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...     

厚胶层复合材料弱粘接结构的超声反射特性

开展了复合材料粘接结构粘接质量的非接触式超声反射特性的仿真与实验研究。首先,建立了水浸环境下纤维增强复合材料(FRP)单层板时域仿真模型,数值分析了不同入射角度下声反射系数频率谱的变化规律,并与已有理论方法进行了对比验证。基于此,建立了含厚胶层的复合材料粘接结构反射特性时域仿真模型,分析了粘接界面弱化程度对超声反射系数频谱特征点的影响规律。基于水浸超声反射特性测量系统,实验萃取了完好粘接状态的FRP粘接结构的超声反射系数频谱,与仿真结果吻合良好。随后,制备了具有不同粘接界面状态特征的FRP粘接结构试样,从实验角度揭示了单/双粘接界面弱化状态与超声反射特性间规律性的偏移特征。基于不同粘接状态与超声反射特性间的规律性分布特征,可为厚胶层复合材料粘接结构的粘接质量评估提供新的研究思路。     

利用纳米力学方法对皮肤进行超声组织定征的研究

纳米力学方法适用于具有离散特性的材料.利用纳米力学方法,得出声波在多层皮肤组织中的波动方程.分别改变黑素瘤皮肤的泊松比、黑素瘤侵袭厚度(Breslow深度)、节间距离,计算多层皮肤结构模型对垂直入射纵声波的反射系数.同时计算了声速和声衰减系数随组织参数的变化.计算结果表明,可综合利用一定频率段内反射系数最小点数、声速和衰减系数的变化来表征正常皮肤和病变皮肤.     

海底沉积物的声学方法分类

本文提出一种垂直入射声脉冲遥测海底表层沉积物类型的方法。一些作者已经指出,海底反射系数可以作为特征量用于识别沉积物类型。然而,回波信号的形状可能包含沉积物类型更多的信息。本文尝试从回波包络的形状提取分类特征量。作者在实验中采取了减少表面散射影响的措施,采用较高的频率(120kHz),突出了沉积物中声衰减系数对回波包络形状的作用,从而提取出一个与衰减系数相关联的分类特征量F。该特征量与海底反射系数、海底粗糙度无关,用计算机软件实现了分类器。对五类海底分类75次的成功率为77.3％。     

高声阻层下指纹的高频超声成像实验

分析了高频超声波垂直透过5层不同厚度介质的传播特性,利用传递矩阵推导出超声波在此多层结构的零界面处反射系数与各层介质厚度关系的解析表达式,用解析解做数值模拟,并用COMSOL有限元仿真验证,得到了超声回波在时域上的声学特征.使用高频超声换能器激发与采集分层介质中的超声宽频信号,得到玻璃层和模拟指纹层间反射回波中带有指纹...     

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。     

基于双高斯衰减模型的超声回波处理方法

信号降噪与特征提取是超声检测数据处理的关键技术.基于超声信号有特定结构而噪声和超声信号的结构无关,本文提出一种旨在解决强噪声背景下超声回波的参数估计和降噪问题的方法.该方法将超声回波的参数估计和降噪问题转换为函数优化问题,首先根据工程经验建立超声信号的双高斯衰减数学模型,然后根据观测回波和建立的超声信号模型确定目标函数,接着选择人工蜂群算法对目标函数进行优化从而得到参数的最优估计值,最后由估计出的参数根据建立的超声信号数学模型重构出无噪的超声估计信号.通过仿真和实验表明本文方法可以准确估计出信噪比大于-10 dB的含噪超声回波中的无噪信号,且效果优于基于自适应阈值的小波降噪方法和经验模态分解方法;此外相比常用的指数模型和高斯模型,本文提出的双高斯衰减超声信号模型与实测超声信号更接近,其均方误差为9.4×10~(-5),波形相似系数为0.98.     

气泡幕后向散射光信号特性的蒙特卡罗方法研究

利用蒙特卡罗方法对水介质中的气泡幕的后向光散射回波信号进行了系统仿真。通过对计算结果与实验结果的比较,证明了蒙特卡罗方法的有效性。根据仿真结果,结合理论分析的方法,对气泡幕位置、厚度和接收器视场角等参数对回波信号的影响进行了分析,结果表明:回波信号出现时间与气泡幕位置存在一一对应的关系;在气泡幕的衰减系数ρσt不变的情况下,存在一个有效气泡幕厚度,当大于该厚度时,气泡幕的后向光散射回波信号基本不变;在系统各项参数不变的情况下,适当增加接收器的视场角,可有效地提高回波信号的信噪比。     

海底回波空间相关特性研究

阐述了海底回波空间相关特性的基本原理,引入了Kirchhoff模型进行回波仿真并计算空间相关函数,分析了密度比、声速比、衰减系数、海底表面不平整性空间谱的谱系数和谱指数等底质参数对回波空间相关特性的影响。通过建立上述底质特性参数与沉积物平均粒径的φ值之间的表达式,得到了回波空间相关特性随沉积物平均粒径的变化趋势:随着φ值的增大,空间相关函数的主瓣宽度变窄。将仿真结果与2007年10月份采集的海试数据进行比较,发现在海底底质相同的情况下,二者的空间相关函数波形符合得较好。      

聚合物及其混合物的太赫兹介电性质测定与分析方法

聚合物材料因其对太赫兹波的高透过率以及良好的塑形能力在太赫兹研究中扮演了重要的角色,由于材料的介电特性直接关系着折射率、极化率等重要性质,不同的应用场合通常需要材料呈现出特殊的太赫兹介电响应,一方面可以选取不同的聚合物材料,另一方面可以通过多种聚合物的混合实现材料介电性质的调制。聚合物材料合理的选取和设计建立在材料太赫兹介电精确表征之上,然而利用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)对聚合物材料进行透射式太赫兹介电表征时,材料内部空气孔隙的存在会影响表征结果的复现性,同时也会影响共混聚合物介电性质的分析和预测。因此以Landau, Lifshitz, Looyenga(LLL)模型为基础提出了考虑空气影响的介电分析模型,并选取了在太赫兹研究中广泛使用的聚合物材料聚乙烯(PE)和聚四氟乙烯(PTFE)对模型的有效性和稳定性加以验证,展开了两种材料单质和混合物两方面的介电分析。在太赫兹波透射样品之后的相位变化信息中提取出样品的介电常数,同一种物质制备的样片间太赫兹介电谱存在明显差异,使用包含气隙影响的LLL模型处理实验数据后,样品介电常数中空气的介电影响被移除,从而得到了两种材料的本征介电常数,在此基础上,使用测得的本征介电常数和混合物样品中两种材料的体积占比信息代入包含气隙影响的LLL模型计算得到了不同配比混合物的太赫兹介电常数的模拟值,并与THz-TDS实验获取的实验值进行了对比。利用所提出的有效介质模型,聚乙烯和聚四氟乙烯在10～40 cm-1波段内移除空气影响后的平均介电常数为2.315±0.003（±0.13%）和2.109±0.003（±0.14%）,在不同重量、不同厚度的单组份样品间模型测定的聚合物介电常数保持了良好的重复性,在对混合物的太赫兹介电性质测定与分析中,利用模型计算的混合物介电常数模拟值与THz-TDS测定的介电常数实验值保持了高度线性相关,其相关系数为0.964 3,全局相对误差为1.08%,体现了模型的可靠性。提出的介电分析模型可以扩展到更多的高分子材料单质及其混合物的太赫兹介电性质表征中,对太赫兹波段的共混聚合物材料设计具有参考价值。     

钢-混凝土结构弱粘接界面缺陷的超声导波检测*

钢-混凝土结构是土木工程中的一种常用结构形式,钢与混凝土粘接处可能出现弱粘接甚至完全脱粘的缺陷,严重影响结构的安全性。该文提出利用空气耦合超声导波衰减的方法实现钢-混凝土结构粘接状态的非接触无损检测方法,分析不同厚度粘接界面对超声导波衰减的影响。基于全局矩阵技术对钢-混凝土结构求解理论频散方程和衰减曲线,得到界面层不同粘接条件下的理论参数及衰减特性。建立不同粘接条件的有限元模型,定量分析不同模态对粘接缺陷的检测敏感度。研究界面层厚度分别为1 mm和2 mm两种情况下S0能量的衰减情况。研究结果表明:S0模态可有效判断粘接结构的粘接状态,对于同一界面层厚度,随着界面粘接条件变弱,S0最大幅值与A0最大幅值比不断增大;不同厚度同一粘接条件下,2 mm相较于1 mm该值更大。该方法在钢-混凝土结构粘接界面缺陷的检测方面具有良好的应用价值和发展前景。     

Nonlinear propagation effects on broadband attenuation measurements and its implications for ultrasonic tissue characterization.

A study is presented in which the influence of the pressure amplitude of the incident pulse on the estimated frequency dependency of the attenuation coefficient is shown. First, the effect is demonstrated with a simple theoretical model for both transmission and reflection measurements. Simulations show that for both measurement techniques a high-amplitude incident pulse results in a biased estimate of the attenuation coefficient due to nonlinear interaction of the different frequency components of the incident pulse. It is shown that in transmission and reflection measurements the biases have opposite signs. The effect of bandwidth, central frequency, and phase of the incident pulse on this bias is investigated. Second, the effect is demonstrated both in vitro, using a broadband through-transmission substitution technique on a tissue mimicking gelatine phantom, and in vivo, using reflection measurements with standard clinical equipment. The experimental results agree well with the theoretical model. The relevance of this study for ultrasonic tissue characterization is shown.     

光源对激光超声信号特性的影响分析

通过已搭建好的激光超声检测实验平台,在保持相同激光脉冲能量和相同探测位置的条件下,重点研究了点光源与线光源产生的超声信号的特点和区别。研究了不同探测位置点光源与线光源激发出的超声信号幅值以及产生的超声信号波形。实验发现:在同一探测位置下,将点光源换成线光源后,产生的超声信号幅值由1.3 V提高到1.7 V,提高了0.4 V;在探测位置逐渐增大的情况下,点光源激发出超声信号幅值的衰减幅度为75.78%,而线光源激发出的超声信号幅值的衰减幅度为34.92%。结果表明,在功率密度相同的情况下,线光源产生的超声信号要比点光源产生的超声信号幅值提高40.86%,产生较强的表面波,提高了信噪比。     

Estimation of ultrasound attenuation and dispersion using short time Fourier transform

Determination of the acoustic attenuation and dispersion has important applications in ultrasound tissue characterization and non-destructive material testing. Current signal processing methods Fourier transform of ultrasound signals to get the spectra of amplitude and phase to estimate respectively the attenuation and dispersion of a given medium. These methods are frequency domain method and obsessed with ambiguity issue in the phase unwrapping calculation. Conventional ultrasound velocity measuring method detects the time of arrival of a pulse (or echo) signal, which is a time domain method to compute group velocity (not phase velocity). This paper presents a novel approach based on the short time Fourier transform (STFT)--a time-frequency analysis, to estimate the ultrasonic dispersion and attenuation. Only the amplitude information of the pulse-signal spectra is used. Based on the time-frequency presentation, the attenuation coefficient of the signal is obtained by computing the amplitude decay of pulse spectrum in time domain, while phase velocities are obtained based on the "time-of-flight" (TOF) of the mono frequency component of the pulse signals. As a result, we eliminate the ambiguity issue in phase angle calculation. Furthermore, the proposed method makes the phase velocity pedagogically intuitive for novice users. The paper presents experiments to evaluate demonstrate the performance of the proposed method.     

涂层厚度与粘接质量的电磁声谐振无损检测

为了解决电磁超声(EMAT)涂层质量检测中接收信号信噪比较低的问题,将电磁声谐振技术(EMAR)应用于涂层质量检测,有效提高了超声接收信号的信噪比.在EMAR仿真中,通过变步长离散仿真得出了谐振与非谐振状态下的时域波形和频谱图,验证了利用电磁声谐振进行涂层质量检测的可行性.以电磁超声谐振驻波作为检测信号,实验中谐振信号...     

一种用于界面接触状态评价的超声信号相似度分析方法*

针对常规超声反射系数对界面接触状态灵敏度受限问题,论文发展一种用于界面接触状态评价的超声信号相似度分析方法。针对不同压力下承压界面超声检测信号,研究了激励信号带宽、相似度函数类型及分析域对相似度分析方法对界面接触状态评价的影响。结果表明,检测信号的相似度指标随压力增加呈现明显规律性。激励信号带宽、相似度函数类型和分析域对界面接触状态评价效果有很大的影响。宽带激励下的时域欧式距离指标对界面压力微变化最为敏感,可用于界面接触状态的定量评价。     

热光效应下的全内反射光束展宽规律以及应用

以热光型器件的热学模型和温度场解析表达式为基础,运用射线法．通过计算位于芯区不同子午面内的光线反射轨迹,对热光效应下光束经全内反射后展宽的原因和规律进行了分析,并且给出了具体光束展宽值的理论计算方法;设计了高反射率的全内反射型有机聚合物热光开关。在设计中应用所提出的规律,理论上计算出了具体的展宽波导宽度、芯区的掩埋深度、扩大的反射区宽度等结构参量。软件的模拟结果表明,该结构在反射态和直通态时的效率分别为82．6％和811．4％,串扰均大于30dB,并且对这些结构参量的模拟优化结果与理论计算结果基本一致。