中科院声学所超声室生产复合材料等超声换能器

中科院声学所超声研究室的换能器研究，曾获得中国科学院重大成果一等奖和国家自然科学奖，在国内外有较大影响．在理论研究的基础上，研究室近年来推出超声检测用换能器系列产品，其中包括气介式检测、液浸式检测和固体耦合式检测几大类换能器．每一类中又有特殊的空间响应和时间响应探头和常规探头，频率一般在几千赫至100兆赫．使扶探头：．高灵敏度窄脉冲探头（灵敏度和相对带宽普遍高于市场商品探头6－20dB）．无旁瓣高斯探头．平面接触绳声束聚焦窄脉冲探头（专利产品）．首次波幅度比大于1的测量探头．直接耦会横渡直探头．有信号处…     

声速测量实验有关问题的研究

在物理实验中常利用在1对换能器之间形成的驻波测量声速.该实验是通过调节两换能器之间的距离观察接收换能器上声压(幅度或相位)变化规律获得波长.但部分文献在陈述换能器上声压随两换能器之间的距离的变化关系时,没有表达清楚或者表述错误.本文以一维黏性媒质波动方程为基础,详细给出了声压随两换能器之间的距离的变化关系.     

磁绝缘传输线电流测量差模式B-dot探头

研制了一种用于磁绝缘传输线（MITL）电流测量的差模式B-dot探头;利用PSpice商用软件和标定实验数据,建立了该探头等效电路模型,给出了探头系统传递函数,并分析了探头频率响应特性。计算结果表明,该探头对于被测信号大于2.5 MHz频率分量部分的相频响应基本保持不变,而幅频响应曲线呈较好的直线性。该探头已用于强光一号1.0 m长、2 cm阴阳极间隙的同轴型MITL电流传输特性研究实验,并获得了较好的测量波形。测量结果表明:短路负载条件下,传输线沿线不同位置B-dot 电流测量结果基本相同,峰值电流约1.0 MA、峰值时间约125 ns。即传输线沿线电流损失几乎可以忽略,该实验结果与短路负载MITL工作特性理论较好地吻合。     

界面反射P-SV波转型超声散斑统计特性

对超声P波入射至强散射粗糙界面上时,反射声场中的转型SV波散斑的统计特性进行研究。根据Frensel-Huygens理论和自相关原理,得到了SV波散斑振幅概率密度函数的Rayleigh分布形式以及散斑平均横向尺寸的计算公式。进而又得到了,在使用具有一定尺寸孔径的横波探头时,所接收的SV波散斑的归一化声强的概率密度函数表达式,它与横波探头内接收到的平均散斑个数有关。在实验中,应用了两种不同孔径尺寸的横波探头对SV波的散斑声强进行测量。对测量所得的散斑合强度的数据进行统计分析的结果表明,实验值与理论值有较好的一致性。由此证实,上述理论分析的结果是正确的。     

原油中声衰减和声速的温度特性的测量

原油是一种混合物。它的一些性质随温度而变，如原油的声衰减和声速都是温度的函数．本文使用一个换能器发射声波，另一个换能器接收声波，在实验室内测得12t－80℃之间的声波幅度值，利用插值算法，求出该温度范围内原油声衰减的温度特性曲线；利用线性拟合算法，求出原油声速的温度特性曲线。结果表明：随着温度的升高，原油的声衰减和声速都呈下降趋势，而且测量结果与换能器的灵敏度无关．     

由瞬态响应的测量来估算超声马达的负载特性

为测量超声马达的一些特性,如最大力矩、负载特性(即力矩-速度特性)、转子和定子接触面上的摩擦系数等,本文提出一种由瞬态响应来估算的方法,由接通电源时马达转速阶跃响应的上开曲线可算出其负载特性,而由切断电源时的下降曲线得出接触面的摩擦系数。本方法测量时间快,故不受因温升导致的共振频率漂移等一些问题的困扰。对一混合换能器型旋转马达得到的负载特性与用拉重法所得结果符合很好。对一行波直线马达则考察了摩擦材料的杨氏模量和摩擦系数等参数对马达性能的影响。     

铝筒内贴壁声源激发的声场的实验研究

介绍铝筒内贴壁声源激发的声场的实验结果。铝筒放在水中,发射和接收换能器位于铝筒的内壁上。通过改变发射和接收换能器的相对位置,得到不同的接收波形。实验结果表明接收信号包括直达波、筒壁反射波、筒壁模式波和环绕筒壁传播的面波的贡献。     

超声多普勒水连续油水分散流流速测量方法

针对水连续油水分散流流速测量问题,提出了一种基于连续波超声多普勒的测量方法。测量传感器主要由一对中心频率为1 MHz的压电陶瓷超声换能器构成。发射探头向被测流体中发射连续的超声波,受到流体内运动的分散液滴散射后的声波被接收探头接收。根据多普勒效应,发射声波和接收声波的频率差与测量区域内散射体的运动速度成正比。由于分散相和连续相之间存在相对滑动,因此利用漂移模型对最终结果进行修正。对漂移模型中的参数进行基于油水两相流实际流动状态的理论分析,并通过实验数据计算漂移速度。实验结果表明,该测量模型对流型的依赖性很高,且漂移速度随着含水率的变化而改变,通过测量数据对该测量模型进行修正,最终结果的相对误差小于5%。     

用静电换能器实施超声脉冲回波重合法精密测量固体的声速

本文讨论采用静电换能器实施脉冲回波重合法以精密测量固体介质的声速.由于静电换能器的非接触特性,避免了耦合层修正且容易实现正确的周期重合,从而大大提高了测量系统的性能.本文推导并计算了使用静电换能器时的回波测量系统的衍射修正量,设计并制作了ESO型固体声速仪及其探头装置.对几块玻璃和铝试样的测量结果表明,本测量系统测量声时的精度达到射频周期的1/500,即当超声频率10MHz时,声时测量精度达到0.2ns.     

声速测定实验谐振频率测量研究

在声速测定实验中,接收换能器位置对谐振频率测量结果有一定影响。目前,对这种影响的研究较少。研究接收换能器输出电压随接收换能器位置的变化,发现当两个换能器间距较小时,不同频率下的输出电压极大值的位置是聚集的,随着换能器间距的增加该位置逐渐发散。当换能器间距较小且接收换能器处于干涉极小值位置时,谐振频率测量不受共振干涉的影响。     

Acoustic radiation from a drop due to its nonlinear vibrations

It is shown that the intensity of acoustic radiation from a vibrating drop depends mainly on the monopole and dipole components appearing only in the second order of smallness in vibration amplitude. The intensity of the quadrupole acoustic radiation generated by the vibration fundamental mode in the first order of smallness in amplitude turns out to be much weaker. This is associated with the fact that, if the acoustic wavelength is much larger than the drop characteristic size, their ratio becomes a governing small parameter, being lesser than the ratio of the drop vibration amplitude to the drop linear size. Analytical estimates of the amplitudes of monopole, dipole, and quadrupole components of the velocity field associated with the acoustic field of the drop.     

Vibration amplitude and induced temperature limitation of high power air-borne ultrasonic transducers

The acoustic impedances of matching layers, their internal loss and vibration amplitude are the most important and influential parameters in the performance of high power airborne ultrasonic transducers. In this paper, the optimum acoustic impedances of the transducer matching layers were determined by using a genetic algorithm, the powerful tool for optimizating domain. The analytical results showed that the vibration amplitude increases significantly for low acoustic impedance matching layers. This enhancement is maximum and approximately 200 times higher for the last matching layer where it has the same interface with the air than the vibration amplitude of the source, lead zirconate titanate-pizo electric while transferring the 1 kW is desirable. This large amplitude increases both mechanical failure and temperature of the matching layers due to the internal loss of the matching layers. It has analytically shown that the temperature in last matching layer with having the maximum vibration amplitude is high enough to melt or burn the matching layers. To verify suggested approach, the effect of the amplitude of vibration on the induced temperature has been investigated experimentally. The experimental results displayed good agreement with the theoretical predictions.     

Numerical investigation of the translational motion of bubbles: The comparison of capabilities of the time-resolved and the time-averaged methods

In the present study, the accuracies of two different numerical approaches used to model the translational motion of acoustic cavitational bubble in a standing acoustic field are compared. The less accurate but less computational demanding approach is to decouple the equation of translational motion from the radial oscillation, and solve it by calculating the time-averaged forces exerted on the bubble for one acoustic cycle. The second approach is to solve the coupled ordinary differential equations directly, which provides more accurate results with higher computational effort. The investigations are carried out in the parameter space of the driving frequency, pressure amplitude and equilibrium radius. Results showed that both models are capable to reveal stable equilibrium positions; however, in the case of oscillatory solutions, the difference in terms of translational frequency may be more than three fold, and the amplitude of translational motion obtained by the time-averaged method is roughly 1.5 times higher compared to the time-resolved solution at particular sets of parameters. This observation implies that where the transient behaviour is important, the time-resolved approach is the proper choice for reliable results.     

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。      

幂函数型环形聚能器径向振动的等效电路

基于机电类比原理和变厚度薄圆环的平面应力方程,推导了幂函数型环形聚能器径向振动的等效电路、共振频率方程和位移放大系数。讨论了第一、二阶径向共振频率及相应的位移放大系数随圆环半径比的变化关系。结果表明,幂函数型环形聚能器径向振动的等效电路是一种非互易二端口等效网络;一阶和二阶共振频率随圆环内外半径比的增大而增大;一阶径向共振模式下位移放大系数随圆环半径比的增大先降低后升高,二阶径向共振模式下位移放大系数随圆环半径比的增大而降低,但二阶时的位移放大系数整体大于一阶,因此二阶径向共振模式具有更好的径向振动性能。用COMSOL有限元软件对解析理论分析结果进行了验证,仿真模拟结果与解析理论符合良好。根据幂函数型环形聚能器的等效电路模型,进一步设计了一种压电环形换能器,计算了第一、二阶径向共振频率、反共振频率及有效机电耦合系数,通过与COMSOL有限元软件模拟结果对比,符合良好。本文研究结果为幂函数型环形聚能器及压电环形换能器的工程应用提供了简明设计理论,文中研究结论可作为一种径向超声切割刀在超声工程中获得重要应用。      

Nonlinear piezoelectricity in PZT ceramics for generating ultrasonic phase conjugate waves

We have succeeded in the generation of acoustic phase conjugate waves with nonlinear PZT piezoelectric ceramics and applied them to ultrasonic imaging systems. Our aim is to make a phase conjugator with 100% efficiency. For this purpose, it is important to clarify the mechanism of acoustic phase conjugation through nonlinear piezoelectricity. The process is explained by the parametric interaction via the third-order nonlinear piezoelectricity between the incident acoustic wave at angular frequency omega and the pump electric field at 2 omega. We solved the coupling equations including the third-ordered nonlinear piezoelectricity and theoretically derived the amplitude efficiency of the acoustic phase conjugation. We compared the efficiencies between the theoretical and experimental values for PZT ceramics with eight different compositions. Pb[(Zn1/3Nb2/3)(1 - x)Tix]O3 (X = 0.09, PZNT91/9) piezoelectric single crystals have been investigated for high-performance ultrasonic transducer application, because these have large piezoelectric constants, high electrical-mechanical coupling factors and high dielectric constants. We found that they have third-order nonlinear piezoelectric constants much larger than PZT and are hopeful that the material as a phase conjugator has over 100% efficiency.     

超声脉冲窄带激励的水泥环第二界面探测方法*

如何评价水泥环的第二界面固井质量一直是声波测井领域的世界性难题。本文利用有限元方法研究了基于超声脉冲反射法的水泥环第二界面固井质量探测方法。数值模拟了不同声源脉冲宽度及不同声阻抗地层对第二界面超声反射回波的影响。研究结果表明采用窄带的激励信号源可有效的提高水泥环第二界面反射波回波幅度,有望解决水泥环第二界面固井质量评价问题。制作了水泥环第二界面具有胶结缺陷的实验室样品及大型固井质量刻度井,在此基础上开展了基于窄带超声脉冲激励的实验室及刻度井群实验研究。实验结果表明满足水泥环第一界固井质量良好条件,采用窄带的超声脉冲回波技术可有效评价水泥环第二界面固井质量。     

超声检测用压电换能器瞬态特性可控可调

超声检测用压电换能器瞬态特性主要包括瞬态空间响应和瞬态时间响应。本文通过调整控制换能器和激励源,实现瞬态空间响应和瞬态时间响应的某些特性的可控可调。其中包括在空间响应方面消除边缘波以获得平行声束和消除平面波以获得聚焦绳声束;在时间响应方面,调整换能器的背衬阻抗以获得可调首次波幅比和调整换能器结构和激励电信号以获得任意检测信号等。