超声反射成像测井的有限元分析*

利用有限元方法研究了有限长换能器激发的超声波在套管井多层介质中的传播规律。数值模拟了换能器长度及套管曲率对反射回波的影响。随着换能器长度增加,反射回波频谱谱陷个数由单一向多个变化;套管共振透射窗的反射波相对能量先逐渐减小后振荡变化,较小长度的换能器对套管与水泥环界面的声阻抗区分能力优于较大长度的换能器。随着套管曲率的增大,套管共振透射窗的反射波由单一模式的厚度振动纵波向其他模式波变化。数值模拟结果对超声脉冲反射声波测井仪器的换能器结构优化设计起到了良好的指导作用。     

层状介质界面超声检测的理论分析和自适应噪声抵消处理

首先从理论上推导了展状介质超声脉冲回波的解析表达式,对各界面信号进行了分析。指出多层介质超声回波是各界面信号的叠加。应用自适应噪声抵消去除超声回波中的零界面和一界面信号,可以将二界面信号提取出来。对模拟和实测层状介质超声回波信号处理表明,方法是可行的。根据得到的二界面信号的幅度和起始时间,可以对二界面的深度和粘结情况进行评价。     

超声液位检测频率选择的理论计算和实验研究

非介入式超声液位检测中,中间层介质对反射回波强度有着显著的影响,为得到较强的检测回波信号,发射频率的选择是非常必要的。本文采用传输矩阵方法,对非介入式超声液位检测中声波在多层介质中的传播进行了研究,给出了反射回波声强与入射声波频率之间的关系,从理论上计算得到了最佳入射声波频率。实验结果与理论计算一致,由此为非介入式超声液位检测的频率选择提供了一有效的技术途径。     

超声探头的响应特性及暂态回波模型

建立检测系统的数学模型,可以更好地理解超声检测的物理本质。分析了超声波从产生、介质中传播、缺陷耦合以及接收的全过程,将缺陷回波表示为探头响应函数与缺陷响应的时域卷积。利用空间脉冲响应和基尔霍夫近似建立了超声波与平面型缺陷的耦合模型,用大平面试块底面回波和大平面响应进行反卷积求得了探头的响应函数,并详细分析了探头在不同偏置位置时不同大小缺陷响应的特点,发现缺陷回波由直达回波和边缘回波组成,直达回波和边缘回波极性相反,且直达回波的幅值远远大于边缘回波。     

超声医学诊断技术的发展

 早在20世纪40年代,工业上用于探伤的超声脉冲回波技术首次被引入医学诊断,提出了A型(amplitudemode)诊断技术,从而掀开了超声诊断的历史篇章。A型超声诊断技术采用了如雷达或声纳的回波定位原理。当把一束超声波射入人体后由于人体内不同组织器官或同一组织器官的不同结构或状态(正常的和病变的)下的声学特征阻抗不同,就会引起强度与数量不同的反射或散射回波。示波器屏幕上Y轴表示回波幅度,X轴表示声波传入人体的时间(或深度)。医生就是根据这疏密与大小不同的回波波形进行诊断的。A型超声诊断技术虽然在20世纪50年代就已有效地应用于颅脑、眼睛、心、胰及胆等疾病的诊断。     

高炉炉墙测厚的信号处理

超声波反射法应用于高炉炉墙测厚时,高炉内部环境高温高噪声的特点,造成超声回波信号被噪声湮没的问题;针对这一问题,研究了超声波在金属介质中传播的机理,分析了超声回波信号信噪比下降的原因以及实验数据时域和频域的特征,设计改进了高炉炉墙测厚的超声波发射电路和信号调理电路;采用加热炉模拟高炉200~1 000 ℃温度环境,对直径40 mm、长度1.2 m的铁棒进行测厚实验;经实测,改进的发射电路发射的超声信号强度增大,回波处理电路处理后超声回波信号信噪比明显提高、峰值清晰可辩,解决了噪声湮没回波信号的问题,提高了高炉炉墙测厚的测量精度,对高炉的高产、顺产和延长炉龄具有实际意义。     

超声换能器表面的振动状态

从超声波在波密介质和波疏介质之间的传播以及诱发共振发射超声波的角度,讨论了空气中超声声速测量实验所用超声换能器的表面振动状态.理论分析及实验测量结果表明:超声换能器表面振动状态与其结构有关,超声接收器表面位移振幅一般不为零.     

空间脉冲响应和有限元混合的超声回波建模方法

针对数值仿真计算效率低的问题,提出了空间脉冲响应法和有限元法相混合的建模方法,只对缺陷周围的局部区域进行网格划分,用有限元计算超声波与缺陷的相互作用,用空间脉冲响应法计算超声波的向前传播和向后反射,该方法既可以模拟超声波与复杂缺陷的相互作用,保证了计算精度,又极大提高了计算效率。分别利用混合方法和数值方法建立了平底孔回波模型,得到了平底孔的反射回波,两者波形吻合较好,验证了模型的有效性。平底孔混合模型仿真用时是数值模型的5.9%,计算效率提升明显。建立了惰轮轴轴肩根部不同深度裂纹的混合模型,得到了反射回波,轴肩回波和裂纹回波混叠在一起难以从时域上区分,但随着裂纹深度的增加回波幅值也随之增大,可根据回波幅值的变化情况对根部裂纹的深度进行定量评价。     

基于深度学习的材料超声回波衰减预测方法

材料超声回波衰减是评价材料均匀一致性的常用方法, 针对具有复杂结构的航空发动机盘件难以进行材料底面超声回波衰减评价的问题, 本文提出了利用超声背散射波信号直接预测底面回波衰减的方法。采用10MHz聚焦探头进行超声背散射波数据的采集, 利用深度学习技术构建和训练模型,建立了基于深度学习的材料底面回波衰减预测方法, 同时讨论了采用不同信号形式的超声波信号分类识别模型的准确率差异。研究发现：基于深度学习技术可实现通过超声背散射波预测材料的底面回波衰减, 预测结果和实际底面回波衰减试验结果具有良好的一致性。     

厚度模压电超声换能器无源声学材料研究进展*

厚度模压电超声换能器作为超声波发射、接收以及电信号间转换的载体,是超声成像与检测系统的核心器件,一般由压电层、匹配层和背衬层3部分组成。超声换能器的性能一定程度上决定着整体超声设备的性能,影响了其在工业、医学、军事等领域的应用。该换能器的关键性能指标(带宽、灵敏度)除了受到压电层的影响,还与匹配层、背衬层等无源声学材料的设计密切相关。该文综述了近年来厚度模压电超声换能器无源声学材料(匹配层、背衬层和声透镜)的研究进展,提出了当前该类材料面临的难题和解决途径,并对其未来发展方向进行了展望。     

基于模拟退火算法的超声回波参数估计

本文应用模拟退火算法来改进超声回波模拟问题。仿真结果表明，该算法不需计算梯度，与初始选择值无关，并可在较大范围内搜索。从而避免了应用高斯-牛顿迭代法模拟超声回波的缺陷，即解决了选择的初始值只有在真实值附近才能迭代出最优解的问题。     

超声波多次回波反射法测量两相流密度实验研究

本文利用超声波在一侧壁面内的多次反射确定两相流的声阻抗值,从一侧壁面通过两相流到另一侧壁面再反射回来的二次回波时差确定两相流中声速,对这两个数据采用超声多次回波测量理论进行处理,可以得到两相流密度和浓度.不同浓度下的水煤浆实验结果表明,该方法测量得到的结果与珲论值较为吻合.并且超声波多次回波反射法的测量装置具有结构简单,非侵入式测量,实时处理数据以及不受超声发射功率影响等优势,适合高浓度两相流密度和浓度的在线测量.     

高频调制电弧的声学特性及其细化焊缝组织的应用

以等离子体电弧作为声源,利用高频电流进行调制,激发电弧可以产生超声波。研究了高频调制电弧的激发特性和声场特征,发现调制电弧所发射超声波在激励频段内呈现平坦的幅频特性,激励电流是影响电弧超声强度的主要因素,声压幅值与电弧等离子体流力的变化量成正比,声场呈现轴向强两侧弱的特征。同时介绍了利用电弧激发超声波在改善焊缝组织性能方面的应用。     

一维超声光子晶体禁带结构分析

超声波在介质中传播时可以引起介质的折射率发生周期变化,当光波垂直于超声波的传播方向时,这种介质可以被用来作为光栅使用,称为超声光栅。当光波沿超声波的传播方向通过这种介质时,它还可以用作一维光子晶体,并称其为一维超声光子晶体(1D-USPC)。利用平面波法证明了一维超声光子晶体具有一般一维周期层叠结构光子晶体的禁带特征。同时这种光子禁带是可以通过超声波的波长和振幅来改变的,这就为控制光的行为方面提供另一种新的方法。     

超声测距变结构控制系统的研究

本文在超声测距系统中采用了变结构控制理论，根据所测物体的反射界面和介质性质，自动调节超声波发射换能器的功率，建立了超声测距系统的数学模型，对系统方程进行了理论分析，研究了变结构控制系统的设计方法，并结合应用实例，对钻井法凿井用超声波测井仪中超声测距系统进行了计算机仿真，并在实验室进行了实验。     

基于蒙特卡罗模拟的超声辅助OCT成像研究

通过蒙特卡罗模拟方法研究了超声波提高OCT成像质量的机理,以宏观经典理论和微观量子理论分别阐述了光和超声的相互作用,建立了存在超声辅助时光在生物组织中传播的模型,模拟了有超声辅助和无超声辅助两种情况下生物组织多次散射光的分布.模拟结果表明,与光平行射入生物组织的超声波能够使OCT成像系统中的多次散射光降低80%,携带组织信息的单次散射光在组织返回光中所占比重增大为无超声辅助时的2倍,从而增大了OCT成像的探测深度及图像对比度.     

JTS-7智能超声波探伤仪

上海超声波仪器厂新近研制成功的JTS-7型智能超声波探伤仪是一种便携式智能A型脉冲反射式超声探伤仪,它适用于焊缝、锻件、型村等金属材料和部分非金属材料工件的超声探伤,还可用于一些材料的声速及厚度测定。仪器内装有的八位微机系统使仪器具有下列特点: 1.自动检测回波波幅、回波声程,并计算缺陷波波幅当量、缺陷中的位置。 2.新颖的CRT字符显示功能使探伤者对声速、波幅、波幅当量、回波声程等数据值探伤的A型图形一目了然。     

压电换能器阻抗匹配技术研究

超声测距传感器是由压电换能器及其收、发电路所组成的，其中压电换能器的阻抗特性直接影响着超声测距传感器的性能。为提高超声波回波信号的强度，扩大超声测距传感器的作用距离，对压电换能器的阻抗特性进行了分析与测试，设计了压电换能器的阻抗匹配电路，并进行了实验验证。     

基于空耦超声的复合材料黏弹性评价方法*

复合材料的黏弹性是表征其内在阻尼机制的重要力学特性,而内在阻尼机制是材料安全性能的一个重要评价指标。该文提出了空气耦合超声波的材料黏弹性评价方法。首先讨论了黏弹性进行评价的相关理论,利用接触式超声波底面回波法与空气耦合超声波透射法对比验证,其结果基本一致,证明了空气耦合超声对材料黏弹性检测的有效性。并且对一批不同铺层方向的碳纤维复合材料进行了评价,其结果与期望值完全相符,验证了该方法的可行性和准确性,为复合材料的动态力学特性评价和安全评价提供了新的思路。     

水中分层弹性球壳高频时域回波的声学编码研究

针对水下集群目标及敌我目标识别的难题,该文提出了一种基于水中分层弹性球壳高频时域回波的声学编码原理及方法。推导了水中4层弹性球壳目标散射声压的简正级数解,并与有限元结果进行了对比验证。通过构造高频主动声呐的探测脉冲信号,与4层弹性球壳声传递函数的简正级数解做卷积运算,获得了目标的时域回波脉冲序列。研究了分层弹性球壳的厚度、各层材料属性、排布顺序等对时域回波特征的影响规律,提出了基于时域回波特征的声学编码方法。研究表明：利用水中分层弹性球壳目标高频时域回波特征能够实现声学编码,回波结构稳定,且不受限于探测方向。通过携带或安装这种分层弹性球壳结构,有望识别水下航行体/悬浮体等目标。该文的研究对水下目标的主动探测身份识别及导航等具有一定的参考价值。