一维非线性声波传播特性

针对一维非线性声波的传播问题进行了有限元仿真和实验研究. 首先推导了一维非线性声波方程的有限元形式, 含有高阶矩阵的非线性项导致声波具有波形畸变、谐波滋生、基频信号能量向高次谐波传递等非线性特性. 编制有限元程序对一维非线性声波进行了计算并对仿真得到的畸变非线性声波信号进行处理, 分析其传播性质和物理意义. 为验证有限元计算结果, 开展了水中的非线性声波传播的实验研究, 得到了不同输入信号幅度激励下和不同传播距离的畸变非线性声波信号. 然后对基波和二次谐波的传播性质进行详细讨论, 分析了二次谐波幅度与传播距离和输入信号幅度的变化关系及其意义, 拟合出二次谐波幅度随传播距离变化的方程并阐述了拟合方程的物理意义. 结果表明, 数值仿真信号及其频谱均与实验结果有较好的一致性, 证实计算方法和结果的正确性, 并提出了具有一定物理意义的二次谐波随传播距离变化的简单数学关系. 最后还对固体中的非线性声波传播性质进行了初步探讨. 本研究工作可为流体介质中的非线性声传播问题提供理论和实验依据.     

Ultrasonic focusing and scanning with multiple waves

This paper presents a new focusing and scanning method which focuses multiple waves on a target. The key of the method is to control excitation pulses for each element of the transducer array. The excitation pulse on each array element is obtained by time reversing the signal received by the same element, which is generated by an imaginary source at the target. The excitation pulses from all array elements are transmitted and arrive at the target simultaneously, and focusing is achieved. The performance of the two methods is compared in numerical examples, and it is demonstrated that the proposed method achieves a satisfactory focusing and a good signal-to-noise ratio no matter where the target location is.     

拓扑成像法的分层波导结构内部缺陷检测

将拓扑成像理论应用于分层波导结构,分析拓扑成像法在分层波导结构缺陷检测方面的应用可行性。首先,对拓扑梯度的表达式进行理论推导,阐述拓扑成像的基础理论和成像原理,对于厚度方向刚性连接的钢-铝双层板,本文结合实际检测需求,提出了优化的拓扑梯度表达式。然后,使用ANSYS有限元软件建立声场计算模型,根据优化的拓扑梯度表达式计算了直接问题和伴随问题两种情况下的声场分布,验证拓扑成像理论的可靠性。结果表明,拓扑成像方法可以准确定位钢-铝双层板中单缺陷和多缺陷,且具有良好的检测分辨率和定位精度,说明拓扑成像法对分层波导结构中的缺陷检测具有可行性。     

卷积神经网络的缺陷类型识别分析

该文提出一种基于卷积神经网络直接对阵列超声检测原始信号进行缺陷类型识别的方法,该方法无需对超声回波原始信号进行特征提取.文章研究对比了不同卷积神经网络及其优化的识别性能.首先采用超声相控阵系统对不同试块上的平底孔、球底孔、通孔三种缺陷进行超声检测,然后利用LeNet5、VGG16和ResNet三种卷积神经网络对一维和二...     

超声阵列的多频脉冲压缩方法研究

脉冲压缩方法通过采用编码信号激励与脉冲压缩接收来提高超声检测的时间分辨率和信噪比。然而,受换能器带宽的限制,编码信号的时间带宽积往往有限,影响脉冲压缩效果。开展了基于超声阵列的多频脉冲压缩方法研究,超声阵列是由具有不同中心频率和带宽的多个阵元组成,从而使得整个阵列具有比单个换能器更宽的带宽。提出了压缩后叠加取包络的脉冲压缩方法,并研究了这种方法在提高时间分辨率和主副瓣比上的技术方案,对多频脉冲压缩的超声阵列进行了设计与优化,发现多频脉冲压缩方法能很大程度地提高时间分辨率,并能有效地抑制各阵元信号叠加产生的周期副瓣。理论和实验结果表明,这种压缩后叠加取包络的方法得到的时间分辨率在性能上受阵元带内不平整度的影响很小,能使阵元压缩包络中的主副瓣比得到明显改善。      

利用深度神经网络和小波包变换进行缺陷类型分析

超声检测中对缺陷进行类型分析通常取决于操作人员对于特定专业知识的了解及检测经验,从而导致其分析结果的不稳定性和个体差异性。本文提出了一种使用小波包变换提取缺陷特征信息,并应用深度神经网络对得到的信息进行分类识别的方法。利用超声相控阵系统对于不锈钢试块上的通孔、斜通孔和平底孔进行超声检测,并对得到的超声回波波形按照新方法进行分析。实验结果表明,使用小波包变换后的数据进行分类识别能够在提高识别准确率的同时降低神经网络的学习时间,而使用深度神经网络相比通用的BP神经网络以可接受延长学习时间的代价提高了识别的准确率。采用新方法后,缺陷分类正确率提高了21.66%,而网络学习时间只延长了91.9s。在超声检测中使用小波包变换和深度神经网络来对于缺陷进行类型分析,能够排除人为干扰,增加识别准确率,对于实际应用有着极大的意义。      

凹面相控阵聚焦声场在液固界面上的反射和折射

开展了凹面线性相控阵列辐射声场在液固界面上的反射和折射特性研究,利用射线近似方法,得到了凹面相控阵聚焦声场在液固界面上反射和折射后的声场渐近解析表达式,对声波在液固曲面上的反射和折射声场进行了分析和讨论. 利用这个解析表达式,对凹面线性聚焦声场在液固平界面和液固圆柱界面情况下固体中折射纵波和折射横波的相控阵声场进行了分析和讨论,发现凹面线阵声场在液固圆柱界面下比液固平界面具有更好的聚焦效果. 关键词： 凹面阵列 超声相控阵 反射与折射     

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.     

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.     

时间反转法在水下通信中的应用

将时间反转法应用于水下扩频编码通信,在分析水下波导中时间反转自适应聚焦特性的基础上,研究了时间反转法克服多径效应对编码信号造成的波形畸变,采用BPSK(Binary Phase Shift Keying)编码方式,选取7位巴克码(Barker code) 作为扩频编码信号的码型,在实验水槽内进行了时间反转法用于水下通信的实验研究并进行了相应的理论分析。理论和实验证明了时间反转法能获得聚焦增益并提高编码信号相关解码时的主副瓣比,因此时间反转法应用于水下编码通信时,可望降低误码率和提高水下通信距离。