发育情况的精细刻画,实现多尺度、全方位和高精度的缝洞体描述与解释。     

背衬参数对厚度模压电换能器特性的影响

系统研究了厚度模压电换能器的背衬厚度、声阻抗率及机械损耗因子对换能器振动性能影响,重点分析了在所关心频率附近的有效机电耦合系数和机械品质因数。计算结果表明,随着背衬厚度增大,换能器的有效机电耦合系数和机械品质因数均震荡减小;背衬声阻抗率与压电片声阻抗率差值增大,换能器有效机电耦合系数减小,机械品质因数增大;保持压电片厚度不变,增大背衬的机械损耗因子,换能器有效机电耦合系数单调减小,机械品质因数有极小值,在给定频率范围内电特性曲线趋于光滑。用有限元方法验证了等效电路计算方法的正确性,并对比了换能器的测试结果和计算结果。计算所得规律为厚度模压电换能器的设计和实验制作提供了理论依据。     

高频宽带嵌套式复合材料换能器*

研制了一种嵌套式高频宽带复合材料换能器,利用1-3型压电复合材料Q值较低、频带较宽的特点,采用组合式的结构拓展换能器的工作带宽。通过切割框型压电陶瓷、灌注环氧树脂得到压电复合材料框型敏感元件,再将不同厚度的框型敏感元件沿轴向嵌套从而制成多层嵌套的压电复合材料敏感元件。建立1-3型压电复合材料中压电小柱的等效电路,根据等效电路计算出压电小柱的谐振频率,并与1-3型压电复合材料的谐振频率理论计算结果进行对比。通过ANSYS软件对敏感元件结构进行仿真,并根据仿真结果确定了敏感元件的最佳设计方案。最终制作出的换能器进行水下测试,该换能器的谐振频率为310 kHz,最大发送电压响应为188.5 dB,-3 d B带宽可达130 kHz,接收灵敏度最大可达-186.8 dB,-3 dB带宽可达90 kHz,谐振频率处-3 d B的指向性开角约为2.4°。该嵌套式敏感元件可实现换能器宽带发射与接收声波的目标。     

阶梯圆环压电超声换能器径向振动性能的理论研究*

提出了一种阶梯圆环径向振动压电超声换能器,根据力电类比原理建立了阶梯圆环及阶梯圆环换能器的径向振动等效电路,推导了阶梯圆环的径向共振频率方程和位移放大系数,在此基础上进一步推导了换能器的径向共振和反共振频率方程。通过理论推导和有限元仿真模拟分析了阶梯圆环压电超声换能器的径向振动性能。结果表明,增大阶梯圆环中内外环的径向厚度之比K1或减小轴向厚度之比K2,阶梯圆环的一阶径向共振频率减小,二阶径向共振频率增大;在二阶径向共振模式下,K1、K2值在一定范围内阶梯圆环可实现由内向外的径向位移振幅放大;随着压电陶瓷圆环的内半径增大,阶梯圆环压电超声换能器的一阶、二阶径向共振和反共振频率减小,二阶径向共振下的有效机电转换系数趋于零;增大阶梯圆环内环的外半径,换能器的一阶径向共振和反共振频率减小,二阶径向共振和反共振频率先增大后减小,理论推导与仿真模拟结果符合良好。本文研究结果为阶梯圆环压电超声换能器的工程应用提供理论参考。     

新型声速测定仪的研制

论述了新型声速测定仪的结构、工作原理和实验内容，阐述了几种测媒质中超声波波速的方法。     

压电换能器等效模型分析与阻抗匹配设计

声光可调滤光器(Acousto-optic tunable filter,AOTF)的衍射效率不仅与功率信号源的质量、声光晶体氧化碲(TeO_2)的切型有关,而且压电超声换能器的结构以及其阻抗匹配网络也对AOTF的衍射效率有很大影响。本文对X切型铌酸锂(LiNbO_3,LN)四层镀膜压电超声换能器的等效模型进行了分析,确定了声光介质存在时换能器的阻抗特性,利用射频微波仿真软件,设计了电感-电容复合匹配网络。将换能器压合在TeO_2上,用复色光作为光源进行了声光衍射实验,经仿真与实验验证表明,该匹配电路可以有效的改善压电换能器的阻抗特性,提高换能器带宽,提高能量传输效率,AOTF衍射效率最高可达92.67%。     

非线性电磁超声对铝合金拉伸变形评价研究

非线性系数是描述材料中微纳尺度损伤的特征参量,非线性系数常通过接触式压电超声进行检测,但耦合剂引起的非线性一般是未知的,针对这一问题,提出了一种非接触式电磁超声非线性纵波检测方法。该方法基于洛伦兹力机理在试件表面产生的振动弹性波,利用不同拉伸载荷下所制备的损伤试件,分别利用压电超声、电磁超声进行非线性超声系数测量。实验结果表明:利用两种非线性超声检测的相对非线性系数与铝合金的拉伸形变呈单调关系,同时也论证了电磁超声纵波基于非线性理论对塑性变形评估的可行性。     

压电陶瓷非线性对大功率换能器结构参数匹配 影响的计算分析

在Guyomar非线性模型基础上,通过机电等效法将晶堆前向负载作为等效质量和阻尼加入振动方程的质量项和阻尼项,推导了换能器振速、辐射声压级和谐振频率偏移率等表达式,计算分析了压电陶瓷非线性参数和结构参数对换能器声辐射性能的影响,研究了压电陶瓷的非线性对换能器结构参数匹配的影响。结果表明,换能器节面靠前,前盖板厚度越小,前盖板大径越小,都可以减少压电陶瓷非线性引起的换能器频率偏移。当设计频率确定时,压电陶瓷处于非线性工作域的换能器的结构参数有所减小。换能器加入辐射端匹配后,可以改善压电晶堆前向负载匹配,降低换能器的谐振频率偏移率。换能器激励电流也会出现频率偏移现象。在提高换能器激励电压时,换能器的结构参数应适当减小。得到的结论可为换能器设计提供理论依据和帮助。     

High frequency acoustic microscopy with Fresnel zoom lens

The acoustic field distributions and the convergent beams generated by the planar-structure Fresnel zone transducers on solid surface are investigated. Because only 0 and 180 degree phase transducers are used, an imaging system with the Fresnel zoom lens could work at very high frequency, which overcomes the frequency limit of the traditional phased array acoustic imaging system. Simulation results are given to illustrate the acoustic field distributions along the focal axis and the whole plane as well. Based on the principle of scanning of the focus with the change of frequency for the excited signal, an experimental imaging system is also built. Acoustic Fresnel zone transducers are fabricated at center frequency of 400 MHz. Measurements and detections of the known hole flaws at different depths of the fused quartz sample are presented to show that the imaging system with Fresnel zoom lens could move its focus by only changing the frequency of the excited signal.