作者单位
摘要
1 中国计量科学研究院力学与声学计量科学研究所,北京 100029
2 天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072
空气耦合(简称“空耦”)超声换能器具有非接触检测、适合复杂工况和原位检测等独特优势,已被广泛应用于超声无损检测等领域。声场重建对于开展空耦超声换能器声束宽度、扩散角等声场特性参数的表征,进而保障超声检测系统的横向分辨率及定位精度具有重要意义。笔者基于声光效应和层析成像技术对50~200 kHz空耦超声换能器的声场重建开展研究。超声声场的重建质量与空间分辨率密切相关,但高空间分辨率会导致扫描时间呈几何倍数增长。笔者从仿真和实验的角度对声场空间分辨率(即声场扫描参数)进行优化,在保证声场重建图像质量的前提下将扫描效率提高了2~4倍。同时,将优化后的声场重建结果与传声器在相同位置处的声场直接测量结果进行比较,验证了声光效应层析成像进行超声声场重建的可靠性。
测量 层析成像处理 声光效应 激光测振仪 声场表征 扫描效率 
中国激光
2024, 51(5): 0504001
作者单位
摘要
天津大学海洋科学与技术学院,天津 300072
水下邻域声场的高精度重建对研究分析邻域声场结构特点和提升水声传感性能有重要意义。在激光束宽度远小于声波波长的条件下,激光束穿过声场的偏转效应既携带了声场声压信息,也携带了梯度信息,这为直接引入Kirchhoff积分定理进行声场重建计算提供了数据传感基础。在此基础上,利用激光传感声场的稠密性,引入虚拟扩展声场孔径的计算方法,进一步接近了Kirchhoff积分定理对无穷大积分区间的理论要求。在水下邻域空间,对提出的声场重建思路和方法进行了验证。实验结果表明,与直接进行声全息的方法相比,所提声场重建方法的峰值信噪比提高了约5.5 dB,为高精度邻域声场传感器的开发提供了可行新思路。
激光偏转 光学声场重建 声全息 边界延拓 
激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0501003
作者单位
摘要
中国计量科学研究院力学与声学计量科学研究所,北京 100029
针对激光干涉法高强度聚焦超声(HIFU)声压测量中干涉系统带宽解算依赖线性声场条件,导致解算结果与实际有较大差异的问题,首先通过理论分析,建立了HIFU声压测量中干涉信号的数理模型;针对非线性声场条件下干涉信号无法进行函数展开的情况,利用数值仿真的方法对干涉信号的频域进行分析;通过对比具有相同声压峰峰值和基频的线性和非线性声场条件下的干涉信号频谱,发现了非线性声场对激光干涉信号带宽的展宽作用,证明了现有线性声场条件下干涉系统带宽的估算方法不适用于HIFU声压测量;利用实测HIFU声压数据,通过仿真分析,发现在非线性声场条件下,激光干涉系统带宽随被测声压峰峰值呈二次方规律变化,而不是线性声场条件下的线性变化规律。
测量 高强度聚焦超声 声压测量 激光干涉系统带宽 非线性声场 
中国激光
2023, 50(13): 1304002
作者单位
摘要
中北大学 省部共建动态测试技术国家重点实验室, 山西 太原 030051
由微机电系统(MEMS)工艺制作的电容式微机械超声换能器(CMUT), 其具有宽频带, 易与电子电路集成制作等优势, 在医学成像领域具有广阔的应用前景。为了研究一种密排结构CMUT超声换能器的发射声场特征, 该文提出了一种简单的物理域相互作用分析方法。基于薄板的振动理论, 由CMUT单元的声学辐射原理及特性计算得到CMUT阵元辐射声场的解析解。通过振膜振动分布实验验证了采用薄板振动理论一阶振型方程的正确性。通过仿真和实验研究了CMUT发射单元在不同排布方式和条件下的声场分布、声轴声压和指向性, 为CMUT的设计和性能分析提供了理论依据。
电容式微机械超声换能器 薄板振动 声场 声轴声压 指向性 声发射特性 CMUT thin plate vibration sound field axial sound pressure directivity acoustic emission characteristic 
压电与声光
2023, 45(1): 98
作者单位
摘要
1 西南科技大学 信息工程学院, 四川 绵阳 621010
2 特殊环境机器人技术 四川省重点实验室, 四川 绵阳 621010
3 杭州左蓝微电子技术有限公司, 浙江 杭州 310000
声表面波(SAW)谐振器作为各类SAW器件的核心元件, 其性能决定SAW器件的各项指标, 其中以谐振器品质因数(Q)值最重要。该文介绍了影响SAW谐振器Q值的因素, 指出目前高Q值SAW谐振器的衬底结构大多为异质声学层结构, 且异质声学层结构本质为一维声子晶体。结果表明, 通过在谐振器的多个位置构建声子晶体对SAW谐振器的声场能量可实现全三维约束, 以提升谐振器Q值, 最后展望了高Q值SAW谐振器的理想结构。
声表面波谐振器 品质因数 异质声学层 声子晶体 声场能量 surface acoustic wave(SAW) resonator quality factor hetero acoustic layer phononic crystal sound field energy 
压电与声光
2022, 44(6): 841
作者单位
摘要
1 南京航空航天大学 航空学院 机械结构力学及控制国家重点实验室, 江苏 南京 210016
2 桂林电子科技大学 机电工程学院, 广西 桂林 541004
3 海装驻南京地区第四军事代表室, 江苏 南京 211100
传统基于周期性永磁体的电磁超声换能器结构较复杂, 为此该文提出了一种由单一永磁体和导线阵列线圈构成的电磁超声换能器(EMAT)用于激发板中的SH0导波。首先叙述了设计的原理, 并采用有限元软件进行三维数值仿真分析, 利用水平极化永磁体垂直于板面的磁场在铝板中成功激发出SH0导波。为使EMAT换能效率达到最优, 研究长和宽为10 mm×25 mm的永磁体, 其高度及线圈匝数不同时EMAT激励的效率。仿真结果表明, 选用永磁体高度为25 mm及线圈匝数为37时EMAT换能效率和声场指向性较好。在此基础上, 通过实验研究了不同线圈匝数对换能器换能效率的影响, 实验结果与仿真结果一致, 充分验证了该文设计EMAT的方法具有可行性。
SH0波 电磁超声换能器 静态磁场 洛伦兹力 声场指向性能 SH0 wave electromagnetic ultrasonic transducer static magnetic field Lorentz force sound field pointing performance 
压电与声光
2021, 43(4): 443
作者单位
摘要
1 重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
2 中国航发四川燃气涡轮研究院, 四川 绵阳 621000
为了提高声光移频器的性能,对其内部声光晶体(AOC)和压电超声换能器(PZT)电极之间的位置失配特性进行研究,并深入分析AOC和PZT电极之间几类不同的几何装配错位关系。通过构造AOC与电极失配的三维有限元模型,在不同轴向装配错位的条件下对AOC中的超声波声场进行仿真分析。根据超声波的声场分布特性,可以发现几何装配错位会导致AOC内部形成不发生声光相互作用的区域,并揭示此区域长度与错位量的关系。通过分析声光相互作用区与不发生声光相互作用区之间的光学界面,发现位置失配会在输出光中发生双光束干涉效应,其对实际光学系统的输出会产生影响。基于双光束干涉原理搭建一种测量不发生声光相互作用区域长度的实验系统,所得结果证明理论分析的合理性。
光学器件 声光移频器 失配特性 干涉效应 超声波声场 
光学学报
2021, 41(22): 2223001
作者单位
摘要
1 中国石油海洋工程有限公司天津分公司, 天津 300450
2 中国石油大学(北京), 北京 102200,
3 中国石油大学(北京), 北京 102200
为探究相控阵超声阵列换能器中不同阵元参数对声场的影响,以相控阵超声波检测基本原理和声场辐射理论为支撑,应用MATLAB软件进行数值模拟分析,建立辐射声场模型,进行不同参数下的阵列换能器指向性和声场分析。分析了阵元各项参数变化时对波束质量、聚焦范围、成像效果的影响,结果表明:阵元中心频率过小会使成像分辨率过低,阵元中心频率过大会使声场穿透力弱,检测深度浅;阵元数的增加显著提高成像效果,但是也会使成本大大提高;当阵元宽度由0.1增加到0.3,成像效果显著改善,再增加到0.6,成像效果改善不明显;阵元中心距增加会提高聚焦精度和成像效果,但是超过0.8时,成像效果急剧下降;偏转角度小于30°时,成像效果稳定且清晰,当偏转角度过大时,成像效果明显变差;聚焦深度太小使得声束聚焦性差,成像效果不好,当聚焦深度大于检测表面,成像效果好。对于指导实际超声相控检测具有一定指导意义。
相控阵超声波检测 MATLAB软件 数值模拟 辐射声场模型 对比分析 phased array ultrasonic testing Matlab-Field II software numerical simulation radiation sound field model comparative analysis 
光学与光电技术
2021, 19(2): 25
作者单位
摘要
浙江省计量科学研究院, 浙江 杭州 310018
为准确测量声场分布, 研究了基于激光测振仪的声场直接测量技术。基于声音在空气中传播时会引起空气折射率周期性变化的原理, 利用激光测振仪测量了激光通过声场时激光光程受空气折射率的调制发生周期性变化产生的振动速度。 由于声场在激光方向上的投影即为激光测振仪测得的振动速度, 测量了声场在不同投影方向上的振动速度, 再由Radon逆变换重构声场复振幅分布, 从而实现了对声场的直接测量。文中实验测量了2 kHz声场引起的振动速度振幅分布和相位分布, 进而重构得到声压振幅分布和瞬时声压分布。测量得到空间分辨率为2 cm, 声压振幅最大为0.026 Pa, 对应的声压级为62.3 dB。实验结果表明, 基于激光测振仪的声场分布直接测量方法是可行的, 该方法解决了现有麦克风阵列接触式测量声场存在的问题。
激光测振仪 声场分布 声场测量 投影 Radon变换 laser vibrometer sound field distribution sound field measurement projection Radon transform 
光学 精密工程
2015, 23(11): 3077
作者单位
摘要
重庆医科大学 生物医学工程学院 省部共建国家重点实验室培育基地-重庆市超声医学工程重点实验室 重庆市生物医学工程学重点实验室, 重庆 400016
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。
声场检测 声压分布图像 重建算法 纹影法 sound field measurement sound pressure distribution image reconstruction algorithm schlieren method 
应用光学
2015, 36(5): 742

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