超声显微检测技术在电子封装中的应用与发展

超声显微检测技术应用于电子封装领域始于上世纪80年代,如今已是检测电子封装可靠性和完整性的重要手段,被广泛应用到了电子封装的缺陷检测和精密测量等方面。针对电子封装的超声显微检测存在回波重叠、信噪比低等问题,近年来,发展了许多时频分析方法,用于获得优于常规方法的纵向分辨率,即实现超分辨率。本文首先介绍了超声显微检测的发展历史,对其检测原理和分辨率理论进行了简述;其次,综述了超声显微检测技术在电子封装中的主要应用与发展现状;然后,对超声显微检测的超分辨率成像方法进行了综述,分别介绍了基于小波分析的反卷积、连续小波变换和稀疏表示在实现超分辨率时的原理及适用场景;最后,探讨归纳了电子封装超声显微检测的主要研究方向及难点。     

一种基于β-warping变换算子的被动声源距离估计方法

基于浅海简正波水平波数差与波导不变量之间的关系, 本文提出了一种适用于水平不变浅海声波导中接收信号自相关函数的频域卷绕变换算子. 该算子可以将接收信号自相关函数中的简正波互相关成分变换为时域上可分离的脉冲序列, 且脉冲序列的相对延迟时间包含声源距离信息. 利用已知距离的引导声源, 由单水听器记录的脉冲信号即可实现被动声源距离估计. 对仿真和实验获得的脉冲信号数据处理结果验证了该变换算子用于被动声源距离估计的有效性.     

电磁声实验平台的研制与实验研究

研制了一个多功能的电磁声实验平台,在此实验平台,进行了"减小盲区"、"钢层下多层橡胶层脱粘检测"、"线性调频脉冲压缩"等方面的实验研究。实验结果表明,该平台可精确控制实验参数,提供单一频率脉冲串和线性调频脉冲两种激励波形,具有信噪比高盲区小的优点和线性调频脉冲压缩的功能。将该实验平台应用在钢层与多层橡胶层粘接件的脱粘检测,取得了与压电检测相当的结果。作为一个电磁声方法和技术研究的工具,该实验平台对开展电磁声检测方法和技术研究以及实际检测应用都是有意义的。      

简明分数阶傅里叶变换及其对线性调频信号的检测和参数估计

针对低信噪比下线性调频信号的检测问题,提出了一种简明分数阶傅里叶变换方法。该变换借助chirp相乘和傅里叶变换对时频平面上的频率轴进行旋转,以获取信号在各个角度下频率轴上的频谱分布。对时频分布呈直线状的线性调频信号,简明分数阶傅里叶变换能在特定角度上将信号能量聚集成尖锐的强能量峰,从而提高信噪比,实现对线性调频信号的可靠检测和参数估计。数值仿真和实验验证结果表明,简明分数阶傅里叶变换可对较低信噪比的线性调频信号实现有效检测,并由变换域峰值的位置对信号参数进行准确估计。相比于传统的分数阶傅里叶变换方法,简明分数阶傅里叶变换的复杂度更低,离散计算效率更高,在对噪声掩盖下的线性调频信号进行检测和参数估计时能更好地满足实时处理的要求。      

常规分裂和非分裂完全匹配层吸收边界比较研究

分别对常规分裂和非分裂完全匹配层吸收边界在完全弹性介质和孔隙介质的应用效果进行了比较研究。比较了两种吸收边界应用于完全弹性介质和孔隙介质所需计算量、存储量大小以及吸收效果。为比较吸收效果,首先给出两种吸收边界下声场快照图的比较,然后利用吸收边界附近的接收点波形,计算和分析了两种吸收边界在固定入射角度处随时间变化的边界反射幅度,以及对不同入射角度声波的边界反射系数。研究结果表明,无论是完全弹性介质还是孔隙介质,常规非分裂完全匹配层吸收边界比分裂完全匹配层吸收边界对垂直入射乃至一般入射角度的声波都有更好的吸收效果,但需要更大的存储量和计算量。      

圆柱空腔上裂纹的爬波检测方法

通过牛顿迭代法求解了固体内部圆柱空腔上爬波的频散方程,分析了爬波的频散和衰减特性。利用动态光弹法显示了爬波的直观图像和圆柱空腔附近各散射波的空间关系。根据爬波具有的频散、衰减以及辐射横波特征,设计了斜入射脉冲回波实验装置,测量了特定位置处裂纹反射爬波辐射出的横波信号,其与柱面反射波的时差和理论预测一致。进一步实验研究发现,爬波回波幅度与特定位置的裂纹长度具有近似单调的对应关系,在裂纹长度较大时,回波幅度趋于稳定。以上工作为圆柱空腔上裂纹的爬波定量检测提供了物理基础和实现方法。      

全局矩阵耦合简正波方法与现有模型的比较

水平变化波导中的全局矩阵耦合简正波方法具有数值稳定、计算精度高、计算效率高、适用范围广等优点。骆文于等人开发了全局矩阵耦合简正波模型DGMCM (Luo et al, "A numerically stable coupled-mode formulation for acoustic propagation in range-dependent waveguides," Sci.China-Phys.Mech.Astron.55,572(2012))。与现有耦合简正波模型COUPLE相比,DGMCM模型主要有如下改进:无条件稳定;适用范围更广;计算效率更高。DGMCM模型具有与COUPLE模型同等的计算精度,均能提供声场的完全双向解,两者在计算精度方面均优于基于抛物方程理论的单向声传播模型RAM。本文从理论上分析DGMCM模型与现有模型COUPLE和RAM的差异,并利用数值算例加以验证。      

大陆坡海域二维声传播研究

针对在西北太平洋大陆坡外海进行的一次实验中观测到的接收信号能量在声道轴深度附近较为集中的现象,分析了存在向下斜坡时声源置于海面附近和斜坡表面两种情况下斜坡分别对声传播的影响。通过数值模拟,得到了不同声源深度下的传播损失和脉冲的时域波形,数值结果表明,当声源置于海面附近时,声波在水平不变深海环境中随距离衰减很快,而大陆坡的存在可实现能量的远距离传播;当声源置于斜坡表面时,大陆坡会改变水体中声波能量的分布,使其在声道轴深度附近比较集中,这种传播条件下小掠射角声线产生的时间展宽很小,      

套管-水泥界面微间隙厚度的低频超声反演方法

研究了应用低频超声垂直入射反射波实现套管-水泥界面流体微间隙薄层厚度的反演方法。应用灵敏度函数比较分析了分层系统反射谱各阶谐振频率处的相位跳变量较之各阶谐振频率作为反演特征量的优势。通过目标函数分析,选取分层系统3~10阶谐振频率处相位跳变量作为特征量,利用BP神经网络实验获得0.1~1.0 mm内不同间隙层厚度的反演结果。反演结果与真实值的平均相对误差为4.6%,最小反演厚度仅为波长的18%。所选取的相位特征量也可用于其它层状高声阻抗介质下的薄层厚度反演。      

裂纹尖端超声散射场及动应力集中的动态光弹观测

超声波在裂纹尖端发生散射和动应力集中。深入研究裂纹尖端与超声波的相互作用是进行裂纹精确检测与评价的物理基础。在线性声学范畴内,裂纹尖端的散射场与弹性动力学的经典Lamb问题类似,而非线性响应更加复杂。利用动态光弹观测技术,可给出超声波在裂纹尖端散射过程的直观物理图像。无论是用于理论结果的实验验证,还是定量分析线性散射场和动应力集中现象,抑或深入探索非线性响应,动态光弹观测技术都可起到重要作用,因此,相关研究将促进检测声学与无损检测技术的发展。