多层介质中超声相控阵声场仿真*

由于良好的声束偏转与聚焦特性,超声相控阵已经广泛应用于多层固体介质的缺陷检测。当超声束经过多层介质时,由于反射、透射以及模式转换的存在,多种声束存在于这种结构中,使得声场分析变得复杂。为了提高多层介质检测的准确性,有必要对超声声场的分布规律进行深入地了解。该文结合高斯声束等效点源模型以及射线追踪法,给出了相控阵声源在多层固体介质中激发声场的仿真方法,并且模拟计算了一维线型相控阵在楔块-铝-黄铜-钢四层固体介质中的辐射声场。通过对不同延时法则的计算,实现了声波在这种复杂介质中的偏转与聚焦,进而研究了不同焦点处聚焦声场的分布。结果表明:相控阵方法能使聚焦点处的声场幅值增大,能量集中,提高了检测分辨率;不同聚焦点处声场聚焦效果不同,实际检测时应根据检测区域结构及位置特点,合理放置相控阵换能器。与瑞利积分法的比较表明,该文的仿真方法适用于多层介质相控阵声场的计算。     

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。      

含孔隙分层半空间中瑞利波的传播特性研究

为了研究含孔隙介质分层半空间中瑞利波的传播规律,分析孔隙介质参数对瑞利波频散曲线的影响,本文进行了数值模拟研究。采用传递矩阵算法,计算了含孔隙分层半空间中一定频率范围内瑞利波所有模式的频散及激发强度曲线,并与均匀弹性固体分层半空间情况作了类比分析,在含孔隙覆盖层的两层模型和含低速孔隙夹层的三层模型下,详细研究了孔隙度、渗透率、层厚度等参数对瑞利波各模式的影响,发现孔隙度及层厚度的变化对频散曲线影响较大,而渗透率的变化对频散曲线影响较小。     

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,但会导致聚焦声场能量减弱,综合考虑后,最佳的阵元间距为一个波长左右。并且发现,阵元宽度对于聚焦性能几乎没有影响,但宽阵元能够提高聚焦能量。此外,受到纵波激发特性的影响,使得相控阵只能在低偏转角处获得理想的纵波聚焦性能。最后,采用不同阵元间距的相控阵探头对试块进行成像实验,观察到大阵元间距可以显著改善缺陷成像分辨率,从而验证了理论分析的结果。     

多层奥氏体钢中超声相控阵辐射声场分析

针对一维线性超声相控阵透过楔块,在多层不同晶轴取向的奥氏体钢中的声场辐射问题,结合高斯声束等效点源模型以及基于时间最小原理的射线追踪法,给出了各层介质中透射声场的计算方法。将奥氏体钢近似为横向各向同性介质,计算了相控阵透过楔块,在晶轴取向为0°的奥氏体钢中的无延时纵波声场,计算结果与COMSOL仿真结果相吻合,从而验证了所用方法的正确性。通过加入不同的延迟法则,仿真计算了三层含有不同晶轴取向(0°,30°,100°)的奥氏体钢中的纵波声场,实现了相控阵声场的偏转与聚焦,分析了偏转声场与聚焦声场的传播特性。仿真结果表明,不同的晶轴取向将导致不同的声束偏转以及聚焦效果。通过延迟激励各阵元,虽然可以控制声束偏转或聚焦到预定位置,但是晶轴取向仍会对声束宽度以及幅值产生一定的影响。      

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。     

分层半空间表面非线性瑞利波的激发*

针对非线性瑞利波在均匀分层半空间结构中的激发和传播规律进行研究。根据摄动理论和模态分解将分层半空间结构中瑞利波的二次谐波声场表示为二倍频瑞利波模式的线性组合,经由互易关系得到各模式的展开系数表达式。对不同分层半空间结构中瑞利波二次谐波的激发和传播特性进行讨论,结果表明相速度匹配的瑞利波模式其二次谐波分量随传播距离线性增长,非匹配模式的二次谐波分量则沿传播方向周期震荡传播。此外,文中定义非线性参数表征瑞利波模式产生的非线性程度,这有利于选择出具有明显非线性效应的匹配点,为后续检测工作提供理论依据,具有指导意义。     

分层固体板中导波的激发与频散特性

针对无限大弹性分层固体板,研究了结构中导波的频散和激发特性。首先使用传递矩阵法推导分层板模型中导波的频散方程,然后用二分法求取导波各模式的频散曲线,进而分析结构中导波的频散特性。结果表明:在速度递增或递减的分层板中,基阶模式和高阶模式的高频极限分别等于低速层的瑞利波速和横波波速。对于含低速夹层的分层板,所有模式的高频极限都等于低速层的横波速度。在导波激发特性方面,研究了在具有一定宽度的法向力源作用下的分层板中导波各模式在结构中的法向位移谱。发现在速度递增的分层板结构中基阶模式是主导模式,而对于速度递减和含低速夹层模型,主导模式在不同的频段范围内对应不同的导波模式。      

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。      

板状结构Lamb波频散补偿与聚焦接收成像检测*

对板状结构中Lamb波的频散和多模现象进行了理论分析,采用有限元仿真方法获取了Lamb波与缺陷作用后的回波信号,对信号进行聚焦接收处理,即在一定距离范围内利用导波频散特性对各个模式信号进行频散补偿,提取补偿后信号的幅值,结果表明当所得信号幅值最大时,所对应的补偿距离等于缺陷与换能器之间的实际距离。利用这一结论,提出了以寻找频散补偿后信号的峰值为核心的导波聚焦接收成像算法,在三维模型板中验证了该成像算法的有效性,与基于延时叠加的导波成像算法相比,可以在减少传感器数量的情况下获取高精度缺陷图像。该算法巧妙地利用了Lamb波的频散和模式转换特性对缺陷进行检测与成像,表明了聚焦接收成像法对板状结构缺陷检测的可行性。