陈天润[1]2001年在《圆形平面活塞式换能器的近场辐射特性的改善》文中进行了进一步梳理平面活塞型超声换能器是长期来在超声检测以及其它超声应用技术中广泛采用的一种换能器类型。由于制作工艺简单，结构坚固，且又利用压电陶瓷的纵向机电耦合系数，因此具有良好的电声性能。然而，这种类型的换能器在媒质中产生的辐射声场，有其“先天性”的不足之处，在近场中无论平面活塞的频率和半径如何变化，轴上和沿径向上都呈现出极大和极小交替分布的干涉现象，因此我们有必要继续寻求更为理想的辐射形式。 本文分别设计和讨论了二种辐射形式的超声换能器：也极分割束控换能器和高斯换能器。在理论上讨论了这二种换能器辐射声场的分布形式、结构特点，在实验中测量出了具辐射声场径向和轴向声压值，从而验证了这两种换能器能有效的消除近场的零点，而且高斯换能器还能减少近场的起伏，同时也阐述了这两种换能器的缺陷和不足之处，有待我们进一步深入研究
何正耀[2]2005年在《水声发射换能器及基阵的辐射声场建模与计算》文中研究指明本文在系统研究了各种典型声源声辐射的基本规律,以及边界元方法基本理论的基础上,对水声发射换能器及基阵的辐射声场的建模与计算进行了深入的研究。主要研究的内容及结果如下: 一、在研究了线性声学的一些基本内容的基础上,对声波辐射的一般概念和几种典型声源的声波辐射的解析计算进行了系统的研究。包括均匀脉动球源的辐射声场和辐射阻抗的计算、等间距均匀离散直线阵的远场声辐射的计算以及无限大刚性障板上圆形活塞的辐射声场和辐射阻抗的计算等。推导了表面振速分布不均匀的辐射器的辐射阻抗与辐射器辐射声功率之间的关系。还研究了基阵中各阵元自辐射阻抗与互辐射阻抗的计算方法。 二、研究了利用边界元模型计算振动体声辐射的问题。详细研究并推导了边界积分方程,包括外部赫姆霍茨积分方程、表面赫姆霍茨积分方程和内部赫姆霍茨积分方程。研究了边界元数值计算的方法,包括使用等参变换的方法用二次插值形函数进行计算、奇异积分问题的处理以及解的非唯一性问题的处理。还研究了利用边界元模型计算声辐射的几个特殊问题,包括半空间问题、障板问题和振动体高频辐射时的渐近公式。 叁、研究了利用基于边界元方法的SYSNOISE软件来计算各种声源的声辐射。首先研究了SYSNOISE软件的功能与使用,然后分别用边界元方法计算了均匀脉动球、无限大刚性障板上圆形活塞的辐射声场和辐射阻抗,并与解析解进行了比较,数值解与解析解吻合得很好,表明边界元方法计算精度的可靠性。然后又用边界元方法计算了无限大刚性障板上方形活塞的辐射声场和辐射阻抗,以及两个圆形活塞和两个方形活塞之间的互辐射阻抗,还计算了无限大刚性障板上线列阵和平面阵的辐射声场与辐射阻抗。最后用边界元方法计算了有限大障板上的换能器阵的辐射声场与辐射阻抗,包括四元平面阵和水下自主航行器(AUV)头部的共形阵。 四、研究了用边界元理论结合优化方法求解水声发射换能器共形阵的振速加权向量,以获得良好的发射性能。推导出了换能器阵辐射声场的声压与振速加权向量之间的关系式,并提出了振速的两种加权方式,分别为考虑障板影响及阵元间相互作用时的相位补偿加权和最小二范数加权。
龚振[3]2016年在《水中超声换能器声场测量系统研制》文中指出在地震物理模拟技术中,超声换能器常被当作震源使用,其声场特性影响着实验的操作与结果分析。地震实验的质量与换能器性能紧密相关,其声场特性影响着震源的选型与实验操作规划;同时,换能器与理想震源的声场指向性差异及边界条件等原因使得后期处理结果总是有一定的偏差。因此震源的声场特性对实验技术至关重要,但现阶段在地震实验领域还缺乏有效的震源声场研究设备;为了解决这一问题,本课题提出了水中换能器声场测量系统的研制方案。主要针对地震实验环境下超声震源的研究,首先分析了换能器声场特性参数与实验测量的方法,确立了系统框架与功能需求;然后按照框架先对系统的机械构架、定位机构进行了设计实现;再确立了采集、触发等多个硬件设备;最后,按照功能需求对系统软件进行了设计实现。在研制阶段,对运动定位模块做了精心设计,尤其高精度的传动系统设计满足了声场的精密测量要求;控制软件也实现了多线程交互控制,用户界面简洁易懂,能灵活实现多种运动流程采集任务。本文最后也对设备进行了一系列功能验证和给出了换能器声场测量的操作及数据处理方法,证明了该设备符合设计需求。
王红亮[4]2015年在《CMUT及其阵列工作机理与应用基础研究》文中研究说明超声成像技术广泛应用于医学、军事、工业、农业等众多领域,而超声传感器是实现超声成像的关键部件之一。基于MEMS技术的电容式微机械超声传感器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,CMUT)具有传统压电超声传感器所不具备的显着优势,有望替代传统压电超声传感器成为市场的主流产品。针对电容式微机械超声传感器开展相关理论与应用基础研究,具有十分重要的研究价值和现实意义。本文的主要内容如下:首先,在加工制造之前对CMUT进行特性分析可以为优化设计参数提供依据。在详细阐述CMUT工作原理和相关理论的基础上,研究了CMUT的建模理论。建立了CMUT微元的小信号等效电路模型和有限元模型,利用有限元模型进行了静态分析、模态分析和谐响应分析。为了能够快速、有效地对CMUT微元和CMUT进行特性分析,推导并建立了一种状态方程-SIMULINK模型,并对CMUT微元和CMUT进行了发射与接收特性分析,为后续实际应用和测试提供了重要的理论依据和参考。其次,CMUT与CMUT阵列的指向性是其在远场的重要特性之一。通过详细分析设计参数对其指向性的影响,结合CMUT和CMUT阵列的特点,提出了合理选择CMUT阵列设计参数的准则。针对所设计的CMUT及其阵列,推导出了叁种不同的CMUT指向性函数和四种不同的CMUT阵列指向性函数,并进行了对比分析。针对指向性图中出现的旁瓣现象,研究了多种旁瓣抑制方法,有效地降低了旁瓣辐值。再次,超声传感器的声场分布特性直接影响着其成像质量。在论述相关声场理论的基础上,研究了基于瑞利-索末菲积分公式、角谱方法和空间冲激响应的声场分析方法,并针对CMUT和CMUT阵列的特点,研究了相应的声场分析方法。通过计算辐射声场,分析了CMUT阵列的聚焦与偏转性能,研究了阵列孔径尺寸对聚焦距离的影响,并分析了CMUT阵列设计参数对其空间脉冲回波响应的影响。然后,不同的成像方法具有不同的性能和特点,实际应用中需要综合考虑多种因素选择合适的方法。在论述相控阵成像、合成孔径聚焦成像和相控子阵成像叁种不同成像方法工作原理的基础上,通过计算相应的有效孔径和合成波束,对其进行了对比分析,并基于CMUT线阵,验证分析了叁种成像方法的成像效果。对于阵元数目较多的CMUT面阵,设计了几种特殊的相控子阵成像方案,可以有效地降低成像系统的复杂性,并提高成像的实时性。最后,通过对CMUT线阵进行全面的测试与分析,进一步验证了所设计CMUT及其阵列的性能,为今后设计超声成像系统提供了重要的数据参考。
靳建嘉[5]2011年在《低频换能器及校准技术研究》文中研究表明低频发射换能器主要应用于隐身潜艇的水下探测、海底地震波模拟和实验室低频水声测量领域。对于隐身潜艇探测和海底地震波模拟而言,低频发射器可以制作成很大的尺寸,从而达到增加体积位移、提高辐射声功率的目的。对于实验室水声测量而言,人们通常希望低频发射换能器在辐射声功率满足测试要求的前提下,尺寸和重量尽量小,方便安装和吊放。论文采用机械结构以电机作为激励源设计研制了一只低于20Hz的甚低频发射换能器,用于矢量水听器的驻波管校准,其几何尺寸为Φ290mm x 290mm,总重量20kg,最大工作深度2m。论文以Helmholtz积分公式为理论基础,采用同振式矢量水听器对研制的甚低频发射换能器辐射声功率的测量方法和测量系统进行了研究,获得较为满意的结果,为其它类型低频声源校准提供参考依据。
韩伟, 张丕状[6]2011年在《尺寸和发射频率对换能器声场影响仿真分析》文中研究表明在实际探伤过程的研究中,超声换能器的尺寸和发射频率,对辐射声场分布及指向性特征直接影响探伤效果,正确选择换能器具有重要意义。为了正确进行探伤并保证效果,对尺寸及发射频率对换能器辐射声场的影响进行分析。对超声波声场进行仿真的难点在于数学模型的建立,以往给出的数学模型有很多缺陷,无法给出整个换能器辐射声场的解析表达式。采用的高斯声束模型克服了以往方法的缺陷,能够以简单的解析表达式描述整个换能器辐射声场,并在Matlab中仿真了不同尺寸和不同发射频率的圆形活塞换能器的辐射声场,可正确地分析尺寸及发射频率,为换能器辐射声场的设计提供依据。
简平[7]2013年在《基于PVDF超声换能器结构设计及其声场指向性研究》文中研究指明随着现代无损探伤检测技术的高速发展，压电超声换能器因为具有广阔的应用前景而备受关注，聚偏二氟乙烯（PVDF）作为超声换能器的新型智能压电材料在压电传感领域中发挥着越来越重要的作用。相对于传统的压电材料，PVDF因具有低机械品质因数、高宽频带、压电电压常数高、声阻抗低等独特优势而被认为是未来压电复合材料的研究热点以及超声探测与成像技术的重要方向。但是由于目前PVDF高聚物材料存在压电应变系数低、机电耦合系数较小、损耗过大等缺陷，因而制约了其实际的应用，特别是在发射激励方面一直得不到有效改进。因此本文尝试提出基于PVDF压电薄膜的新型结构从而提高换能器输出/输入增益、检测灵敏度及信噪比，并且改善其空间声场指向性。这对于缩短高频超声探头的设计周期，降低其开发成本，拓宽其应用范围都具有重要的积极意义。本文首先提出了一种利用PVDF压电薄膜层迭的组合结构方案设计超声换能器，用于解决困扰柔性薄膜超声换能器输入/输出信号增益低的问题；通过理论推导及数学软件仿真给出了该结构换能器的幅频特性。利用仿真结果可以合理地估算出层迭式结构超声探头的增益、谐振频率和通频带与PVDF薄膜厚度及薄膜层数之间的对应关系；并通过自制的柔性薄膜超声换能器样品的测试数据对理论规律及仿真结果进行比较验证。本文对柔性曲面压电晶片及其等效动态相控阵元阵列结构的换能器所辐射超声的近声场进行重点研究，通过结合物理声学原理推导出超声近声场的空间声压分布及指向性函数，并利用数学软件对超声近场声压进行近似数值仿真。通过分析比较各声场指向性的仿真结果表明,在给定的工作频率和介质条件下，对比于平面结构，二维半圆球壳的曲面压电晶片或等效相控阵元阵列结构的超声换能器在近声场可实现高强度聚焦，同时近声场焦点处的横向/纵向分辨率都达到最佳，旁瓣/栅瓣抑制也达到最大。
张斌[8]2017年在《侧入射超声波液体界位检测建模及关键技术研究》文中研究说明在石油、化工、航天等领域,密闭容器中的液位的实时监控和精确测量,是工业自动化及安全生产的重要保障。在实际的工业生产过程中,一般要根据具体的测量环境来选取适合生产需求的测量方法。传统的液位测量方法众多,其检测技术稳定可靠,测量精度高,但这些方法一般都需要提前将部分或全部的检测设备和传感器安装在容器内部,这对于一些特殊行业的液位测量,特别是容器内储放有高温高压、易燃易爆、高腐蚀性、强挥发性的液体时,容易造成泄露事故,发生故障后维护难度大且成本过高。超声波检测技术能够实现真正意义上的非接触和非浸入式测量,不会破坏容器的物理结构和完整性,因此,论文基于超声阻抗法提出了一种新的侧入射超声波液体界位测量模型,为满足更高性能指标和可靠性要求的特殊测试场合提供研究基础。首先,论文中使用基于近轴近似理论的多元高斯声束模型,对圆形活塞式换能器在容器壁中的辐射声场进行了模拟仿真,分析了超声波束在固体中的传播形状和传播特征,在此基础上,提出了能量圆的概念及其计算方法,并根据固态介质和液态介质的超声阻抗的不同特性,建立了以基尔霍夫近似理论为基础的回波声压计算模型以及液位的确定方法。并通过MATLAB仿真,模拟了使用叁种不同超声阻抗的液体介质,分别在四组不同的壁厚条件下进行了液位测量的仿真实验,使用模型中的方法计算得出了回波声压的大小,并分析了其在整个检测过程中的变化特征,比较了叁种不同液体的超声阻抗对回波声压计算的影响。然后,讨论了该模型中影响液位测量精度的主要因素,提出了消除这些不利影响的有效方法或优化措施。为了解决超声波探头和容器壁之间的耦合不佳所导致的测量不稳定和不可靠的问题,论文提出了两种优化方案。第一种方案,是在普通检测探头的基础上进行了改进,使得探头表面的受力力度在整个检测过程中能保持均匀,保证了探头和容器壁间耦合的一致性,能够提高检测的稳定性和可靠性。第二种方案,在上述模型的基础上,使用改进的多晶片(多探头)组合换能器,并利用回波能量的平衡性原理来解决耦合条件不佳时的液位测量问题。论文通过一系列的MATLAB仿真实验,模拟和验证了该解决方案的可行性和有效性,该方法可以与第叁章中的测量方法形成互补。最后,根据理论模型的分析及仿真实验,设计完成了超声波液位仪的软硬件总体方案,在此基础上制作了样机,并使用该样机对所建立的模型进行了一系列的实验验证,实验共分为叁个部分进行。第一部分,使用直径大小不同的两种改进后的双晶单探头换能器,分别在四组不同壁厚条件下,对容器内部液位进行了测量,结合声场的特性,讨论和分析了不同大小的换能器对回波声压的计算以及检测分辨率的影响。实验结果表明,在静态条件下,本论文所讨论的测量模型,其检测误差总体上约小于±5mm,可以满足设计要求。第二部分,使用了英国CLASS公司生产的PLI-D型液位仪,在相同的测试条件下进行了检测,测量结果符合其本身的精度说明,检测误差基本保持在5~10mm的范围内,略高于本论文中的测量方法的误差。第叁部分,使用多晶片(多探头)组合换能器,同样在四组不同壁厚条件下,对该方法的实用性进行了验证。实验中选用了两组不同排列规则的传感器进行液位的检测,详细讨论和分析了不同排列规则下的检测结果的准确性和有效性。实验结果表明,该方法能够有效地克服因耦合条件不佳所带来的检测问题,检测误差也小于±5mm,满足设计需求。同时,该方法降低了传感器的耦合要求,使得入射声束的能量在整个检测过程中,不需要保持在一个连续的稳定状态,使得检测操作更加方便灵活,检测过程更加容易控制,检测结果也更加稳定、准确和可靠。
王录涛[9]2012年在《相控诊断超声成像波束控制技术研究》文中指出超声波在生物体中传播时，组织特性差异导致回波信号的幅度、相位、时间等参量发生改变。通过对回波信号的转换、重建或反演处理，诊断超声成像技术可获得待测生物组织结构信息。作为一种无创诊断手段，诊断超声成像技术已成为医学临床诊断不可或缺的常规诊断技术之一。相控诊断超声成像技术采用电子聚焦与扫描技术，在整个视场范围内均可获得具有良好的时间特性与空间特性的聚焦波束，经相控波束形成重建声像图具有分辨率高、动态范围大、几何失真小等特点。因此，与传统超声成像技术相比，相控诊断超声成像技术可显着提高成像质量。本文从诊断超声数据处理前端入手，针对相控诊断超声成像中的波束设计及实现技术进行了深入研究，提出了叁种不同复杂度的波束形成算法，提高成像空间分辨率、时间分辨率与均匀性，最后给出了一种48通道高集成度、可编程的、可满足波束形成算法研究与新兴超声临床应用研究的相控诊断超声成像系统设计方案，解决了其中的主要关键技术并进行了验证。本文主要内容包括以下几个方面：(1)对超声成像理论基础进行了论述，根据波动方程给出了不同形状换能器单频连续波辐射声场与脉冲激励声场计算模型，并对影响辐射声场特性的因素及改善方法进行了分析。在此基础上，给出了相控脉冲回波成像模型，仿真分析表明根据接收回波信号可以完全重构由散射介质引起的声场变化，通过改善声场分布特征可显着提高成像质量。(2)全面分析了相位控制精度、聚焦控制与波束指向性控制对于提高成像动态范围与空间分辨率的关系，并据此提出了一种可成倍提高成像时间分辨率的实时波束形成算法。该方法采用4并行接收波束使得成像帧频提高4倍，同时通过抑制发射波束旁瓣幅度与控制主瓣宽度获得高质量的图像。仿真结果表明采用该方法成像对比度明显优于常规延时累加波束形成算法。(3)提出了一种基于子空间法的低复杂度稳健自适应波束形成算法。该方法首先采用Toeplitz矩阵预处理结合特征值重构法提高采样协方差矩阵估计精度，然后采用特征子空间波束形成法实现孔径权值的自适应计算。针对点散射目标与囊肿目标仿真实验表明，该方法不仅可有效解决回波信号相干干扰问题，避免了传统空域平滑算法导致的有效孔径损失，而且可实现侧向分辨率与对比度的同时提高。(4)研究了非线性最小二乘支持向量回归算法在波束形成中的应用。该方法采用二次代价函数取代传统最小方差无失真响应波束形成算法中的线性约束条件，显着提高存在模型失配时波束形成器的稳健性与干扰抑制能力，采用高斯核函数则使得算法的泛化能力得以扩展，然后，推导了解的快速迭代求解方法，使得算法的实时运行得以实现。最后，基于奇异性准则提出了一种可有效削减解的规模的稀疏化算法。仿真结果表明该算法在导向矢量失配、复杂多干扰与样本快拍数受限等情况下，不仅可保持良好的主瓣指向性，而且旁瓣幅度明显低于传统自适应波束形成算法。(5)采用模块化设计思想与可重构逻辑设计技术，设计了一套高性能、高集成度的、可满足波束形成算法研究与新兴超声临床应用技术研究需要的相控超声成像平台。该平台可产生48独立通道、脉冲宽度与脉冲数可调的发射脉冲与实现48路回波信号的12bit精度50MHz采样。在发射时，采用两级可变延时控制结构，在较低系统工作频率下使发射脉冲延时控制精度达1.25ns；在接收时，采用基于最小均方误差的分数时延多相滤波技术提高接收相位控制精度与实现逐点动态聚焦。此外，对于相控诊断超声波束形成中的发射脉冲设计技术、扫描控制技术、多通道同步数据采集技术、波束形成器设计与实现技术进行了详尽阐述。作为相控阵列成像技术基础研究的一部分，本文研究成果可为多种新兴成像技术的研究提供技术支撑。此外，本文研究还可为开发商业化的高性能医学影像系统提供理论依据和实践参考。
秦传玺[10]2018年在《双匹配层空气耦合超声换能器研究》文中研究指明空气耦合超声换能器是应用于超声检测技术的关键部件。当超声换能器压电晶片激发出超声波辐射到空气媒质时,由于压电材料与空气媒质之间的声阻抗相差甚大,导致声能量大部分在气体和固体交界面处被反射,声能辐射效率低,换能器灵敏度低。本文旨在设计、制作并优化中心频率在450kHz左右的高灵敏度空气耦合超声换能器。文中系统地分析了空气耦合超声换能器的基本理论,设计了具有双层匹配层结构的超声探头。本文制备了 1-3型压电复合材料,将其应用于空气耦合超声换能器,并分析了压电复合材料的阻抗特性,探究了高频声波在空气中的衰减特性、固/气界面处声波透射性质以及阻抗匹配理论。为了解决阻抗失配问题,本文实验制备了填料为空心玻璃微珠,基体为环氧树脂的复合材料,它具有低密度、低声阻抗等优势,并且可以通过控制填料和基体的比例,相对灵活地调整材料的密度和声阻抗。本文基于KLM模型建立了双层匹配层结构空气耦合探头的等效电路模型,并采用二端口网络得到双匹配层换能器级联结构,推导了换能器电源端到负载端的传递矩阵,得到换能器双向传递函数。另外,本文利用Comsol Multiphysics对厚度模式圆形活塞压电晶片声场进行有限元仿真分析。通过理论分析获取了所需材料参数,制备了不同声阻抗的匹配层,制作了空气耦合换能器样品,并做了相关测试。通过大量的实验,并采用参数拟合法,获取最佳材料参数。得到了压电复合晶片的最佳体积比、匹配层复合材料的最佳配比以及两层匹配层的最佳厚度,获得了空气耦合换能器较高的灵敏度。
参考文献：
[1]. 圆形平面活塞式换能器的近场辐射特性的改善[D]. 陈天润. 厦门大学. 2001
[2]. 水声发射换能器及基阵的辐射声场建模与计算[D]. 何正耀. 西北工业大学. 2005
[3]. 水中超声换能器声场测量系统研制[D]. 龚振. 中国石油大学(北京). 2016
[4]. CMUT及其阵列工作机理与应用基础研究[D]. 王红亮. 天津大学. 2015
[5]. 低频换能器及校准技术研究[D]. 靳建嘉. 哈尔滨工程大学. 2011
[6]. 尺寸和发射频率对换能器声场影响仿真分析[J]. 韩伟, 张丕状. 计算机仿真. 2011
[7]. 基于PVDF超声换能器结构设计及其声场指向性研究[D]. 简平. 华南理工大学. 2013
[8]. 侧入射超声波液体界位检测建模及关键技术研究[D]. 张斌. 中北大学. 2017
[9]. 相控诊断超声成像波束控制技术研究[D]. 王录涛. 电子科技大学. 2012
[10]. 双匹配层空气耦合超声换能器研究[D]. 秦传玺. 南京大学. 2018
标签：工业通用技术及设备论文; 超声成像论文; 压电薄膜传感器论文; 超声波换能器论文; 耦合系数论文; 超声加工论文; 仿真软件论文; 压电常数论文; 耦合电路论文; 阻抗电压论文; 压电材料论文;