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
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
1 南京大学现代工程与应用科学学院,江苏 南京 210023
2 南京大学智能光感知与调控技术教育部重点实验室,江苏 南京 210023
3 北京湜沅科技有限公司,北京 102400
4 南京法艾博光电科技有限公司,江苏 南京 211135
为了解决水资源时空分布不均匀的困境,我国目前正在兴建一系列大规模引调水工程。预应力钢筒混凝土管(PCCP)因其强度高、抗震好、防渗漏等优点,被广泛应用在长距离输水管道的建设中。但是随着服役年限的增加,PCCP管道存在预应力钢丝断裂的现象,积累到一定程度便有可能诱发爆管事故,因而迫切需要对PCCP断丝进行实时在线监测。相比于传统手段,基于分布式光纤声场传感(DAS)的PCCP断丝监测技术在传感器布设的便捷性和事件识别的准确性方面具有明显优势。本文分析了PCCP断丝成因,对比了现有的各种PCCP断丝监测方法,并介绍了近年来出现的基于融合式DAS原理的PCCP断丝实时在线监测解决方案,同时对其发展趋势进行了展望。
预应力钢筒混凝土管 断丝监测 分布式光纤声场传感 融合型系统
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
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
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
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
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
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
中国电子科技集团公司第二十六研究所, 重庆 400060
该文根据亥姆霍兹-基尔霍夫积分定理, 建立了两片矩形换能器在声光晶体中的声场分布模型, 并利用MATLAB数值模拟中心频率为100 MHz的矩形换能器在氧化碲晶体中的声场分布, 实现声场可视化。结果表明, 与单片换能器声场分布相比, 两片换能器的结构使声光器件的布喇格带宽增大了11 MHz。仿真结果为理解声场变化和试验结果提供了理论依据。
换能器声场 模拟 宽带 声光器件 transducer acoustic field simulation broadband acousto-optical device