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.     

奥氏体不锈钢焊缝中的声学仿真模型与全聚焦成像检测

声波在奥氏体不锈钢焊缝中传播时声束弯曲,为超声成像带来了困难。基于Ogilvy焊缝模型,建立了奥氏体不锈钢焊缝非均匀各向异性声场仿真模型,采用Dijkstra路径搜索算法对各向异性条件下的声传播路径和声传播时间进行了数值模拟和分析。在此基础上,采用Verasonics超声相控阵成像系统,进行了奥氏体不锈钢焊缝的全聚焦成像实验,采集全矩阵回波数据,并结合理论模型计算的声传播路径和相应的传播时间,进行了成像结果修正。结果表明,与均匀介质模型的全聚焦成像结果相比,基于该文模型的焊缝全聚焦成像检测结果具有更高的缺陷定位精度和分辨率,验证了该方法的可行性,为奥氏体不锈钢焊缝成像检测提供了新的思路。     

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.     

Imaging for Borehole Wall by a Cylindrical Linear Phased Array

A new ultrasonic cylindrical linear phased array （CLPA） transducer is designed and fabricated for the borehole wall imaging in petroleum logging based on the previous theoretical researches. First, the CLPA transducer, which is made up of numbers of the piezoelectric elements distributed on the surface of a cylinder uniformly, is designed and fabricated. By transmitting and receiving acoustic waves with 16 active elements and using different groups of the elements under the control of the electric system, the CLPA can scan all areas of the borehole wall dynamically and rapidly without a traditional mechanism around the borehole axis. Then, the theoretical and experimental investigations are conducted in detail for the borehole wall scanning and imaging by the steel pipe and casing borehole with defects distributed in different shapes and directions. It is shown by experiments that the CLPA transducer has good focusing characteristic and good resolution for the borehole wall imaging in acoustic logging.     

声波在固体板中的多径传播及其时间反转声场

采用无穷长条形阵元在固体板自由表面激发,研究了固体板中声波(纵波和横波)传播的多径效应,在射线近似下深入分析了柱面纵波和横波在固体板中的多次反射及波型转换特性,给出了简明解析表达式;将时间反转法应用于固体板中声波的传播,在理论和实验上分析了时间反转声场规律,证明了从不同阵元发出的沿不同路径传播的声波时间反转后同时同相到达原接收点,表明时间反转法能自动补偿固体板中由于多径效应造成的波形畸变;还通过聚焦增益和主副瓣比定量地分析了时间反转声场的自适应聚焦过程,考查了焦点位置和换能器阵列孔径对聚焦效果的影响,得到了理论和实验相符的结果。     

分层介质半空间瑞利波的时频分析

对分层介质半空间瑞利波的频散特性,用一种时频分析方法——重排的平滑伪魏格纳维尔分布(RSPWVD,Reassign- ment of Smooth Pseudo-Wigner Ville Distribution)进行了分析和研究。对均匀半空间和两层介质半空间的理论和实验研究表明,由于层状介质中瑞利波的频散曲线存在多个模式,所获得的群速度频散曲线在不同的频段显示出来的模式是对应表面位移幅度占主导作用的模式。频散曲线的这种模式判定对利用层状半空间的瑞利波反演介质参数是必须预先了解的。     

超声检测中常用激励波形的高精度相控发射实现

超声无损检测根据不同的检测需求使用不同的激励波形,而超声相控阵技术的应用则要求各通道的激励波形能够相控发射。分析了不同检测对象、不同检测方法对激励信号的波形类型要求,研究了基于FPGA主控的数字式超声检测平台下实现单通道方波脉冲、尖脉冲、正弦波形和任意波形等的发射方法,以及以上各种波形在多通道高精度相控发射时的实现方法。实验表明,各种波形的激励信号都实现了高精度相控发射,最高可达1ns的延时精度。     

声表面波器件变频快速模拟方法*

声表面波器件的级联有限元模拟方法是从整体结构中分离出若干独立的基本单元,通过基本单元边界矩阵的级联实现有限长器件结构的模拟。在实际设计中,通过优化叉指换能器的指条周期,激发出不同波长的声表面波,调整声表面波器件的谐振频率,这导致级联有限元模拟方法存在频繁的单元建模与数据传输过程。为提高模拟效率,该文提出了一种波长(频率)变化时的级联有限元快速模拟方法。首先分析了不同波长对应单元系统矩阵间的关系,引入参考波长及波长变化因子,建立单元系统矩阵与波长之间的简易函数关系。接着利用参考波长的有限元模型快速计算出不同波长对应的单元系统矩阵,避免了多次单元建模与大量数据传输过程。最后利用边界矩阵的级联计算器件的频域响应,证明了该方法的有效性。     

焊缝结构中超声相控阵聚焦声场的数值模拟及分析*

针对焊缝内相控阵声场聚焦问题,建立焊缝结构中多高斯声束法的相控阵声场计算模型,分别用直接聚焦和底面反射聚焦两种方式对焊缝内部的相控阵声场进行数值模拟,分析不同方式下的相控阵聚焦声场特性,讨论不同区域适用的聚焦方式,分析了界面倾斜角度对聚焦效果的影响。结果表明,在相同焊缝结构条件下直接聚焦的方式更适合对厚壁焊缝的中下部进行聚焦扫描,在焊缝上表面附近,当声束偏转角大于80°时,直接聚焦方式无法有效聚焦;反射聚焦的方式更适合对焊缝上表面附近区域进行聚焦扫描,随着焦点深度增加,反射聚焦的声束偏转角增大,当声束偏转角大于55°时,反射聚焦无法形成明显焦点;两种聚焦扫描方式可形成有效的互补。当设置的焦点固定时,直接聚焦的实际焦点随界面倾斜角度增大向预设点远处偏移,而反射聚焦的效果基本不受倾斜角的影响,实际焦点始终在预设焦点附近。