基于扫描数据可视化的超声换能器参数测量

超声探头是超声无损检测中的关键部件,其参数直接影响到对超声检测系统性能的评价与校准。在自主建立的水浸超声声场自动扫查系统基础上,以标准ASTM E1065-99为依据,利用水听器法对聚焦超声换能器声场进行扫描,并将数据可视化。在数据可视化的基础上,对声场中若干重要参数进行了测量。实验结果表明,测量结果与理论计算结果吻合程度良好,所实现的声场自动扫查系统能够真实反应出换能器空间的声场分布,能够为超声换能器应用特性的准确评价提供可信的数据。     

一种高频换能器的声场推算方法

以二维空间Rayleigh积分和二维平面声压构建技术作为理论基础,提出了一种高频换能器的声场推算方法。为验证该方法的正确性,对由4个压电元件所构成、频率1.8 MHz的矩形活塞换能器的声场进行实验测试和推算,以获得距换能器不同距离处的声压分布。在50 cm处,实测结果推算的最大误差为8.25%。在保证准确性的前提下,该方法有效提高了高频换能器的声场测量效率。     

超声换能器表面振动和声场测量及其与经典超声换能器的仿真比较

超声换能器广泛应用于声学测量,其工作性能主要取决于它的振动与声特征。然而,多数研究中的换能器被认为是经典的活塞或高斯型,经典与常用的真实换能器之间的差异容易被忽视。基于此,首先用激光测振和传声器测声方法测量了某厂家换能器产品的表面振动与声场特征。然后设计有限元方案,分别仿真经典与真实换能器的声场。最后从辐射面振速分布、声场声压和相关系数等方面,综合比较经典与真实超声换能器之间振动与声场的异同。结果表明,换能器间的辐射面振速分布差别明显,所研究的真实换能器的声场特征接近于活塞,而与高斯型差别较大。     

基元控制的方式优化自聚焦换能器聚焦声场的研究

根据HY2900聚焦超声治疗系统聚焦换能器采用6基元自聚焦方式的特点,通过对6基元聚焦换能器排序及数量的控制,达到了避让特定部位的目的。采用亥姆霍兹-基尔霍夫积分计算并用HY2900声场测量软件测量换能器在脱气水中声场的分布。对6基元换能器排序进行定义,结合水听器控制基元数及排序。在对换能器基元全驱动,关闭1、6基元,关闭1、2、6基元,关闭1、3、5基元的四种状况下测量聚焦换能器途径声场及焦平面声场分布。研究发现焦点上10 mm声场分布平面直接反映换能器基元数及随排序的改变换能器聚焦声途径的变化,可通过对换能器基元排序及数量的控制,优化其途径声场分布。     

基于近场声全息的高频换能器阵列声场测量方法

在二维平面声压构建技术理论基础上,结合空间傅里叶变换的近场声全息技术,提出一种高测量效率的声场测量方法。以由4个压电元件所构成的矩形活塞换能器阵列为测量对象,进行声场仿真和实验测量,验证该测量方法的测量精度与效率。结果表明,该方法相比面扫描法测量效率提高了560倍,相比积分法计算速度提高两倍,可有效应用于高频换能器阵列的声场测量。     

超声换能器时域脉冲声场的自动测量

本文利用已建立的脉冲超声自动测量系统，对超声换能器时域脉冲声场的分布进行了测量。实验结果表明，时域脉冲声场完全不同于频域场，其性质更为复杂，文中对所测结果进行了分析。     

聚焦换能器声强和声功率测量方法研究

针对聚焦声场的特点,以及辐射力天平(RFB)只能获得单一功率指标的缺点,提出一种基于近场测量法的聚焦换能器声强和声功率评价方法。通过声场测量系统对聚焦换能器预聚焦区域中两个平面上的声压扫描测量,运用声强法得到聚焦换能器的声强分布以及辐射声功率。采用活塞换能器的远场测量法与近场测量法进行比对,两种方法得到的声功率误差不超过12%。比较预聚焦区域声功率值和焦点处声功率值,分析声功率评价方法的准确性。发现聚焦声场中不同位置处的声功率值一致性误差5%,同一位置处的声功率值重复性误差2%。结果表明,近场测量法适用于对聚焦换能器声强和声功率的评价,可有效避免直接测量对测量设备的损坏,同时还克服双水听器声强互谱法频率上限低以及测量系统相位不匹配的缺点。     

基于近场测量法的水声换能器声场重建方法研究

为了提高对水声换能器声场分析的效率,开展了基于近场测量法的水声换能器的声场重建方法研究,首先将水声换能器的全息测量面近似为等效声源面,通过积分得到声场重建模型,然后利用自主研发的水下声场测量系统获得发射换能器全息测量面的复声压,实现对其声场的重建,最后比较不同全息测量面的重建结果和实测数据,并分析全息测量面的位置对重建结果的误差影响,得到了重建方法的有效测量区间。该声场重建方法可快速得到水声换能器的声场分布,并且准确可靠。     

超声微粒检测换能器的分析与设计

利用超声波在传播过程中遇障碍物会产生散射信号的特性进行微粒检测时,超声换能器的设计非常关键.通过对平面圆形活塞声源和凹球面聚焦声源的轴向声场分布比较分析,完成了超声微粒换能器的选型;基于一个假设的应用实例,对影响换能器性能的三个重要参数(焦距 D、晶片半径 a、和谐振频率 f)的确定原则进行了理论研究和仿真分析,给出了...     

均匀活塞阵辐射声场研究

主要研究了均匀活塞阵的近-远场的辐射声场。首先利用点源声波干涉原理建立均匀点源活塞阵的辐射声场理论,进而推导均匀活塞阵的近-远场的辐射声场函数表达式,并采用Matlab软件仿真了近-远场的辐射声场,分析了近-远场的声场变化规律、声轴方向声压的变化规律和旁瓣级的变化规律。通过与实测的80 kHz均匀活塞阵换能器近-远场的辐射声场对比,表明了实测结果与仿真结果基本一致,验证了理论与测量方法的可行性,能够为实际测量工作提供指导。     

Fast ultrasound beam prediction for linear and regular two-dimensional arrays

Real-time beam predictions are highly desirable for the patient-specific computations required in ultrasound therapy guidance and treatment planning. To address the longstanding issue of the computational burden associated with calculating the acoustic field in large volumes, we use graphics processing unit (GPU) computing to accelerate the computation of monochromatic pressure fields for therapeutic ultrasound arrays. In our strategy, we start with acceleration of field computations for single rectangular pistons, and then we explore fast calculations for arrays of rectangular pistons. For single-piston calculations, we employ the fast near-field method (FNM) to accurately and efficiently estimate the complex near-field wave patterns for rectangular pistons in homogeneous media. The FNM is compared with the Rayleigh-Sommerfeld method (RSM) for the number of abscissas required in the respective numerical integrations to achieve 1%, 0.1%, and 0.01% accuracy in the field calculations. Next, algorithms are described for accelerated computation of beam patterns for two different ultrasound transducer arrays: regular 1-D linear arrays and regular 2-D linear arrays. For the array types considered, the algorithm is split into two parts: 1) the computation of the field from one piston, and 2) the computation of a piston-array beam pattern based on a pre-computed field from one piston. It is shown that the process of calculating an array beam pattern is equivalent to the convolution of the single-piston field with the complex weights associated with an array of pistons. Our results show that the algorithms for computing monochromatic fields from linear and regularly spaced arrays can benefit greatly from GPU computing hardware, exceeding the performance of an expensive CPU by more than 100 times using an inexpensive GPU board. For a single rectangular piston, the FNM method facilitates volumetric computations with 0.01% accuracy at rates better than 30 ns per field point. Furthermore, we demonstrate array calculation speeds of up to 11.5 X 10(9) field-points per piston per second (0.087 ns per field point per piston) for a 512-piston linear array. Beam volumes containing 256(3) field points are calculated within 1 s for 1-D and 2-D arrays containing 512 and 20(2) pistons, respectively, thus facilitating future real-time thermal dose predictions.     

纹影法在超声场成像中的应用

纹影法成像系统具有分辨率高、成像速度快等特点,可以实现稳态声场分布以及声波传播的瞬态过程快速成像。将纹影法应用于瞬态声传播特性以及声子晶体声场的成像研究。在瞬态成像时,记录了单脉冲辐照固体表面产生的泄漏瑞利波和泄漏纵波的传播过程,并且与仿真结果进行比较,两者的泄漏波辐射角较一致。在声子晶体声场的成像中,通过改变入射频率,观察到了声子晶体在其工作频率时背表面的稳态声场,为其俘获颗粒能力的研究与分析提供了直观的实验依据。     

500 MPa活塞式压力计活塞系统关键参数设计

针对500MPa活塞式压力计活塞系统设计的要求,对其参数进行理论计算,确定了活塞杆截面直径,活塞杆伸出活塞筒最大长度,活塞筒外径及其与固定套之间的间隙。通过有限元分析软件对设计结果进行分析,结果表明活塞系统设计结果强度可靠。按设计结果制造活塞系统,在研制的500MPa活塞式压力计样机上进行了验证试验,500次加减压试验证明活塞系统运行稳定。对活塞进行不确定度校准,扩展不确定度为0.0038%。说明活塞系统结构设计合理,能够满足实际应用要求。     

地铁站台活塞风附壁射流起始段的实测和实验验证

为了从机理上探究站台活塞风分布规律,通过理论建模、现场实测和液体缩尺模型实验相结合的方法,提出并验证了站台活塞风起始段符合附壁射流理论模型。其中,对上海某地铁站台层的现场实测较好验证了站台活塞风起始段自由剪切区的理论模型,理论与实测数据的标准差在0.326和0.542之间;液体缩尺模型实验对站台活塞风起始段边界层区、势流核心区和自由剪切区理论模型进行了验证,三区吻合较好,标准差在0.071和0.746之间。上述研究证明了站台活塞风附壁射流理论起始段的正确性。     

波数空间中活塞辐射体近场声压分布的计算及测试

在近场范围内,声源在任何平面上的声场都可以通过平面传播波和倏逝波的叠加来得到。以圆形活塞为例,在波数空间中利用角谱法求得其辐射声场的传播波和倏逝波的分布。借助数值分析方法,对圆形活塞声源声轴线上的声压进行计算,得到相应的近场声压分布曲线。由角谱法计算得到的近远场分界点与点源组合法所得结果一致。对不同声源半径时,不同辐射频率下的声压分布曲线进行比较,得出了近场声压的变化规律。阶梯圆盘在辐射理论上应等于对应圆形活塞的辐射。对设计的阶梯圆盘的轴向声压进行了测试,实验测试结果与理论计算结果基本吻合。     

A general-purpose computer program for studying ultrasonic beampatterns generated with acoustic lenses

A 3-D computer model of a piston radiator with lenses for focusing and defocusing is presented. To achieve high-resolution imaging, the frequency of the transmitted and received ultrasound must be as high as 10 MHz. Current ultrasonic transducers produce an extremely narrow beam at these high frequencies and thus are not appropriate for imaging schemes such as synthetic-aperture focus techniques (SAFT). Consequently, a numerical analysis program has been developed to determine field intensity patterns that are radiated from ultrasonic transducers with lenses. Lens shapes are described and the field intensities are numerically predicted and compared with experimental results     

一种基于量热法的平面换能器声功率测量的方法

介绍了一种基于量热法的平面换能器声功率测量的方法。先将超声辐射入真空绝热容器内的蓖麻油中,使其温度升高。用热电偶并联测量蓖麻油的平均温升值,计算出蓖麻油所吸收的热能,进而求得换能器的声功率。测量结果表明,在换能器两端电压峰峰值为120V时,用本方法重复10次测得声功率的平均值为5.09W,相应的用辐射力法测得声功率的平均值为6.06W,两者相差16%。该方法的其综合不确定度为±9.3%。此方法使用设备简单且准确性较好,是超声功率测量的一种简单有效的途径。     

次声发生机理与装置的研究

本文从平面活塞运动的发声机理出发,研究了次声发生机理,建立了次声场的数学模型,并在此基础上,研制了一种频率,幅度均可调的次声发生装置。通过实验验证了理论模型的正确性,并分析了次声的频率,活塞的振幅,活塞的面积及空间点到声源距离与次声的声压级之间的关系。