【摘要】：隨著電子技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展,超聲檢測(cè)技術(shù)具有圖像化、自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化以及極強(qiáng)的滲透力等特點(diǎn),這已經(jīng)成為現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域,超聲換能器(也稱探頭)作為超聲檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分,其探測(cè)性能直接影響到檢測(cè)的精度與檔次。由香農(nóng)公式可知,超聲傳輸?shù)淖畲笮畔⑷萘颗c超聲換能器的信道傳輸帶寬和信道信噪比相關(guān)。因此,超聲換能器若具有較寬的頻帶與良好的信噪比,則其能獲取最大的信息容量,但是現(xiàn)有的超聲換能器存在著發(fā)射激勵(lì)時(shí)間短、信號(hào)頻帶窄、反射回波信號(hào)小等不足,導(dǎo)致傳輸信息容量較小,探測(cè)性能并不高。因此,本文通過研究常見超聲換能器的聲場(chǎng)空間分布特性與在特定探測(cè)容器內(nèi)對(duì)物理聚焦的非線性聲場(chǎng)特性,提出一種基于物理聚焦的超聲換能器實(shí)現(xiàn)方法,可令探測(cè)器的發(fā)射端局部壓強(qiáng)變大,探頭能量集中,檢測(cè)精度得到提高。本文的主要工作有以下幾個(gè)方面:1、深入研究常見超聲換能器工作原理,并對(duì)單晶圓形聲源、單晶矩形聲源以及相控陣聲源的聲場(chǎng)空間分布與聲束指向性特征進(jìn)行理論分析,然后對(duì)其聲壓空間分布以及聲束指向性進(jìn)行模擬仿真,總結(jié)三者的聲壓空間分布特征、聲束聚焦以及聲束偏轉(zhuǎn)的性能。2、對(duì)探測(cè)器模型內(nèi)的非線性聲場(chǎng)空間分布特征進(jìn)行理論研究,推導(dǎo)出以錐形和指數(shù)形為探測(cè)器模型的聲壓幅值特性,并在此基礎(chǔ)上提出一種基于物理聚焦的超聲換能器實(shí)現(xiàn)方法,可克服直探頭無法聚焦的缺陷,在保持探頭發(fā)射功率以及保證最小總輻射量的基礎(chǔ)上提高局部聲壓,可使檢測(cè)范圍縮減,超聲探頭能量匯聚,檢測(cè)精度得到提高。同時(shí)結(jié)合通信系統(tǒng)組成原理,對(duì)超聲檢測(cè)系統(tǒng)的組成與工作原理進(jìn)行詳細(xì)研究。3、使用PZFLex軟件對(duì)物理聚焦的超聲換能器聲場(chǎng)進(jìn)行有限元數(shù)值聲場(chǎng)模擬分析,并對(duì)換能器設(shè)置不同參數(shù),分析探測(cè)器不同錐度與不同位置時(shí)對(duì)波束聚焦的效果。4、深入研究三種估計(jì)物理聚焦探測(cè)系統(tǒng)信道響應(yīng)的頻響特性算法,在此基礎(chǔ)上對(duì)物理聚焦超聲換能器在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行頻響特性測(cè)試,證明其在實(shí)際應(yīng)用中的可操作性。
[Abstract]:With the development of electronic technology and automation technology, ultrasonic testing technology has the characteristics of image, automation, digitization, intelligence and strong permeability, which has become an important research field of modern detection technology. Ultrasonic transducer (also called probe) as an important part of ultrasonic detection system, its detection performance directly affects the accuracy and grade of detection. According to Shannon's formula, the maximum information capacity of ultrasonic transmission is related to the channel transmission bandwidth and channel signal-to-noise ratio of ultrasonic transducer. Therefore, if the ultrasonic transducer has a wide frequency band and good signal-to-noise ratio, it can obtain the maximum information capacity. However, the existing ultrasonic transducer has some shortcomings, such as short excitation time, narrow signal frequency band, small echo signal, etc. As a result, the transmission information capacity is small and the detection performance is not high. Therefore, by studying the spatial distribution of acoustic field and the nonlinear acoustic field characteristics of physical focusing in a specific detection vessel, this paper presents a method of ultrasonic transducer realization based on physical focusing. It can increase the local pressure of the detector, concentrate the probe energy, and improve the detection accuracy. The main work of this paper is as follows: 1. The working principle of common ultrasonic transducer is deeply studied, and the spatial distribution of sound field and the directivity of sound beam of single crystal circular sound source, single crystal rectangular sound source and phased array sound source are analyzed theoretically. Then, the spatial distribution of sound pressure and the directivity of sound beam are simulated and simulated, and the characteristics of spatial distribution of sound pressure, the focusing of sound beam and the deflection of sound beam are summarized. The spatial distribution characteristics of nonlinear acoustic field in the detector model are theoretically studied, and the acoustic pressure amplitude characteristics of the detector model with conical and exponential shapes are deduced, and a realization method of ultrasonic transducer based on physical focusing is proposed. It can overcome the defect that the straight probe can not be focused. The local sound pressure can be increased on the basis of keeping the transmission power of the probe and ensuring the minimum total radiation. The detection range can be reduced, the energy of the ultrasonic probe can be converged, and the detection accuracy can be improved. At the same time, combined with the principle of communication system composition, the composition and working principle of ultrasonic detection system are studied in detail. 3. The finite element numerical sound field simulation analysis of the ultrasonic transducer with physical focus is carried out by using PZFLex software. At the same time, different parameters are set for the transducer to analyze the effect of beam focusing when the detector has different taper and position. 4. Three frequency response algorithms for estimating the channel response of the physical focusing detection system are studied in depth. On this basis, the frequency response characteristics of the physical focused ultrasonic transducer are tested in the actual environment, which proves its operability in practical application.
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB552

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