基于MATLAB的超声波声场模拟及可视化研究

论文摘要

随着超声检测技术的不断发展,超声检测过程的模拟成为研究热点。超声波声场关系到缺陷的定位定量以及检测精度和灵敏度,了解声场结构及分布特征对于提高检测可靠性、准确性以及提高检测效率至关重要,所以超声波声场模拟在整个超声检测技术的模拟中具有重要地位。圆形活塞换能器、矩形活塞换能器是超声无损检测中常用的声源,而线列阵组合平面阵和矩形阵组合平面阵是相控阵换能器研究的基础,因而其声场的模拟在超声场模拟的研究中具有重要意义。科学计算可视化(简称可视化),是计算机图形学的一个新领域,指的是运用计算机图形学和图像处理技术,将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换成图形或图像,并在屏幕上显示出来等一系列交互处理的理论、方法和技术。本文根据积分法的理论基础——克希霍夫积分定理建立声场研究模型,推导出声场中声压分布和指向性的计算公式,利用MATLAB M语言对圆形活塞换能器和矩形活塞换能器辐射的声场进行模拟并将模拟结果可视化,利用可视化图形分析其声场分布及指向性特征,总结声场分布规律。对直径为10mm、20mm、50mm和发射频率为1MHz、2MHz、5MHz的圆形活塞换能器声场声压分布进行比较,发现频率不变声源尺寸增大或声源尺寸不变频率增大,声束的主瓣都会变窄,辐射范围缩小,副瓣增多,轴线上声压增高;对波数与声源尺寸的乘积对指向性的影响进行讨论,发现随着乘积数值的增大其声场变得尖锐,能量集中,指向性变好;在对圆形活塞换能器和矩形活塞换能器声场声压分布及指向性进行分析的基础上,进一步分析线列阵组合平面阵和矩形阵组合平面阵辐射声场的指向性特征,分别对M(行)×N(列)为2×2、3×3、3×8的线列阵组合平面阵和M(行)×N(列)为2×2、2×6的矩形阵组合平面阵的指向性分布特征进行分析,得到阵元个数及排列对指向性分布的影响规律为:阵元个数越多,指向性分布越复杂,M和N不等的阵列上阵元数较多的方向旁瓣会得到相应的抑制,主瓣比较突出;以水/钢界面为例对液/固界面对声压分布的影响进行讨论,得到声波从声阻抗较小的液体入射到声阻抗较大的固体中声压会突然变大,增大的幅度取决于透射系数。综上研究结果得出:声源尺寸、发射频率是影响声场分布及指向性特征的主要因素,对于换能器阵除了声源尺寸和发射频率之外,阵元个数及其排列情况也是影响其声场分布特征的重要因素;界面对声场的分布有较大影响,声压分布的变化取决于声阻抗及透射系数的大小。最后通过对部分声场模拟结果与已有文献进行比较,对本文研究方法及结果进行了初步验证。对声场进行模拟并将模拟结果可视化,使抽象声场变为可见的图形图像,根据图形进行声场分析,有利于人们形象、直观地理解声场,同时可以避开烦琐的解析计算过程而降低研究难度,为分析和研究换能器辐射声场提供一种方便途径,也为检测过程中探头的选取、检测信号的接收、各种材料的超声无损表征与评价以及探头制造中参数的选取等提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 超声波检测概述及发展现状
• 1.2 超声检测模拟的发展现状
• 1.3 超声波声场模拟的发展现状
• 1.4 科学计算可视化的形成及发展现状
• 1.5 本研究的目的和意义
• 1.6 本研究的主要工作
• 本章小结
• 2 超声波声场理论
• 2.1 描述超声场的物理量
• 2.1.1 声压
• 2.1.2 声强
• 2.1.3 特性声阻抗
• 2.1.4 声速
• 2.2 声场的声压分布理论
• 2.2.1 克希霍夫（基尔霍夫）积分定理
• 2.2.2 圆形活塞换能器辐射的纵波声场
• 2.2.3 矩形活塞换能器辐射的纵波声场
• 2.3 声场的指向性
• 2.3.1 指向性函数的研究意义
• 2.3.2 指向性的形成机理
• 2.3.3 指向性函数
• 2.3.4 指向性函数表达式的推导
• 2.3.5 各种换能器阵的指向性函数
• 本章小结
• 3 超声场的模拟及可视化
• 3.1 模拟及可视化分析的研究模型及实现过程
• 3.2 圆形活塞换能器辐射声场的模拟及可视化
• 3.2.1 换能器中心轴线上的声压分布
• 3.2.2 换能器轴向声场的声压分布
• 3.2.3 声轴横截面声场的声压分布
• 3.2.4 发射频率及换能器尺寸对声压分布的影响
• 3.3 矩形活塞换能器辐射声场的模拟及可视化
• 3.3.1 换能器轴向声场的声压分布
• 3.3.2 声轴横截面声场的声压分布
• 3.4 指向性的模拟及可视化
• 3.4.1 传统指向性研究的不足
• 3.4.2 圆形活塞换能器的指向性模拟及可视化
• 3.4.3 矩形活塞换能器的指向性模拟及可视化
• 3.4.4 线列阵组合平面换能器阵的指向性模拟及可视化
• 3.4.5 矩形阵组合平面换能器阵的指向性模拟及可视化
• 本章小结
• 4 界面对声压分布的影响
• 4.1 界面上声压的反射和透射理论
• 4.1.1 垂直入射时声压的反射与透射
• 4.1.2 斜入射时声压的反射与透射
• 4.2 界面前后声压分布的模拟及可视化分析
• 本章小结
• 5 声场模拟及可视化结果讨论
• 5.1 圆形活塞换能器辐射声场的模拟及可视化结果讨论
• 5.2 线列阵组合平面换能器阵辐射声场指向性的模拟及可视化结果讨论
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢