超声数字式相控阵换能器动态聚焦系统研制

本文是研制超声相控阵换能器动态聚焦系统,它包括数字式多通道信号发射系统和两种超声相控阵换能器。用数字式多通道信号发射系统产生多路数字信号,通 过改变每路信号的时延(相位),控制相控阵换能器的各个阵元,使它们发出的声束在空间某点聚焦。我们对这两种相控阵进行了实验测量,结果表明,用数字控 制的相控阵换能器,可以实现精密的动态聚焦,并可取得良好的聚焦效果。     

圆台形超声相控阵列在管材检测中的聚焦声场

针对一种新型的用于钢管横向缺陷检测的圆台形超声相控阵列,提出了计算管内一次波位移场的模型。设计了三维情况下,圆柱界面存在时的时间延迟法则,并在高频近似下,利用瑞利积分法结合稳相法,研究和计算了管材横截面以及纵剖面上的二维声场分布特性。最后详细讨论了圆台形相控阵列中心夹角、阵元宽度及动态阵元数等参数对管材中聚集声场的影响。结果表明,这种模型以及计算方法可以有效地分析圆台形阵列在钢管内的辐射位移场特性,为实际制作这种圆台形阵列提供理论指导。     

相控阵超声接收动态聚焦算法及其物理实现

本文提出一种新的相控阵接收动态聚焦的实现方案,在传统的单接收聚焦点接收的基础上,把各换能器单元接收信号的补偿位置计算出来,在各通道数据叠加前将数据动态补偿,实现各个采样点都接收动态聚焦。在工程上,实际检测深度有一定范围限制,补偿点数其实并不是太大,所以方法具有可实现的条件。并且在计算补偿点时,可以使用楔块折射后的声波传播路径,使在折射的条件下也可成功动态聚焦。本文提供了计算补偿点的方法,最后给出了计算机仿真对比和物理实现方案,仿真结果可以看出成像效果与传统单点聚焦相控阵对比有了显著提高。提出的动态聚焦的方法很大地改善了成像质量,方法具有实用价值。     

基于粒子群算法的稀疏阵列超声相控阵全聚焦成像

为降低相控阵超声检测全聚焦算法的成像数据量及阵列稀疏优化的计算时间,研究了一种用于稀疏阵列全聚焦成像的阵列优化算法,并通过实验对其成像效果进行了验证。针对目前超声相控阵检测的全矩阵采集数据量大、全聚焦算法成像时间长的难点,该文通过构建稀疏阵列,在保证成像质量的同时显著降低成像数据量,提高了全聚焦算法的成像效率。通过以主瓣宽度、旁瓣峰值以及主瓣峰值作为约束条件构建适应度函数,采用粒子群算法得到稀疏阵元位置分布并进行阵元权重修正,并将其用于稀疏全聚焦成像。相比全阵元成像,使用粒子群算法所得的稀疏阵列的阵元个数降低了56.25%、65.62%,数据使用量降低了80.86%、88.18%。在阵列优化方面,相比遗传算法减少了84.86%的计算时间。     

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...     

相控阵高强度聚焦超声的研究进展

相控阵高强度聚焦超声（high Intensity focused ultrasound,HIFU）技术可以通过电子调相自由控制聚焦区域中焦点的形状、位置、个数等,实现高精度、高效率的治疗。文章主要介绍了相控聚焦超声的原理、阵型设计、声场优化、控制算法、电路设计以及换能器材料等几个方面。     

界面条件下线型超声相控阵声场特性研究

开展了界面条件下线型超声相控阵声场特性的研究.将带有楔块的超声相控阵问题合理简化为液固界面的情况进行讨论.根据射线声学理论,计算了单阵元在液固界面存在时的辐射声场,进而推导了聚焦法则,得到了超声线型阵在液固界面存在时的声场、位移场表达式.对安装在楔块上的相控阵换能器的辐射声场进行了仿真,并讨论了聚焦对换能器轴向和横向声场的影响,结果表明利用聚焦能提高分辨率和灵敏度,但聚焦区域之外声束性能更差,在实际检测中要合理利用聚焦. 关键词： 超声相控阵 界面 声场 聚焦     

渐进式频率-波数域全聚焦超声成像

为了提高全聚焦超声成像的质量和速度,提出了渐进式频率波数域全聚焦超声成像方法（GTFM-FW）。首先通过逐次激励超声相控阵各阵元并全孔径采集回波,得到全矩阵数据;然后通过傅里叶变换将全矩阵数据中的一组或多组对角线数据变换到频率波数域,对各组对角线数据的变换结果进行对齐并叠加;最后利用Stolt变换和二维逆傅里叶变换得到全聚焦成像结果。为了验证算法的有效性,对仿真点目标以及试块进行了详细成像实验。结果表明:本文方法可以通过改变全矩阵数据的使用量来实现成像分辨率与旁瓣干扰间的折中。并且由于采用频率波数域处理,在成像分辨率优于传统全聚焦成像算法的情况下,运算量大大降低。     

阵元固体指向性补偿对超声全聚焦成像的 优化研究*

超声全聚焦成像中,声波的传播受到阵元指向性的影响,位于阵元不同方位的缺陷成像幅度不同。缺陷相对阵列中心偏角越大,回波幅度越低,容易造成漏检。为提高超声全聚焦算法对固体中大偏角缺陷的成像能力,该文引入了矩形阵元固体指向性函数,建立了基于固体指向性补偿的超声全聚焦优化算法,利用指向性系数对不同角度区域的成像进行幅值补偿。实验结果表明,相对于基本超声全聚焦和传统指向性补偿的超声全聚焦算法,该文固体指向性优化算法对大偏角缺陷的成像幅度补偿效果更好,检测灵敏度更高,有效避免了缺陷漏检,扩展了超声全聚焦算法检测范围。     

基于单焦点扫描的聚焦超声相控阵列波形分集方法

波形分集方法可以用于优化超声相控阵列的声能沉积分布。本文阐述了波形分集方法用于超声热疗的声学理论背景,将发送声波时间内目标区域的声能沉积看作是不同位置的单焦点能量按一定时间规律累积的结果,提出了基于单焦点扫描的波形分集方法。该方法将声能沉积分布的优化问题建模为线性规划问题,可以方便求解出各单焦点扫描时间的比例系数,用于设计发射波形。与已有的方法相比,该方法对应的物理实现过程更清晰,计算量更小,并可直接综合出满足恒模条件的发射波形。从仿真结果中看到,该方法可将声场能量均匀的集中在预定区域,并在该区域外保持较低的能量沉积,能有效优化声能沉积的分布。      

带斜楔相控声束偏转聚焦延时特性研究

带斜楔的相控阵超声检测广泛应用于低碳钢薄壁工件焊缝的检测,研究带斜楔的相控阵超声偏转聚焦检测延时法则和对应的声场将使检测可靠性进一步提高。本文利用费马原理探究了相控阵超声探头辐射声波至楔块中,在楔块-工件平面界面发生模式转换入射到工件中的横波聚焦时各阵元延时的计算方法,数值求解指定焦点时各阵元的延时,并利用计算得到的延时进行声场仿真和实验测量,发现声波能很好的聚焦在目标点,仿真和实验结果吻合。     

B型套筒角焊缝缺陷相控阵超声检测定量方法

B型套筒修复作为油气管道修复的主要方式之一,在其修复的焊接过程中,该结构的环形角焊缝内部常常出现以气孔、夹渣为代表的孔型缺陷。这类缺陷由于角焊缝特殊的结构,在利用相控阵超声无损检测技术对其检测时,难以对其进行定量分析。通过数值模拟和实验,发现通过相控阵超声扇扫得到缺陷回波信号峰值与孔型缺陷直径呈正相关,为孔型缺陷的定量分析提供了一种可靠的手段。     

平面相控阵的尺寸对声波聚焦效果的影响

对平面相控阵加上一定的时间延迟即可实现声波的聚焦的性质进行了研究，推出了平面相控阵的空间声压分布表达式，并采用数值分析法，探讨了相控阵的尺寸对声波聚焦效果的影响。为进一步研究相控阵打下了基础。     

超声相控阵距离幅度曲线计算方法

超声相控阵偏转聚焦声场能量分布不均匀,造成不同位置的缺陷回波幅度差异,针对该缺陷量化问题,提出超声相控阵系统距离幅度曲线理论计算方法。在非近轴近似声场模型的基础上,结合缺陷散射模型来建立相控阵系统测量模型,再利用该方法来预测不同位置横通孔缺陷的回波信号,进而获得信号幅度随位置的变化曲线。分析对比了不同偏转聚焦声束理论计算结果与实验测量结果,两者幅度在焦点附近具有较好的一致性,偏差在5%以内,验证了超声测量模型计算方法的有效性。     

Optimal ultrasonic array focusing in attenuative media

This paper presents a parametric study on the efficiency of ultrasound focusing in an attenuative medium, using phased arrays. Specifically, an analytical model of ultrasound wave focusing in a homogeneous, isotropic and attenuative fluid with point sources is presented. Calculations based on the model have shown that in an attenuative medium, an optimum frequency exists for the best focusing performance for a particular size of aperture and focal distance. The effect of different f numbers on the focusing performance in the attenuative medium is further investigated. The information obtained from the analytical model provides insights into the design and installation of a phased transducer array for energy efficient wave focusing.     

An ultrasonic multi-wave focusing and imaging method for linear phased arrays

To overcome the inherent limits of traditional single wave imaging for nondestructive testing,the multi-wave focusing and imaging method is thoroughly studied.This method makes the compressional waves and shear waves focused in both emission and reception processes,which strengthens the focusing energy and improves the signal-to-noise ratio of received signals.A numerical model is developed to study the characteristics of a multi-wave focusing field.It is shown that the element width approaching 0.8 wavelengths of shear waves can keep a balance between the radiation energy of two waves,which can achieve a desirable multi-wave focusing performance.And an experiment using different imaging methods for a linear phased array is performed.It can be concluded that due to the combination of the propagation and reflection characteristics of two waves,the multi-wave focusing and imaging method can significantly improve the imaging distinguishability of defects and expand the available sweeping range to a sector of-650 to 65°.     

浅海低频垂直相控阵多模声场聚焦研究*

为了提高低频垂直相控阵声场聚焦的环境适应性,增强环境失配情况下的声场聚焦效果,提出一种多模声场聚焦方法。该方法利用环境失配对低阶模态影响相对较小的特点,只利用前3阶模态进行发射权系数的计算。仿真结果表明,多模声场具有较大的聚焦跨度,在环境失配情况下仍能在期望的聚焦位置实现良好的聚焦效果。进一步地,根据巴斯微扰理论计算分析了多模声场的混响特性。由于多模声场聚焦将能量集中到了掠射角较小的低阶模态中,因此比最优权系数聚焦具有更低的混响平均强度。多模聚焦对聚焦深度进行扫描可以实现目标的深度分辨,这在水下目标探测方面具有较高的应用前景。