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。     

基于被动波束成像的高强度聚焦超声焦点定位*

针对高强度聚焦超声治疗中实际焦点偏离引导治疗的几何焦点这一问题,本文基于被动波束成像原理,将治疗探头与影像探头联合,探讨一种新的焦点定位策略。首先,基于k-Wave声学软件创建了具有多层组织结构的超声传播模型,通过理论仿真探究了不同脂肪、肌肉厚度条件下被动波束成像方法定位焦点的准确性;除此之外,还通过仿体在实验环境下对该方法的有效性进行了初步验证。结果表明,在不同脂肪厚度的仿真模型中,被动波束合成所定位的焦点和几何焦点在轴向距离上分别与实际焦点平均相差（0.54±0.15）mm和（4.76±0.95）mm。在不同肌肉厚度的仿真模型中,由合成算法定位的焦点和几何焦点在轴向距离上分别与实际焦点平均相差（0.51±0.26） mm、（4.95±0.47） mm。仿体实验也验证了被动波束成像定位的焦点比几何焦点更接近实际损伤位置。本文从理论仿真和实验两个角度验证了被动波束成像方法在高强度聚焦超声焦点定位中的优越性,可为该方法进一步走向临床应用提供支撑,对提升高强度聚焦超声手术治疗的安全性有推动作用。     

B型超声诊断仪凸阵探头复合聚焦声场的研究

本文对B型超声诊断仪中广泛使用的凸阵探头的复合聚焦声场进行了研究,给出了复合聚焦情况下电子延迟聚焦和等效于几何聚焦的延迟时间。利用亥姆霍兹积分公式给出了电子聚焦和复合聚焦情况下的声场表达式,利用辛普森数值积分在86/330微机上进行了大量的模拟计算,通过改变阵的参数,选出了比较理想的四段电子和复合聚焦的聚焦范围和波束宽度。
对计算结果进行比较可得:横向透镜并不影响侧向的聚焦范围和波束宽度,而只增大声压的幅值(即能量更集中了),反之亦然。
在3.5MHz工作频率下,侧向聚焦范围可达10cm而波束宽度不超过3.5mm;横向聚焦范围在5.5cm时,波束宽度小于4mm,在7.5MHz工作频率时,侧向聚焦范围可达6cm而波束宽度小于1.2mm,数值计算还给出了凸阵孔径及阵元高度对侧向聚焦范围及波束宽度的影响。     

基于超声相控阵的环焊缝缺陷检测方法研究

针对传统超声探头焦距固定,检测位置的改变就要更换相应焦距的探头而影响检测效率的问题,提出一种基于超声相控阵换能器的环焊缝缺陷检测方法。而超声相控阵具有电子偏转和电子聚焦特性,能在不移动的情况下发射偏转聚焦超声束,有效地解决了上述问题。首先基于超声相控线阵换能器的声场特点,采用数值分析方法,研究了影响声束偏转聚焦性能的几个主要参数。然后给出了与超声相控阵换能器相连接的多通道数据采集系统结构。介绍了单通道声信号的硬件结构及相应的信号处理方法,实现了对换能器中单个阵元的精确延时的控制。实验结果表明,优化设计的超声相控线阵换能器具有较高的检测精度和检测效率。     

基于双远心镜头的空间分辨PDV探头研制

为了在材料动力学实验和结构响应研究中实现对平面靶约5 mm范围内多点速度的同时测量,基于光纤密排阵列和双远心镜头研制了一种与光子多普勒测速仪配套使用的具备空间分辨能力的激光发射接收探头.介绍了探头的光学设计和结构设计,并进行了装调和测试.输出光斑特性测试结果表明,探头垂轴放大率与设计值吻合,聚焦位置处最小光斑直径为10...     

界面反射超声散斑统计特性

对粗糙界面反射超声散斑场的一阶和二阶统计特性进行了理论和实验分析。在假设条件下,理论分析的结果表明反射空间中超声散斑的振幅和相位分别服从瑞利分布和均匀分布,而且用聚焦探头所接收的超声散斑的平均横向尺寸仅取决于测量系统的特性,与散斑的空间位置无关。为验证理论分析结果,作者建立了专门的实验系统,用圆形孔径聚焦探头接收从粗糙液-固界面上反射在不同空间位置上的超声散斑信号。实测数据显示假设条件是合理的,理论分析是正确的。     

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     

用平面探头发射、聚焦探头接收的线性合成孔径聚焦技术

为了解决现有合成孔径聚焦技术(SAFT)方案中分辨率与灵敏度这一矛盾,在现有SAFT成像的基础上,新提出了一种平面探头发射、聚焦探头接收的线性合成孔径聚焦技术的成像方案。对该方案进行了理论分析,推导出了相应的成像算法,并建立了一套包括超声分析仪、超高速数据采集装置、机械扫描装置和计算机组成的SAFT成像系统,发展了相应的实验方法和计算机软件,对三组具有不同形状的人工缺陷的试块进行了成像实验,结果较好,分辨率至少可达1.5λ.     

超声显微检测方法对产氚包层焊缝的适用性研究

针对产氚包层中盖板流道封焊的结构设计与特点,开展了超声显微检测方法研究,确定了超声显微检测参数及该方法的适用性问题。以盖板流道封焊为研究对象,选择JSR DPR500 超声显微检测系统进行检测参数研究,分析了超声显微检测中探头参数及声束聚焦的特点;采用不同参数探头及水层厚度,提高了检测灵敏度,并解决了盖板流道封焊中小缺陷不易检出的难题。     

大有效面积的高Tc rf SQUID

设计和制作了一种新型结构的高Tc rf SQUID探头.在使用高温超导薄膜共面谐振器作为射频谐振回路的情况下,采用了大面积高温超导薄膜作磁聚焦器.这种结构既有利于得到低的磁通白噪声,又可加上大面积聚焦器以增大有效面积,因而容易得到高的磁场灵敏度.实验中在15 mm×15 mm的衬底上得到了有效面积为1.27 mm2,在磁通噪声为2.1×10-5φ0/Hz时,磁场灵敏度为34fT/Hz.该结构易于推广应用到更高频率的高Tc rf SQUID.     

采用电子聚焦和可变孔径控制电路提高B型线阵超声显像仪的分辨率

本文介绍了影响B型超声显像仪分辨率的诸因素,着重描写了采用电子聚焦和可变孔径控制电路提高B型超声显像仪图像的横向和纵向分辨率的具体实施方案,用此方法做成的聚焦控制电路简单,元件少,成本低,焦区分辨率可达2—3mm.     

超声场分布的演示实验

介绍了利用超声在液体介质中传播,使质点产生强烈振动而引起交变压力的原理,用微型探头测量,以演示超声场在平面辐射、聚焦系统下焦平面和焦点以内的横截面上的声场分布,使学生更深入地了解超声不皮传播的物理规律。     

中科院声学所超声室生产复合材料等超声换能器

中科院声学所超声研究室的换能器研究，曾获得中国科学院重大成果一等奖和国家自然科学奖，在国内外有较大影响．在理论研究的基础上，研究室近年来推出超声检测用换能器系列产品，其中包括气介式检测、液浸式检测和固体耦合式检测几大类换能器．每一类中又有特殊的空间响应和时间响应探头和常规探头，频率一般在几千赫至100兆赫．使扶探头：．高灵敏度窄脉冲探头（灵敏度和相对带宽普遍高于市场商品探头6－20dB）．无旁瓣高斯探头．平面接触绳声束聚焦窄脉冲探头（专利产品）．首次波幅度比大于1的测量探头．直接耦会横渡直探头．有信号处…     

基于纹影法的聚焦超声声场重建算法研究

为了从聚焦超声声场纹影图像直接重建声场声压分布图像,首先根据水中声波与光波的作用规律,利用Zernike相衬技术得到纹影系统中空间声压分布与纹影图像中光强的关系,再通过纹影系统获得聚焦超声声场实时图像,最后根据纹影系统的物理特性经过反投影重建算法重建出凹球壳聚焦超声换能器的空间声压分布。分析可知,理论声焦域横向与声轴大小分别为0.15 mm、1.4 mm,重建声场电功率为12 W时横向最接近为0.25 mm,30 W时声轴最接近为1.35 mm。与球壳换能器的理论声压分布进行对比的结果表明,该方法具有一定可行性,可以用于聚焦超声换能器的声场分布检测。     

微流控芯片流道特征超声C扫描分析

微流控芯片流道宽度处于微米尺度,存在特征辨识困难的问题。该文选取两种具有不同流道宽度和布局的典型微流控芯片,采用超声C扫描技术进行流道特征成像。利用标称中心频率15 MHz、10 MHz和5 MHz聚焦探头实施水浸C扫描检测,并分析中心频率、焦斑直径、扫描步进等关键参数对流道表征的影响。实验结果表明,对于流道宽度200μm的微流控芯片,当探头中心频率不低于10 MHz、扫描步进不超过0.1 mm时,成像分辨力和流道表征效果最佳,且流道中心间距测量误差不超过5%。同时,超声C扫描图像可以反映流道宽度变化,辨识发生堵塞的微流控芯片。     

应用于斜楔块的子孔径虚拟源全聚焦成像*

楔块斜入射检测工艺下,楔块会进一步降低全聚焦(Total Focus Method, TFM)成像的缺陷检测能力。尤其是在检测大深度缺陷和粗晶材料时,全聚焦图像会因为缺陷回波幅值下降,导致缺陷图像的信噪比较低。为了提高入射能量,本文提出了应用于斜楔块的子孔径虚拟源全聚焦(Sub-aperture Virtual Source Total Focus Method, SVS-TFM)成像技术。研究结果表明：该技术通过延时控制子孔径阵元激励形成虚拟源发射,显著增加了射入到被检构件中的声能。在横向Q值为20mm~40mm探头移动区间内,17mm~38mm深度范围内Φ3边钻孔幅值较黄铜全聚焦图像提高4.58 dB~7.12 dB;当钢制试块为被检对象时,在横向Q值为30mm~40mm探头移动区间内,40mm~65mm深度范围内Φ1边钻孔幅值较全聚焦图像提高0.63 dB~2.35 dB。     

基于声学扫描振镜的超声/光声双模态成像技术

超声/光声双模态成像技术因其同时兼具超声的高分辨率结构成像和光声的高对比度功能成像优势,极大地推动了光声成像技术的临床应用推广.传统超声/光声双模态成像技术多基于超声成像所用阵列探头同时收集光声信号,系统结构紧凑且无需图像配准,操作便捷.但该类设备使用阵列探头和多通道数据采集,使得其成本较高;且成像结果易受通道一致性差异影响.本文提出了一种基于声学扫描振镜的超声/光声双模态成像技术,该技术采用单个超声换能器结合一维声学扫描振镜进行快速声束扫描,实现超声/光声双模态成像,是一种小型化、低成本的双模态快速成像技术.本文开展了系列仿体和活体成像研究,实验结果表明:系统有效成像范围为15.6 mm,超声和光声成像B扫描速度分别为1.0 s^–1和0.1 s^–1 (光声成像速度主要受制于脉冲激光器重复频率).基于本文所提技术研究,有助于进一步推动超声/光声双模态成像技术的临床转化和普及;也为基于超声信号检测的多模态成像技术提供了一种低成本、小型化和快速声信号检测的参考方案.     

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。     

基于合成孔径技术的内镜超声相控阵成像算法

利用孔径大小为2.32mm的16阵元换能器,搭建了一套16通道的内镜超声相控阵成像实验系统。在此基础上提出了一种适用于内镜成像的相控阵成像算法(PAI),该算法利用延时和叠加算法(DAS)取得扫描线数据,再利用合成孔径技术中的相干样点叠加,得到高分辨率图像。该相控阵成像算法实现了发射和接收的动态聚焦。经FieldII仿真和内镜探头超声成像实验验证,与延时和叠加算法以及动态接收聚焦算法(DRF)相比,图像的理论横向分辨率分别提高了93.68%和17.5%,实验获得的实际横向分辨率分别提高了92.78%和14.69%,验证了相控阵成像算法和实验系统的可行性。     

基于光纤光栅传感的金属薄板超声探测

搭建了光纤光栅检测超声应力波系统,并阐述其工作原理,以动态应变与光纤光栅中心波长漂移量间关系为基础,推导得出输出电压与板中应变成线性关系.采用超声信号发生器发射28kHz的脉冲信号激励超声振子,通过有机玻璃楔形块将激励传递至5052铝合金薄板产生超声应力波,并利用光纤光栅应变传感器对其进行探测.在板上开一98mm长裂缝,测得超声应力波中出现新的波包,通过计算损伤前后新增波包到来的时间差确定裂缝位置,所测结果与实际位置偏差为2.7mm.该实验表明光纤光栅可代替超声探头来实现对低频超声波的探测.