带斜楔相控声束偏转聚焦延时特性研究

带斜楔的相控阵超声检测广泛应用于低碳钢薄壁工件焊缝的检测,研究带斜楔的相控阵超声偏转聚焦检测延时法则和对应的声场将使检测可靠性进一步提高。本文利用费马原理探究了相控阵超声探头辐射声波至楔块中,在楔块-工件平面界面发生模式转换入射到工件中的横波聚焦时各阵元延时的计算方法,数值求解指定焦点时各阵元的延时,并利用计算得到的延时进行声场仿真和实验测量,发现声波能很好的聚焦在目标点,仿真和实验结果吻合。     

一种基于相对声程差的高精度逐点聚焦实现方法

针对超声成像逐点聚焦延时参数容量大、工程实现困难的问题,提出一种基于相对声程差的高精度逐点聚焦实现方法。该方法对逐点聚焦延时参数进行分解,压缩存储,并在逐点聚焦过程中实时解压生成聚焦延时参数,用于高精度的逐点聚焦中。为了验证该方法,本文以128阵元16通道的凸阵探头为例,进行了相关的数学推导和证明。在此基础上,给出了基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的高精度逐点聚焦模块的硬件实现原理框图,并对该逐点聚焦方法的性能进行了分析讨论,验证了该方法的优越性。      

声屏蔽技术抗拖船干扰

提出了多途信道中的声屏蔽技术,并应用于抗拖船干扰,以克服传统的阵处理办法抑制拖船干扰时所存在的探测盲区问题。把拖曳线列阵接收的拖船干扰和同方位的目标信号在频域通过一个屏蔽聚焦权滤波器,在对干扰屏蔽的同时,对目标聚焦。针对聚焦权实用性差的缺点,又提出了屏蔽非聚焦权,并与常规波束形成做了比较。11元水平阵数据仿真结果表明,该技术提高了处理增益约5 dB;在抑制拖船干扰提高处理增益的同时,理论上也可以消除掉在该方向上强目标干扰形成的探测盲区。     

界面条件下线型超声相控阵声场特性研究

开展了界面条件下线型超声相控阵声场特性的研究.将带有楔块的超声相控阵问题合理简化为液固界面的情况进行讨论.根据射线声学理论,计算了单阵元在液固界面存在时的辐射声场,进而推导了聚焦法则,得到了超声线型阵在液固界面存在时的声场、位移场表达式.对安装在楔块上的相控阵换能器的辐射声场进行了仿真,并讨论了聚焦对换能器轴向和横向声场的影响,结果表明利用聚焦能提高分辨率和灵敏度,但聚焦区域之外声束性能更差,在实际检测中要合理利用聚焦. 关键词： 超声相控阵 界面 声场 聚焦     

固体中线性相控阵列的瞬态聚焦特性

针对线性相控阵列在固体介质中的声场聚焦特性及参数优化问题,该文给出了一个线性阵列的纵波瞬态聚焦声场模型.数值结果表明,当阵元被短时脉冲信号激励时,瞬态聚焦声场中不会形成栅瓣,突破了传统稳态理论模型中对阵元间距的限制;同时由于横纵波在聚焦区域内可完全分离,声束旁瓣的幅值也得到了抑制.其次,增大阵元间距能够显著提高聚焦性能...     

非近轴近似多高斯声束模型的相控阵换能器声场计算

针对近轴近似的多高斯声束模犁无法准确计算离轴区域声场的问题,我们提出了一个矩形源的非近轴近似多高斯声束模型,用于计算偏转聚焦时线性相控阵换能器辐射的声场.利用该方法计算了由矩形阵元组成的相控线阵的辐射声场,并与瑞利积分、近轴近似方法及夫琅和费近似方法进行了分析和对比,计算结果表明该方法克服了常规近轴近似条件的限制,可以准确、快速地计算较大偏转范围内的换能器辐射声场,在计算相控阵换能器偏转聚焦声场中具有独特的优势.     

基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜

研究基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜.根据近零折射率材料的声波方向选择机理,采用蜷曲空间结构为基本单元进行排列,设计具有特定入射与出射界面的几何结构,对透射声波的出射方向进行调控,实现了平面声波与柱面声波的聚焦效应,并深入讨论了透镜内部刚性散射体对声聚焦性能的影响.在此基础上,改变近零折射率透镜的出射界面,可以精确调控声波阵面的形状与方向.该类型透镜具有单一的单元结构、高聚焦性能及高鲁棒性等优点.研究结果为设计新型近零折射率声聚焦透镜提供了理论指导与实验参考,同时也为研究声波阵面的调控提供了新思路.     

宽带密排平面阵声辐射分析

应用声有限元-边界元法计算了宽带基阵声场分布.建立了平面9元阵有限元-边界元模型,给出了阵元之间互阻抗数值计算方法,分析了阵元间互辐射对声性能影响的变化规律,计算了9元阵3个谐振频率点处指向性和波束宽度.利用3谐振换能器研制出一种宽带密排平面9元阵,并在消声水池中对其输入阻抗和指向性进行了实验测量.研究结果表明,按阵元...     

热疗用环形平面换能器声场特性的研究

引入负声源，导出了环形平面换能器声场的简洁表示式，计算了单个圆环、多个同心圆环同时激励及环阵相控聚焦声源产生的声场，分析了环的宽度、环数及聚焦点位置等因素对声场特征的影响。提出根据各阵元在声场中某点产生的声压的相位来确定各阵元电激励信号的延时，此方法较根据各阵元到该点的平均声程确定各阵元电激励信号的延时，能更难确地在该点实现聚焦。     

非整数维超声相控阵探测方法研究

研究了非整数维超声相控阵聚焦特性以及在石油井下的扫描探测方法,首先对1.25D,1.5D和1.75D相控阵聚焦声场进行了分析.对如何提高仰角方向分辨率及减少动态阵元数等问题进行了深入的讨论;然后,研究了环形和分割环形相控阵列聚焦声场及声束偏转等特性,并和2D面阵进行了对比分析;论文还对1.25D, 1.5D、1.75D、环形和分割环形相控阵列在石油测井中的应用方法进行了研究和讨论,为超声相控阵技术在井下应用提供了理论基础.     

水下声成像中旁瓣抑制方法及其实验研究

提出了一种近场条件下采用不等间隔阵并进行孔径变迹处理的水下声成像旁瓣抑制方法,并进行了理论和实验研究。考虑以球面波传播理论为基础的聚焦波束形成,首先通过阵元位置微调,设计了可实现低旁瓣的不等间隔阵,从单程波束响应上降低旁瓣;然后,将孔径变迹处理方法应用于水下声成像中,全部阵元用于接收,部分阵元用于发射,从双程波束响应上进一步降低旁瓣。通过水池实验对所提出的方法进行了验证。结果表明:采用不等间隔阵并进行孔径变迹处理可以更为有效地降低旁瓣,而主瓣仅有小量展宽,且该方法工程应用简便易行,在改善成像质量的同时降低了系统复杂度。      

井下前视声波偏移聚焦成像方法

介绍了一种可用于检测油井套管形态的前视声波成像方法.本方法采用由多个独立阵元组成的面阵式换能器,每个阵元均能独立发射,将所有阵元接收的波形数字化后,采用偏移聚焦成像方法,实现井下油井套管形态的前视声波三维成像.本文对数字偏移聚焦成像的基本原理进行了介绍,并用数值模拟和成像实验进行验证.表明本方法能够在阵元个数有限的情况下得到具有较高分辨率的图像,并可以简化井下仪器的电路结构.     

采用分级聚焦波束形成的快速声成像算法

为了减小常规波束形成所需的庞大计算量以实现快速成像,本文提出了一种新的波束形成算法——分级聚焦波束形成。将基阵划分成各级子阵分级进行处理,对较短的子阵进行远场近似处理,逐级合并子阵进行子阵间的近场聚焦波束形成,并逐级进行波束插值。MAT- LAB仿真计算结果表明,分级聚焦法与常规波束形成相比,计算量和数据存储量大幅下降。该方法尤其适用于多焦点近场聚焦的场合。     

基于声压振速联合信息处理的声矢量阵相干信号子空间方法

为解决水下宽带源的远程测向问题,提出了一种基于声压P与振速V的互谱矩阵的声矢量阵相干信号子空间方法。与现有的将声矢量传感器的振速信息仅仅作为独立阵元来处理的声矢量阵测向方法不同,新方法完全基于声压与振速联合信息处理,充分利用了声矢量阵中P-V互谱的抗噪能力,能将相干信号子空间方法的宽带高分辨能力及去相干能力与声矢量阵的抗噪能力有机地结合起来,实现对宽带源的远程、高分辨方位估计。理论分析给出了基于P-V互谱矩阵的宽带聚焦原理和特征分解原理,以及信源数检测准则。基于湖试数据的仿真实验结果显示,采用3元声矢量阵,在信噪比为-10dB和观测时间为20s时,新方法方位估计的均方根误差约为5°,明显强于现有方法。     

多通道超声相控阵驱动控制系统设计

低强度经颅聚焦超声是一种利用脉冲聚焦超声调控脑神经元的治疗技术。为抑制人颅骨的非均质性和个体结构差异影响,须对多阵元相控阵聚焦换能器的各阵元进行参数调控实现经颅精准定位聚焦,各阵元参数调控需通过相位控制和驱动电路系统来实现。该文设计并搭建了一种基于直接数字式频率合成技术的多通道相位、幅值独立可调的相控驱动系统。实测结果表明,可实现正弦波和方波高精度相控输出,输出信号电压峰峰值在0~37.5 V可调,相位分辨率为0.1°,延时误差小于1 ns,可满足多阵元相控阵聚焦换能器驱动及其所需相位分辨率的需要。     

B型超声诊断仪凸阵探头复合聚焦声场的研究

本文对B型超声诊断仪中广泛使用的凸阵探头的复合聚焦声场进行了研究,给出了复合聚焦情况下电子延迟聚焦和等效于几何聚焦的延迟时间。利用亥姆霍兹积分公式给出了电子聚焦和复合聚焦情况下的声场表达式,利用辛普森数值积分在86/330微机上进行了大量的模拟计算,通过改变阵的参数,选出了比较理想的四段电子和复合聚焦的聚焦范围和波束宽度。 对计算结果进行比较可得:横向透镜并不影响侧向的聚焦范围和波束宽度,而只增大声压的幅值(即能量更集中了),反之亦然。 在3.5MHz工作频率下,侧向聚焦范围可达10cm而波束宽度不超过3.5mm;横向聚焦范围在5.5cm时,波束宽度小于4mm,在7.5MHz工作频率时,侧向聚焦范围可达6cm而波束宽度小于1.2mm,数值计算还给出了凸阵孔径及阵元高度对侧向聚焦范围及波束宽度的影响。     

圆台形超声相控阵列在管材检测中的聚焦声场

针对一种新型的用于钢管横向缺陷检测的圆台形超声相控阵列,提出了计算管内一次波位移场的模型。设计了三维情况下,圆柱界面存在时的时间延迟法则,并在高频近似下,利用瑞利积分法结合稳相法,研究和计算了管材横截面以及纵剖面上的二维声场分布特性。最后详细讨论了圆台形相控阵列中心夹角、阵元宽度及动态阵元数等参数对管材中聚集声场的影响。结果表明,这种模型以及计算方法可以有效地分析圆台形阵列在钢管内的辐射位移场特性,为实际制作这种圆台形阵列提供理论指导。      

带电粒子束的等时周期场聚焦

在质子直线加速器中经常利用等时周期场对粒子束进行聚焦. 这种周期场的特点是周期长度不等而粒子经过每一周期的时间为常数,本文讨论等时周期场聚焦的基本理论,并将它推广到周期长度缓慢变化的周期场.     

凹面线性相控阵聚焦与扫描成像

研究了凹面线性相控阵聚焦声场的聚焦特性与扫描成像处理,首先对凹面线性相控阵聚焦声场进行了深入的分析,对凹面线阵聚焦中变迹处理、阵元间距及f数等参数对相控阵瞬态声场聚焦特性的影响进行了分析和讨论;然后,分析了相控阵聚焦声场在散射物体上产生的散射声场特性,得到了利用凹面线性相控阵进行线性查扫的B扫图像,在此基础上,利用凹面线性相控阵辐射声场在非均匀体上的散射声场进行了扫描成像研究和处理,针对实际管材质量的相控阵检测问题,得到了管材纵波扫描整个区域的检测图像.     

基于相位差实时计算法实现相控式高强度超声聚焦

利用时间反转法对相控阵高强聚焦超声系统进行自适应聚焦,需要计算出各阵元的初始发射相位。锁相环电路初始工作时频率有震荡,用常规计算相位差的方法当截取数据的时间段不同时计算出的相位差不相同。提出一种计算相位差的方法,可以实时显示相位差的变化,将稳定后的相位差作为相控阵聚焦系统各发射阵元的初始相位。实验结果表明,用此方法计算的相位差进行聚焦可以在一定空间范围内得到较好的声场分布。