基于球壳内壁反射的球形换能器自易校准方法

基于球形换能器发射的脉冲球面声波及其在同心球壳内壁的反射,应用机电互易定理,导出了在球面波发射回波声场中,用于校准球形换能器的互易常数。以此为基础,提出一种使用封闭球壳反射器的自易校准方法,通过一次测量即可得到球形换能器的5个基本电声参数。进一步,将自易法校准所得的电压灵敏度换算成平面波声场中定义的标准灵敏度,给出了换算系数。为确定该换算系数,发展了对换能器散射系数进行测量的方法。在25~63 kHz频率范围内,对半径10 mm的球形换能器实施了自易校准。结果表明,测得的电压灵敏度的标准不确定度估计优于0.9 dB。     

Reflector-based phase calibration of ultrasound transducers

Recently, the measurement of phase transfer functions (PTFs) of piezoelectric transducers has received more attention. These PTFs are useful for e.g. coding and interference based imaging methods, and ultrasound contrast microbubble research. Several optical and acoustic methods to measure a transducer’s PTF have been reported in literature. The optical methods require a setup to which not all ultrasound laboratories have access to. The acoustic methods require accurate distance and acoustic wave speed measurements. A small error in these leads to a large error in phase, e.g. an accuracy of 0.1% on an axial distance of 10 cm leads to an uncertainty in the PTF measurement of ±97° at 4 MHz. In this paper we present an acoustic pulse-echo method to measure the PTF of a transducer, which is based on linear wave propagation and only requires an estimate of the wave travel distance and the acoustic wave speed. In our method the transducer is excited by a monofrequency sine burst with a rectangular envelope. The transducer initially vibrates at resonance (transient regime) prior to the forcing frequency response (steady state regime). The PTF value of the system is the difference between the phases deduced from the transient and the steady state regimes. Good agreement, to within 7°, was obtained between KLM simulations and measurements on two transducers in a 1-8 MHz frequency range. The reproducibility of the method was ±10°, with a systematic error of 2° at 1 MHz increasing to 16° at 8 MHz. This work demonstrates that the PTF of a transducer can be measured in a simple laboratory setting.     

水声换能器研究新进展

文章综述了几种典型结构水声换能器近些年的新发展,包括:弯张换能器、圆柱面辐射型换能器、纵向换能器等等,主要介绍这些结构类型水声换能器的设计新思想和多方面优化改进的新成果。     

爆磁压缩发生器的爆炸管动力学效应

 对爆磁压缩发生器中爆炸管2维动力学简化模型进行了模拟计算,分析表明：径向膨胀速度会随径向位置（或者时间）的变化而变化,因此膨胀角也会随径向位置（或者时间）发生变化。对各时间点（或位置点）处的膨胀速度进行了平均,求得理论上的平均膨胀速度,再将该平均膨胀速度与实验测量值进行了比较。模拟结果给出了径向膨胀速度受到端头效应影响的情况,这可为改进实验结果提供参考。由于径向速度与轴向速度的比值一般在5以上,用作爆炸管的物质质量越大,这一比值就越大,因此选择密度较大的金属材料作为爆炸管,可减少滑移。应用2D简化模型计算出的膨胀角数值,与Gurney模型以及1D模型进行了比较,它们之间的差别可能主要来自2D效应。     

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。     

压电陶瓷非线性对大功率换能器结构参数匹配影响的计算分析

在Guyomar非线性模型基础上,通过机电等效法将晶堆前向负载作为等效质量和阻尼加入振动方程的质量项和阻尼项,推导了换能器振速、辐射声压级和谐振频率偏移率等表达式,计算分析了压电陶瓷非线性参数和结构参数对换能器声辐射性能的影响,研究了压电陶瓷的非线性对换能器结构参数匹配的影响。结果表明,换能器节面靠前,前盖板厚度越小,前盖板大径越小,都可以减少压电陶瓷非线性引起的换能器频率偏移。当设计频率确定时,压电陶瓷处于非线性工作域的换能器的结构参数有所减小。换能器加入辐射端匹配后,可以改善压电晶堆前向负载匹配,降低换能器的谐振频率偏移率。换能器激励电流也会出现频率偏移现象。在提高换能器激励电压时,换能器的结构参数应适当减小。得到的结论可为换能器设计提供理论依据和帮助。     

Self-calibration of a phase-shifting adapter for Fizeau interferometers

Phase-shifting interferometers with three piezoelectric transducers (PZTs) on their phase-shifting adapter (PSA) are widely used in precision measurement. The guarantee of the PSA to stretch as a flat is very important to the accuracy of the measurement. In this paper, we propose a systematic self-calibration method to calibrate the different displacements of the PZTs so that the PSA can be moved evenly as a flat. The proposed method uses only the interference patterns to calibrate the three PZTs and information about the exact position of the PZTs and the instrument parameters of the interferometer are not required. Experimental results show that, after calibration by the proposed method, the deviation of the measured phase shift error could be reduced about 43.1 times from 3.492 to 0.081°.     

新型声速测定仪的研制

论述了新型声速测定仪的结构、工作原理和实验内容，阐述了几种测媒质中超声波波速的方法。     

一种新的线成像激光干涉测速系统

 设计并搭建了一种新的线成像激光干涉测速系统,用于小样品材料的冲击波诊断或飞片速度测量。系统采用梳状干涉条纹做为信号载体,利用1维光纤阵列＋光电倍增管＋数字示波器替代变像管扫描相机作为记录设备,记录伪推挽四路干涉信号,实现1 ns时间分辨和86 μm空间分辨。用它测量了脉冲激光驱动铝膜飞片的速度场,获得对比度较好的信号,数据处理结果揭示了飞片加速过程将近20 ns,飞片的平面度为14.8 mrad。实验证明,该线成像激光干涉测速系统具有一定实用性。     

辐射驱动冲击波速度被动式测量

在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置上采用了辐射驱动冲击波速度被动式测量技术,对冲击波发光图像信噪比进行了理论分析和实验研究,结果表明：靶室内杂散光比冲击波信号至少强4个量级以上,是影响信噪比的关键因素。据此提出了信噪比控制技术,通过电磁屏蔽优化,采用了基于光触发的快时间分辨测量技术,提高了冲击波速度测量精度。基于冲击波测量辐射温度,对辐射驱动冲击波速度被动式测量技术进行了考核。实验测量的冲击波发光图像清晰,数据信噪比及冲击波速度和物理预期一致,验证了技术的可靠性。     

纳秒激光在铜靶材中诱导冲击波的实验研究

基于聚偏二氟乙烯压电传感器, 对铜靶材中纳秒激光脉冲诱导的冲击波传播过程进行了实验研究, 给出了铜靶材内冲击压强随激光脉冲能量和靶材厚度的变化规律. 实验结果表明: 500 mJ激光脉冲能量作用到2 mm厚的铜靶材产生的冲击压强达到2.1 MPa; 激光脉冲能量从200 mJ 增加到500 mJ, 在铜靶材厚度为2和4 mm条件下, 冲击压强分别增加了162%和231%; 而当铜靶材厚度从2 mm增加到6 mm时, 在400和500 mJ激光脉冲能量作用下, 铜靶材内冲击压强分别降低了32%和49%.     

辐射驱动冲击波速度被动式测量

在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置上采用了辐射驱动冲击波速度被动式测量技术,对冲击波发光图像信噪比进行了理论分析和实验研究,结果表明:靶室内杂散光比冲击波信号至少强4个量级以上,是影响信噪比的关键因素。据此提出了信噪比控制技术,通过电磁屏蔽优化,采用了基于光触发的快时间分辨测量技术,提高了冲击波速度测量精度。基于冲击波测量辐射温度,对辐射驱动冲击波速度被动式测量技术进行了考核。实验测量的冲击波发光图像清晰,数据信噪比及冲击波速度和物理预期一致,验证了技术的可靠性。     

钒的高压声速测量

采用反向碰撞方法进行了钒冲击实验,利用激光干涉测速技术对V/LiF窗口界面粒子速度剖面进行测量.通过对粒子速度剖面的分析获得了32—88 GPa压力范围内钒的高压声速.实验获得的声速-冲击压力关系在约60 GPa存在间断,表明钒发生了冲击相变.相变压力与静高压实验结果及第一性原理计算结果基本一致.     

标校经纬仪航向标定修正方法

为了准确有效地完成经纬仪航向标定,本文根据标校经纬仪坞内航向标校原理,分析了各单项误差对航向标定的影响,建立了照准差和定向误差同时影响下的航向标定修正模型,给出了具体的修正方法。实验及检测结果表明,用正倒镜法测得的定向误差数值等于定向误差与照准差的差值。文章验证了修正方法的正确性和有效性,规范了坞内航向标定方法,为测量船完成测量任务奠定了基础。     

标校经纬仪航向标定修正方法(英文)

为了准确有效地完成经纬仪航向标定,本文根据标校经纬仪坞内航向标校原理,分析了各单项误差对航向标定的影响,建立了照准差和定向误差同时影响下的航向标定修正模型,给出了具体的修正方法。实验及检测结果表明,用正倒镜法测得的定向误差数值等于定向误差与照准差的差值。文章验证了修正方法的正确性和有效性,规范了坞内航向标定方法,为测量船完成测量任务奠定了基础。     

一种新的线成像激光干涉测速系统

设计并搭建了一种新的线成像激光干涉测速系统,用于小样品材料的冲击波诊断或飞片速度测量。系统采用梳状干涉条纹做为信号载体,利用1维光纤阵列＋光电倍增管＋数字示波器替代变像管扫描相机作为记录设备,记录伪推挽四路干涉信号,实现1 ns时间分辨和86 μm空间分辨。用它测量了脉冲激光驱动铝膜飞片的速度场,获得对比度较好的信号,数据处理结果揭示了飞片加速过程将近20 ns,飞片的平面度为14.8 mrad。实验证明,该线成像激光干涉测速系统具有一定实用性。     

放射源探测效率的动态刻度方法

利用133Ba面源和137Cs点源匀速下降,成功刻度了133Xe气体体源的探测效率和137Cs线源的探测效率;利用133Ba面源和137Cs点源非匀速下降,成功刻度了非均匀分布的133Xe气体体源的探测效率和137Cs线源的探测效率。结果表明：匀速下降情况下,尺寸为f46.8 mm20 mm和f63.5 mm20 mm放射性133Xe气体体源的探测效率分别为0.155 和0.143,标准不确定度为8.4%(包含因子k=2 )。非均匀分布的体源效率和均匀分布的体源效率两者偏差在14%,线源的偏差在23%,可见由非均匀性引起的误差必须进行校正。     

低孔隙度疏松铝的高压声速与冲击熔化

对含微孔洞疏松度m=1.04的疏松铝进行了冲击加载-卸载实验,利用DISAR(distance interferometer system for any reflector)测得了53至99 GPa五个冲击压力下疏松铝/LiF界面粒子速度波剖面,获得了各压力下的纵波声速和其中三个压力点的体波声速,确定出疏松铝的冲击熔化压力约为81 GPa,确定出高压下冲击熔化前的泊松比约为0.372.通过分析,微孔洞明显降低了冲击熔化压力,引起的非谐振效应明显,状态方程计算中考虑非谐效应,非谐因子l 关键词： 低孔隙度 疏松铝 声速 冲击熔化     

风场环境中声速修正的分布式声源定位算法

为减小声速误差对定位精度的影响,提出了一种基于声速修正的分布式声源定位方法。首先,将声速表示为未知声源位置的函数,逼近风场中的声速场分布,然后将其代入TDOA (Time Differences of Arrival)算法中,构建非线性超定方程组,最后采用粒子群优化算法求解声源位置。对不同风速、不同声源位置及不同测试区域进行仿真,结果表明:修正后的定位精度比修正前有明显提高,尤其对于大范围并且声源靠近测试区域边缘位置的定位系统,改善更加明显;4个节点的定位系统实验结果表明,修正后的定位误差可降至修正前的4l%,该方法能更好的应用于风场中的定位系统。     

光弹法测量超声换能器声场

超声换能器声场的测试对于超声检测具有基础性作用,而传统的超声换能器声场测试方法具有一些局限性。本文介绍了搭建的动态激光光弹实验平台,并利用动态光弹法测量了纵波换能器和横波换能器辐射声场的特征,由瞬态声场图像获得了传声介质的声波速度及超声换能器的中心频率;由稳态声场图像获得了声场的近场长度、指向性和扩散角等参数;分析了光弹实验系统和测量方法可能引起测量误差。本文结果表明动态光弹法是一种有效的定量测量超声换能器声场的方法。