【摘要】：超聲波是一種頻率高于人類聽(tīng)覺(jué)的可聽(tīng)限度上限的聲波,其頻率為20 kHz至幾千兆赫茲。超聲波有三個(gè)明顯的特點(diǎn)。超聲波具有高頻率,因此超聲波傳播的指向性很強(qiáng),而且可以穿透幾乎所有材料;介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)在超聲波傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的加速度;超聲波在液體傳播時(shí),如果聲強(qiáng)達(dá)到某個(gè)閾值,會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象。超聲空化指的是超聲在液體內(nèi)傳播時(shí),致使液體中的氣泡從出現(xiàn)到破碎消失的過(guò)程。超聲空化存在一個(gè)閾值。超聲波被應(yīng)用于許多領(lǐng)域。超聲波設(shè)備用于在水中測(cè)量距離。工業(yè)上,超聲波用于清潔,還有混合和加速化學(xué)過(guò)程。在產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)中,超聲波用于檢測(cè)其中不可見(jiàn)的缺陷。超聲成像和超聲治療通常在醫(yī)學(xué)中被廣泛使用。超聲換能器是一種聲學(xué)傳感器,分為三大類:發(fā)射器,接收器和收發(fā)器。發(fā)射器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波,接收器將超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào),收發(fā)器可以發(fā)送和接收超聲波。超聲換能器能夠產(chǎn)生超聲波,但是單個(gè)超聲換能器通常不能滿足實(shí)際應(yīng)用中的多方面要求,通常這時(shí)候就需要利用超聲換能器陣列來(lái)滿足這些要求。目前國(guó)內(nèi)外研究的主要是單一超聲換能器作為陣元的超聲換能器陣列,關(guān)于多種超聲換能器共同作為陣元的超聲換能器陣列的研究較少。因此,本文采用圓型活塞換能器和矩形活塞換能器共同作為超聲換能器陣列的基本陣元。本論文首先介紹了換能器的聲場(chǎng)特性和指向性的定義。接下來(lái),介紹了圓形活塞換能器和方形活塞換能器在遠(yuǎn)場(chǎng)的聲場(chǎng)特性和指向性,并進(jìn)行了模擬仿真。最后介紹了換能器陣的聲場(chǎng)特性和指向性,并對(duì)乘法定理和加法定理進(jìn)行了闡述。本文的研究?jī)?nèi)容分為兩個(gè)部分。第一部分是通過(guò)改變換能器陣列的排列計(jì)算它們變化引發(fā)的換能器陣列指向性的變化。首先舉例說(shuō)明了采用單一陣元組成的3×3換能器陣列的幾種排列和采用兩種陣元組成的3×3換能器陣列的幾種排列,并計(jì)算并仿真了其的指向性。研究結(jié)果表明:采用兩種陣元組成的超聲換能器陣列的最大旁瓣在幾種排列中最小。因此采用兩種陣元組成的3×3換能器陣列在指向性上可以比采用單一陣元組成的3×3換能器陣列好。然后研究了采用單一陣元組成的4×4換能器陣列的幾種排列和采用兩種陣元組成的4×4換能器陣列。最后研究了采用單一陣元組成的5×5換能器陣列的幾種排列和采用兩種陣元組成的5×5換能器陣列。也得出了類似的結(jié)論。因此,采用兩種陣元的換能器陣列在指向性上可以比采用單一陣元的換能器陣列好。第二部分是改變兩種陣元組成的換能器陣列的參數(shù)計(jì)算它們變化引發(fā)的陣列指向性的變化。通過(guò)計(jì)算不同陣元間距的兩種陣元組成的換能器陣列的指向性。研究結(jié)果表明:陣元間距越小,兩種陣元的換能器陣列的指向性越好。通過(guò)計(jì)算不同陣元尺寸的兩種陣元的換能器陣列的指向性。研究結(jié)果表明:陣元尺寸越大,兩種陣元的換能器陣列的指向性越好。通過(guò)計(jì)算不同陣元頻率的兩種陣元的換能器陣列的指向性。研究結(jié)果表明:超聲頻率越大,兩種陣元的換能器陣列的指向性越好。通過(guò)計(jì)算不同介質(zhì)的兩種陣元的換能器陣列的指向性。研究結(jié)果表明:介質(zhì)中聲音速度越小,兩種陣元的換能器陣列的指向性越好。
【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】：2019
【分類號(hào)】：TB552
【圖文】：

-遠(yuǎn)場(chǎng)中距聲中心為 r 的球面上最大值方向( 0, 0)上的 0= 0= 0°。要滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件 ≥ 2 到觀察點(diǎn)的距離；或換能器陣的最大半徑：能器的聲場(chǎng)特性及其指向性形活塞換能器的聲壓分布如圖 2-1 所示

將活塞表面分成無(wú)限多個(gè)小面元，每一個(gè)面元均可看作一點(diǎn)Q 取面元 dS，面元 dS 在點(diǎn) P 處產(chǎn)生的聲壓為 dp。積分后可得[43,4 = 2 2 2 1 (2 2)換能器指向性函數(shù)是軸對(duì)稱的，并且指向性函數(shù)與 α 角無(wú)關(guān)，因。xOz 平面內(nèi)圓形活塞換能器的指向性。換能器輻射的指向性函數(shù)為 , = 0 = 2 1 (2 3)塞換能器半徑為3 cm，超聲頻率 f取50 kHz，聲速c取水中聲速1式使用 MATLAB 進(jìn)行編程計(jì)算，結(jié)果如圖 2-2 所示。

圖 2-3 4 cm 圓形活塞超聲換能器的指向性活塞換能器半徑為5 cm，超聲頻率f取50 kHz，聲速c取水中聲速式使用 MATLAB 進(jìn)行編程計(jì)算，結(jié)果如圖 2-4 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2766543