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     

楔块中脉冲声场及相控阵成像自检研究

相控阵横波检测必须在换能器前方加上楔块,对于楔块中的声场进行研究具有重要意义。本文通过数值计算和物理实验研究了超声相控阵楔块中的脉冲声场,分析并解释了超声相控阵系统自检成像过程中各种波形的产生机理和转换过程。首先从固体中超声传播理论出发,采用时域有限差分方法对相控阵楔块中各阵元独立发射条件下的脉冲声场进行仿真计算,给出了超声脉冲在楔块中的传播过程;然后开展了对应边界条件下相控阵楔块的B模式成像实验。数值模拟和物理实验的结果基本一致。本文的研究初步展示了楔块中的脉冲声场,其结果可为超声相控阵系统自检和楔块设计提供参考。     

相控阵超声阵列换能器中阵元参数对声场的影响研究

为探究相控阵超声阵列换能器中不同阵元参数对声场的影响,以相控阵超声波检测基本原理和声场辐射理论为支撑,应用MATLAB软件进行数值模拟分析,建立辐射声场模型,进行不同参数下的阵列换能器指向性和声场分析.分析了阵元各项参数变化时对波束质量、聚焦范围、成像效果的影响,结果表明:阵元中心频率过小会使成像分辨率过低,阵元中心频...     

各向异性焊缝中超声相控阵瞬态声场仿真及缺陷定位方法

针对多层各向异性奥氏体不锈钢焊缝中超声相控阵瞬态声场的仿真问题,提出应用高斯声束等效点源模型计算宽带离散化的多个单频稳态声场,通过傅里叶变换将其拓展为瞬态声场,并分析了声场转换过程的主要影响参数。该方法可快速计算焊缝内部超声相控阵聚焦声场的瞬态能量分布和任意一点的时域波形信号。在此基础上针对多层奥氏体不锈钢焊缝内部缺陷的超声相控阵成像检测问题,提出利用上述时域高斯声束法对多通道缺陷散射信号进行时间反转计算,并根据时域声场焦点确定缺陷位置。最后通过实验,验证使用此方法检测实际奥氏体不锈钢焊缝试块内部缺陷的效果。结果表明,提出的方法能够确定缺陷位置,且计算速度快、运算量小,适合作为多层介质内部缺陷实时成像的声场仿真模型。     

相控阵超声二维稀疏阵列的优化设计应用研究

在相控阵超声检测中,稀疏阵列是利用较少阵元数目获得大阵列孔径的有效办法。目前一些稀疏阵列没计的方法,并没充分利用有效阵元。本文首先采用遗传算法没计二维稀疏阵列,发现遗传算法设计的稀疏阵列,一致性较差。主要原因是在没有任何限制的条件下,寻优搜索空间大,遗传算法参数往往难于控制。针对此问题,受十字形稀疏阵列和最小冗余度阵列的启发,本文将最小冗余度阵列拓展到二维稀疏阵列的设计中。计算机模拟和实验都表明,利用最小冗余度阵列和遗传算法设计的二维稀疏阵列具有很好的空间分辨率和对比度分辨率。     

1-3型二维柱形凹面线聚焦换能器声场特性

设计并研制了柱面结构的1-3型复合材料凹面线聚焦换能器,在提高换能器带宽的同时,可以实现声场的线聚焦。将换能器内部PZT柱作为独立声源,应用瑞利积分和叠加原理,推导出了柱形凹面换能器总声场的理论表达式。通过仿真计算分析了换能器在聚焦线上的声场特点以及相关参数对聚焦性能的影响。对换能器参数做出合理设计,使换能器在实现线聚焦的同时,声场在聚焦线上的起伏较小,从而设计并制作出聚焦性能良好的线聚焦凹面换能器探头。实验测试结果表明采用本文方法计算得到的换能器声场与实测的声场分布基本符合,柱形凹面换能器在其几何焦点附近范围内均可实现聚焦,并在侧向上形成清晰的聚焦线,其聚焦线长度为换能器的侧向结构长度,在聚焦线上声场分布起伏较小。     

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。     

超声相控阵在多层媒质中的声场模式优化

针对超声在多层媒质中的传播特性,引入相位补偿因子并结合遗传算法, 提出了一种可对多层媒质进行声聚焦控制的方法.利用该方法对16×16二维超声相控阵在多层生物媒质中的多焦点声场模式进行了仿真,计算了生物媒质不同厚度层和不同吸收系数时的声场. 结果表明:该方法能优化多焦点声场模式,抑制旁瓣,提高声场增益,将声强最大限度地聚焦在目标区域内; 改变生物组织不同层的厚度和不同层的吸收系数,焦点位置不发生变化,但焦域内的声强会有所变化.     

Ultrasonic beam focusing characteristics of shear-vertical waves for contact-type linear phased array in solid

We investigate the beam focusing technology of shear-vertical(SV) waves for a contact-type linear phased array to overcome the shortcomings of conventional wedge transducer arrays. The numerical simulation reveals the transient excitation and propagation characteristics of SV waves. It is found that the element size plays an important role in determining the transient radiation directivity of SV waves. The transient beam focusing characteristics of SV waves for various array parameters are deeply studied. It is particularly interesting to see that smaller element width will provide the focused beam of SV waves with higher quality, while larger element width may result in erratic fluctuation of focusing energy around the focal point. There exists a specific range of inter-element spacing for optimum focusing performance. Moreover, good beam focusing performance of SV waves can be achieved only at high steering angles.     

Design of ultrasonic wedge transducer

Cones and wedges inserted between an ultrasonic transducer and the specimen provide the transducer (circular or rectangular shape) with enhanced capability for point or line contact with the specimen. Such an arrangement is useful in that the transducer can be used for transmitting to and receiving from a point (or line) source, and that it can eliminate the undesirable aperture effect that makes the transducer blind to waves traveling in certain directions and those of certain frequencies. In this paper, a comprehensive numerical analysis based on a wave propagation model is carried out for the study of characteristics and parameters of cones and wedges influencing their performance. We study the effect of the dimensions, shape and aperture on the frequency response and the angle of incidence of the wave. For computational accuracy and efficiency, the boundary element method is used in the analysis.     

阵列波导激光相控阵光束偏转特性研究

研究了阵列波导激光相控阵的光束偏转特性,计算出光学相控阵的偏转角度与阵列波导相关参量之间的关系,绘制出光束偏转角与相关参量间的关系曲线。分析了阵列波导激光相控阵的三个性能指标:扫描范围、分辨率及能量效率,研究各阵列波导参数对于此三项指标的影响,据此分析出最优化的参数设计。根据阵列波导激光相控阵原理设计了仿真实验界面,自定义参数模拟光束的偏转效果。     

Model-based optimization of phased array ultrasonic testing

Simulation of phased array beams in dovetail and austenitic welds is conducted to optimize the setup of phased array ultrasonic testing（PAUT）.To simulate the beam in such material with complex geometry or with characteristic of anisotropy and inhomogeneity, firstly,linear phased multi-Gaussian beam（LPMGB） models are introduced and discussed. Then,in the case of dovetail,wedge is designed to maximize the stable amplitude of the beam along the steering path;in the case of austenitic weld,modified focal law are developed to solve the problem of beam screwing and defocusing due to the material properties.To verify the effectiveness of the modified focal law,beam fields are calculated using LPMGB model in austenitic welds.     

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...