聚焦超声的辐射力计算与高强度聚焦超声功率测量实验

研究聚焦超声场的辐射力计算。应用几何声学方法,推导了聚焦超声作用于测试靶上的辐射力通用公式,讨论了全反射靶和全吸收靶上的辐射力。最后给出了应用辐射力法测量高强度聚焦超声装置的声功率的实例,其结果与良热法测得的声功率接近,偏差不大于3%。     

聚焦超声的辐射力计算与高强度聚焦超声功率测量实验

本文研究聚焦超声场的辐射力计算，应用几何声学方法，推导了聚焦超声作用于测试靶上的辐射力的通用公式，讨论全反射靶和全吸收靶上的辐射力，最后给出了应用辐射力法测量高强度聚焦超声装置的声功率的实例，其结果与量热法测量的声功率接近，偏差不大于３％。     

我国超声测量技术和标准化发展的三十年

结合作者的研究经历回顾了30年来我国超声测量技术发展历程和标准化的进展,展望了未来的发展趋势.这些进展包括对辐射力天平(RFB)法测量超声功率的主要改进(例如一系列辐射力计算新公式的导出和应用并得到IEC同行的验证认同,还使RFB的适用范围由平面波束拓展到各种聚焦波束,量程从30W提高到500W)、测量水听器的研发和互...     

一种频分MIMO声呐的波达方向估计算法

为了使声呐阵列在有限的载体空间内获得较高的角度分辨率,设计了基于频率分集的多输入多输出（MultipleInput Multiple-Output,MIMO）声呐。该MIMO声呐采用N发M收的布阵方式,接收阵为M元均匀线阵,发射阵由N个阵元组成,且各发射阵元发射中心频率不同、包络相同的窄带信号。建立密集式频分MIMO声呐的回波模型,并以此模型为基础提出了波达方向估计算法方向-相位域多重信号分类（Direction and Phase Domain-Multiple Signal Classification,DPD-MUSIC）算法。仿真实验中以双频MIMO声呐为例,将频分MIMO声呐的DPD-MUSIC算法的估计性能与单输入多输出（Single-Input Multiple-Output,SIMO）声呐MUSIC算法的估计性能进行了对比。仿真结果表明,频分MIMO声呐利用DPD-MUSIC算法可以获得优于等接收阵元数SIMO声呐的角度分辨率和角度估计精度。     

超短脉冲激光时域参数计量标准装置

长期以来,由于缺乏超短脉冲激光时域参数计量标准装置,导致超短脉冲激光器和超短脉冲激光测量仪器无法溯源。针对此问题,研制了超短脉冲激光光谱相位干涉测量仪,利用小波变换技术实现了飞秒脉冲激光光谱相位的自动准确提取,精确还原了超短脉冲光谱相位,重建了脉冲时域波形,测量范围覆盖10~500 fs,测量不确定度U_rel=8%（k=2）;研制了大量程自相关测量装置,实现了10 fs~50 ps量程超短脉冲宽度的准确测量和量值溯源,解决了超短脉冲时域参数测量仪器的溯源问题,测量不确定度U_rel=10%（k=2）;建立了“超短光脉冲自相关仪校准装置”国家计量标准,测量范围覆盖10 fs~12 ps,测量不确定度U_rel=10%（k=2）,为超短脉冲测量仪器提供了精确校准手段,对于保障超短脉冲时域参数测量结果精准统一具有重要意义。     

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。     

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。     

毫瓦级超声功率副基准

中国计量科学研究院1982年研制建立的毫瓦级超声功率到基准，采用辐射力法获得总声功率值。当超声波通过交界面的不同介质时，在此交界面上产生辐射压力，通过对此压力的测量就可以计算出超声的功率。该装置是由电子微量天平和消声水槽反射靶悬吊系统组成，标准超声源产生的高频激励电压供给超声换能器，以发射超声束，超声束作用在靶上，所产生的辐射力由电子微量天平读取。毫瓦级超声功率副基准1986年被批准为国家副基准，1982年曾荣获广东省科技二等奖。其技术指标为平均声功率测量范围：门一Woo）mw；频率范围：（1－500）MHz；不确定…     

二维超声联合实时组织弹性成像鉴别诊断乳腺癌腋窝淋巴结转移的价值

目的：评估腋窝淋巴结有无转移对乳腺癌患者的分期和治疗起着至关重要的作用。建立实时弹性成像评分法和二维超声评估乳腺癌患者腋窝淋巴结有无转移的改良评分系统。方法：对纳入的已确诊的92例乳腺癌患者的97个可疑腋窝淋巴结进行二维超声和实时组织弹性超声检查。二维超声基于5个特征，分别为淋巴结短径、长短径比（L/S）、边界、皮质厚度和淋巴门长轴长度与淋巴结长径比（H/L），通过分数总和进行评估。实时组织弹性成像（Real-TimeTissue Elastography，RTE）分为有无淋巴门结构进行5分法评估，评分基于淋巴结内低回声区硬度信息的分布及其所占百分比。联合诊断通过将二维评分和RTE评分相加得出，并测量弹性应变比。以病理结果为金标准，通过受试者工作特征曲线分析各检查方法的诊断性能。结果：研究共纳入97例腋窝肿大淋巴结的病理结果，其中52例（53.6%）诊断为转移性，其他45例（46.4%）诊断为良性。二维超声的敏感性、特异性和准确性分别为92%、73%和83%；RTE分别为78%、93%、86%；联合诊断评估分别为88%、96%和92%；应变比分别为87%、76%和81%。二维超声检查比RTE灵敏度更高（92% vs 78%，P=0.039），而RTE的特异性优于二维超声检查（93% vs 73%，P=0.012）。联合诊断具有最高的曲线下面积（Area Under the Curve，AUC）为0.963，因此诊断效能最高。结论：RTE评估腋窝淋巴结有无转移具有高度的特异性，并且在与二维超声结合使用时可以大大提高诊断准确性。     

娱乐场所的噪声——香港酒吧的情况

许多城市居民喜欢在酒吧等娱乐场所享受快乐时光。但是，他们暴露在可能造成健康危害的娱乐场所环境中。这是因为人们逗留在酒吧时，会受到昏暗的灯光、二手烟和高噪声的影响。回顾了有关酒吧噪声的文献，并在香港的六家酒吧进行了噪声测量。分析结果显示，在欢乐时间即在5：00 pm和9：00 pm之间，酒吧声音水平（L_eq，10-min）介于66.5~79.9 dB （A）之间，酒吧声音水平在繁忙时间即10：00 pm至11：30 pm介于69.5~97.0 dB （A）之间。在欢乐时间，最高噪音水平（L_max）介于78.5~96.5 dB （A）之间，在繁忙时间介于80.9~107.8 dB （A）之间。分析发现，酒吧内的声音水平可以通过L_eq，10-min测量，酒吧内的背景噪音则可以通过L₉₀测量。     

不等厚复合构件相控阵超声脱粘检测技术仿真研究

鉴于不等厚复合构件结构的特殊性,采用传统超声检测技术检测此类构件的粘接质量是非常困难的。采用超声相控阵技术实现界面粘接质量的检测。分析研究了不等厚复合构件脱粘检测的特殊性。建立了相控阵超声换能器的辐射声场模型,基于仿真得到的声场,研究了采用超声相控阵技术检测不等厚复合构件界面脱粘的可行性。仿真结果表明,通过控制相控延时,可使检测声束在检测区域内聚焦到任意位置处,保证在厚度变化的界面处回波信号幅度的一致性,可用于此类构件的界面脱粘检测。     

基于声功率的液体中大功率超声场的评价方法

为解决超声清洗中超声设备性能的评价,以及工程应用中超声强度的选取和控制问题,提出了一种根据声功率大小来测定声场强度的评价方法。制作了一个专门的超声清洗系统,并用瓦特计法测定清洗液中得到的声功率,同时用一个探头从清洗液中提取信号;通过测量清洗液中的声功率与探头输出信号电压间的关系,用数字形式来显示超声场强度。用此法对不同清洗槽进行测量,结果表明,该方法可以作为工程中大功率超声场的一种评价方法。     

Ultrasonic Power Output Measurement by Pulsed Radiation Pressure

Direct measurements of time-averaged spatially integrated output power radiated into reflectionless water loads can be made with high accuracy using techniques which exploit the radiation pressure exerted by sound on all objects in its path. With an absorptive target arranged to intercept the entirety of an ultrasound beam, total beam power can be determined as accurately as the radiation force induced on the target can be measured in isolation from confounding forces due to buoyancy, streaming, surface tension, and vibration. Pulse modulation of the incident ultrasound at a frequency well above those characteristics of confounding phenomena provides the desired isolation and other significant advantages in the operation of the radiation force balance (RFB) constructed in 1974. Equipped with purpose-built transducers and electronics, the RFB is adjusted to equate the radiation force and a counterforce generated by an actuator calibrated against reference masses using direct current as the transfer variable. Improvements made during its one overhaul in 1988 have nearly halved its overall measurement uncertainty and extended the capabilities of the RFB to include measuring the output of ultrasonic systems with arbitrary pulse waveforms.     

国内焊接缺陷声学无损检测研究综述

无损检测是保证焊接构件生产质量及保障其使用安全性的重要技术环节。在众多的无损检测方法中,应用最为广泛的是基于声学的无损检测方法。主要阐述了超声C扫描、超声TOFD、超声相控阵、声发射及其他相关声学技术的技术特点、在国内焊接领域上的工程应用及科学研究。在此基础上,结合实验室的研究经历,简要分析了相关研究方法存在的问题,并指出了技术优势及亟待解决的问题。进而论述了超声C扫描图像识别困难、边界模糊及缺陷面积难以计算、克服检测盲区可拓展超声TOFD法的应用范围,以及排除干扰信号对声发射尤为重要的研究现状。最后展望了基于声学无损检测的未来发展趋势。     

提高阿基米德螺旋相控阵换能器焦点声压的仿真研究

针对阿基米德螺旋相控阵换能器焦点声压不足的问题,通过有限元仿真,分别讨论了换能器阵元形状和频率改变与声场的变化关系,从焦点声压、偏转范围、栅瓣水平、焦域大小等方面进行了研究。结果表明,相同频率下,扇形阵元阿基米德螺旋相控阵换能器的焦点声压比圆形阵元时的焦点声压提高了32.28%,偏转范围为20 mm×20 mm×40 mm;在扇形阵元形状的情况下,频率选择0.9~1.0 MHz,不仅能获得较高的焦点声压,同时还能保证改善聚焦性能。文章的仿真结果为阿基米德螺旋相控阵换能器提高焦点声压,满足深部组织消融治疗需要的高功率要求提供了有用的设计参考。     

基于相控阵激光超声的裂纹衍射增强试验研究

针对超声衍射时差法(TOFD)存在检测精度较差、区域检测可靠性不够和信号信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)低等问题,提出了一种基于光纤皮秒激光器和高速旋转镜的相控阵激光超声裂纹检测方法。利用有限元方法模拟热弹机制,建立二维瞬态激光超声力-固耦合模型产生横波与纵波在缺陷处发生的衍射现象,分析了裂纹尖端不同奇异点、声波不同中心频率和相控阵激励源不同位置对声波衍射的影响,通过衍射信号的信噪比和位移幅值两个计算指标来分析变化规律,并进行了试验验证。结果表明:数值模拟与试验结果有较好的一致性,相控阵激光源较传统单束激光源对衍射信号幅值和信噪比有明显的增强作用,纵波衍射信号信噪比较理想;衍射信号幅值随裂纹尖端奇异点增加和声波中心频率减小而增大;信噪比随尖端奇异点增加而增大,随声波中心频率一定范围增加无明显变化,随激光源距离的增加呈现先增加后减小的趋势;缺陷定量分析时计算出的裂纹长度与实际裂纹的误差均不超过6.8%。     

A concentric-ring equivalent phased array method to model fields of large axisymmetric ultrasound transducers

An equivalent concentric-ring ultrasound phased array method was developed to estimate ultrasonic continuous wave fields generated by axisymmetric single-source transducers. The method models a given source as a concentric-ring phased array by mathematically segmenting it into many rings and subsequently finding the amplitude and phase for each ring that produces an acoustic field similar to the field of the single-source transducer. The excitation source of each ring was calculated using an inverse technique based on complex pressure measurements along a radial line close to the source. The predicting abilities of the method are evaluated by comparing measured and estimated ultrasound fields for six different transducers. The results show that the concentric-ring equivalent phased array method (CREPAM) is able to estimate quantitatively the ultrasound fields generated by large axisymmetric planar and focused transducers.     

相控阵超声绝对声时法测量底面开口裂纹

针对工件内表面开口裂纹单面单侧定量检测困难的问题,采用相控阵超声绝对声时法(Absolute Arrival Time Technique,AATT)从单面单侧对不同厚度试块中的底面人工开口裂纹自身高度测量进行了数值仿真和实验,并对焊缝中的自然裂纹进行了AATT测量。对比AATT测量结果与常规衍射时差法超声检测(Time of Flight Diffraction,TOFD)测量结果并分析,发现AATT从单面单侧对底面开口裂纹进行定量测量可以达到与常规TOFD同样的测量精度。AATT操作简便,可单面单侧定量测量2 mm以上底面开口裂纹的自身高度。