固体性能研究中的非线性超声波

有限振幅的超声波在固体中传播时会发生波形畸变,伴随着高次谐波的出现。波形畸变主要来自两个方面:固体中晶格原子之间作用力的非线性以及固体中位错和超声的非线性相互作用。本文评述了这些机制所引起的超声非线性传播特征,高次谐波振幅与固体三阶弹性常数的关系以及超声非线性谐波的测量在固体疲劳效应、微裂缝检测中可能的应用。本文也简述了测量超声非线性畸变的实验方法,指出了超声非线性传播中某些有兴趣的问题。     

固体性能研究中的非线性超声波

有限振幅的超声波在固体中传播时会发生波形畸变,伴随着高次谐波的出现。波形畸变主要来自两个方面:固体中晶格原子之间作用力的非线性以及固体中位错和超声的非线性相互作用。本文评述了这些机制所引起的超声非线性传播特征,高次谐波振幅与固体三阶弹性常数的关系以及超声非线性谐波的测量在固体疲劳效应、微裂缝检测中可能的应用。本文也简述了测量超声非线性畸变的实验方法,指出了超声非线性传播中某些有兴趣的问题。     

超声波传播的观察

近年来超声在许多科学和技术领域中获得了广泛的应用。人们对于超声的研究也日益发生兴趣。要研究和应用超声,首先要了解超声的传播特性。在普通情况下,超声是看不见的。但是,根据介质在超声作用下,其折射率将要发生变化的原理就可能直接观察超声的传播景象。本文介绍作者做过的一些观察超声的实验,这些实验是按照G.W.Willard的方法进行的,所得结果尚为满意。文里引述了观察装置的设计、结构、实验所得的光线被超声所引起     

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.     

激光协同聚焦超声辐照生物样品增强热效应的实验和理论研究

对中等强度聚焦超声在生物样品中产生的热效应以及激光协同超声增强热效应进行了实验和理论研究。实验上,对生物和仿生样品在超声作用和激光协同超声作用下加热情况进行测量,通过对比表明,激光协同超声作用于生物样品,引起空化效应以及温度升高更为明显。同时,理论上对聚焦超声在生物样品中衰减产生的热效应、超声空化以及激光协同超声增强空化及其产生热效应进行机理分析。通过对机理的分析表明,激光引起的光致核化使超声空化更易于产生,有效的增强空化效应,进而增强热效应。为对具体实验给出量化分析和估算,通过理论与实验结果相拟合,对超声传播引起的温度升高进行计算,并估算超声和激光协同超声产生空化微泡对加热效应的不同贡献,为空化效应在超声治疗中的贡献提供参考数据。      

驻波法测量声速实验中的非完全驻波

用驻波法测量声速是大学物理实验中普遍采用的实验.如图所示,超声信号发生器的功率输出电信号加在压电陶瓷换能器A上,使其因逆压电效应成为超声波发生源,发出的一束声波在空气中传播到换能器B.如发射面和接受面相互平行,就使一部分超声波被接受面反射回去.     

哺乳动物组织的超声性质研究进展

在医学超声和超声生物物理学的发展与推动下,有关哺乳动物组织超声性质的研究变得非常重要。所谓超声性质主要是指超声传播衰减、速度及非线性现象等。近一、二十年来,建立并使用了多种实验方法,对哺乳动物组织的超声衰减和传播速度进行了大量测试和研究工作。 本文将介绍有关哺乳动物组织超声衰减和传播速度迄今所获得的系统而有意义的研究数据,并逐一地讨论这些参量与组织的主要组份——水、胶原、脂肪及总蛋白含量之间的定量关系,以及它们在超声诊断技术中的重要意义。     

基于声光效应的两种测量超声声速的方法比较

介绍了声光晶体中超声驻波原理,比较了衍射法和阴影法两种方法在测量声光介质中超声声速的应用,分析了两种方法的优缺点,有利于更加深入地理解超声驻波在声光介质中的传播。     

英国ULTRASONICS期刊消息

英国ULTRASONICS期刊主办的国际超声会议’93(UI’93)将于1993年7月在奥地利维也纳召开。 Ultrasonics期刊欢迎各国作者投稿。稿件内容包括:超声学物理(声-光、超声显示、超声成象、声电装置、声表面波、声显微镜、声发射、超声传播、激光器用于超声、化学反应),非线性超声,医学,生物和化学超声,水声,功率超声,超声无损检测,超声换能器等。     

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。     

超声相控阵在多层媒质中的声场模式优化

针对超声在多层媒质中的传播特性,引入相位补偿因子并结合遗传算法, 提出了一种可对多层媒质进行声聚焦控制的方法.利用该方法对16×16二维超声相控阵在多层生物媒质中的多焦点声场模式进行了仿真,计算了生物媒质不同厚度层和不同吸收系数时的声场. 结果表明:该方法能优化多焦点声场模式,抑制旁瓣,提高声场增益,将声强最大限度地聚焦在目标区域内; 改变生物组织不同层的厚度和不同层的吸收系数,焦点位置不发生变化,但焦域内的声强会有所变化.     

超声强度定性演示实验

利用超声波在介质中传播使质点产生强烈振动而引起界面的变化。演示了超声场在换能器平面辐射、聚焦系统下焦平面及其以内的横截面上的液包喷泉的变化．     

超声全聚焦成像中等声程线伪影剔除方法

针对超声全聚焦成像算法中等声程线扩散产生的原理性伪影问题,提出了一种基于超声回波声场有效等声程线和图像强度分布特征相结合的伪影剔除方法。首先分析了全聚焦成像算法中等声程线产生伪影的机理,根据数据均方根误差自适应辨识有效等声程线;通过Canny算子获取全聚焦图像待处理候选区域,再根据候选区域中有效等声程线相交次数和图像强度的分布特征辨识缺陷图像和伪影,利用图像中强度最低像素值扩展填充剔除伪影后的区域,进而达到剔除伪影的目的。通过在不同直径通孔类和槽类标准缺陷试块上声场模拟实验,结果表明伪影剔除效果显著。同时,该方法对噪声也有一定的抑制能力,在不加滤波的条件下信号信噪比高于15 dB时就可获得较好的去伪影效果。     

时间反演聚焦经颅磁声电刺激仿真与实验研究*

无创脑神经调控技术是生物医学领域的研究热点,经颅磁声电刺激是利用静磁场和声场的耦合而产生的感应电场作用于神经组织,对大脑的目标位置进行刺激和调控的一项技术。颅骨的存在使超声在传播过程中发生相位畸变和幅值衰减,聚焦区域偏离,难以实现精准聚焦。该文基于时间反演法,模拟颅内点声源发射脉冲以及超声传播过程,计算各个阵元接收到的时间差,按照后到先发的原则发射脉冲进行聚焦刺激。与传统相控阵聚焦相比,焦点偏移现象基本得到解决,焦域横向、纵向分辨率均有所提高,提高了声束聚焦精度和感应电场峰值。通过搭建实验平台,将两种聚焦方法所测得的声场归一化处理,验证了时间反演法能补偿焦点偏移,并通过实验证实了超声换能器声场和产生感应电场分布存在较高的一致性。基于真实颅脑结构的虚拟点源时间反演聚焦可以实现无创、精准、灵活的经颅磁声电刺激,有助于推动精准神经调控技术的发展。     

基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法*

超声相控阵是超声检测领域常用的材料缺陷定位和成像技术,可便捷快速地对裂纹、孔洞等缺陷进行成像。但是,传统超声相控阵方法对较小缺陷如闭合裂纹不太敏感。非线性超声信号因对材料性能退化以及微小缺陷敏感而广受关注。本文针对疲劳闭合裂纹检测,提出一种基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法,通过测量物理聚焦和虚拟聚焦两种聚焦模式下超声扩散场中的声能差,并将其作为非线性参量,实现疲劳裂纹闭合部分的定位成像和定量表征。将该法应用于7075铝合金试样疲劳裂纹的实验测量,并研究了扩散场信号延迟时间对非线性超声相控阵成像结果的影响。结果表明：相较于传统超声相控阵全聚焦法,基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法能够更准确地定位和成像疲劳裂纹闭合部分;延迟时间的选择对疲劳裂纹长度的表征精度影响较大,本文研究了该延迟时间的选择方法并实现了检测结果的优化。     

3D computational method to study the focal laws of transducer arrays for NDE applications

Based on the impulse response and the discrete representation methods, a 3D computational method has been developed to calculate the optimal focal laws to focus the ultrasonic beams through interfaces of complex geometry, and the respective transmitted ultrasonic field generated by NDE transducer arrays. 1- and 2D array transducers are considered. Two different focusing techniques are used to obtain the time delays: the first travel time on each center of the array element, and the cross correlation between the simulated signals from neighboring array elements. Applying the time delays to the array, the transmitted field can be simulated using the same computational method. Several simulations were performed to present the ability of the computational method to focus through, for instance, curved and plane surfaces between two media (acrylic-steel). A comparison between the two focusing techniques is presented.     

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     

带楔块二维面阵列超声相控阵声场特性分析

开展了带楔块二维面阵脉冲超声相控阵辐射声场特性的研究。将安装在一定角度斜楔块上二维面阵相控阵换能器声场问题简化为液固界面情况进行讨论。以单阵元在液固平界面条件下的辐射声场为基础,推导了聚焦偏转法则,给出了带楔块二维面阵超声相控阵声场计算方法。以检测材料为钢板,安装在倾斜角为36°有机玻璃楔块上的频率为5 MHz、8×8二维面阵相控阵的辐射声场计算为例,分析了在不同偏转角和不同聚焦深度下检测材料中的辐射声场特性。计算结果表明该方法可有效的分析带楔块二维面阵超声相控阵声场特性并用于指导二维超声面阵角束探头的设计。      

超声聚焦探头在固体中辐射声场的动态光弹测量方法

超声聚焦探头在声场聚焦区域具有很高的检测灵敏度和分辨力,是工业超声检测中常用的探头。聚焦探头在固体中的聚焦特性直接影响检测效果,其传统测量方法通过水中聚焦参数间接换算而来,结果存在一定的误差。动态光弹法可以直接观测透明固体中的探头辐射声场,具有直观、无反射体或水听器的浸入影响、全场观测等特征。进一步采用圆偏振光并结合Senarmont补偿法,可精确测量透明固体中探头辐射声场的绝对应力分布,给出聚焦探头在固体中的聚焦参数,包括焦距、焦柱长度和焦斑宽度。实验测量结果与有限元仿真计算及小球反射法测量结果吻合较好,表明了动态光弹法定量测量聚焦探头辐射声场的可行性。     

运动界面上反射超声散斑空间运动的研究

在Kirchhoff 衍射理论的基础上，应用随机信号相关原理，推导了作刚体运动的界面上反射超声散斑在空间运动时，保持其复振幅相关的必要条件.由此得到超声散斑的空间运动公式.界面、超声散斑和超声接收探头之间的相对运动，导致界面孔径的改变.分析表明，在保持界面孔径相关的条件下，界面所允许的最大平移量和转角值，与声源位置、接收用聚焦探头的数值孔径、超声入射角以及观察角有关.应用数字相关技术和三维扫描信号采集系统，根据散斑场子集相关系数的单峰性质，对超声散斑空间运动公式进行了实验验证.实验结果表明，理论分析所得的 关键词： 超声散斑 相关原理 空间运动