本文關鍵詞：高強度寬頻超聲換能器研究及其探測系統(tǒng)設計，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：目前,隨著超聲檢測技術的發(fā)展,各行業(yè)的超聲應用對發(fā)送和接收超聲信號的超聲換能器提出了更高的要求,主要表現在:需要超聲換能器發(fā)射強度大、靈敏度高、攜帶信息量大。歸根結底,是對超聲換能器的工作帶寬和發(fā)射強度需求有所提升�，F在國內外主要是通過昂貴的復合材料來實現寬頻效果;而對發(fā)射強度的研究相對空白,基本是通過放大器增強發(fā)射功率�；诖�,本文區(qū)別于現有研究成果,提出通過多頻合成聚焦的方式設計高強度寬頻超聲換能器。主要工作如下:(1)通過點狀聲源的聲場分析、混頻聲波的疊加原理分析以及漸縮錐形管的聲場聚焦分析,指出漸縮錐形管具有良好的聲波聚焦功能,能有效增強點發(fā)射端的輸出聲壓。同時對寬頻的頻段分離和再次合成可能性進行分析,定向論證了多窄頻組合構成寬頻的設計思路,為“高強度”和“寬頻”兩個性能的設計提供了理論基礎。(2)設計高強度寬頻超聲換能器整體結構原理圖,確定漸縮錐形管為“高強度”性能實現方式。然后針對寬頻聲源模塊提出了梯形組合、圓柱形組合以及扇形組合形式三種思路,并對三種組合進行對比,得出圓柱形組合的寬頻聲源為最佳設計方案。(3)深入學習PZFlex超聲仿真軟件,并通過參數設置,設計高強度寬頻超聲換能器的3D模型和仿真模式,仿真了漸縮錐形管的材質、聚焦點尺寸和中心軸長度三方面因素對換能器聲場強度的影響。同時驗證了換能器能通過窄頻疊加方式實現寬頻性能,并指出可使用有疊加的相鄰窄頻頻段作為聲源選擇,以達到最優(yōu)化效果。(4)搭建了高強度寬頻超聲換能器的實測平臺,對基于最小二乘準則、基于最小均方誤差準則和基于自回歸模型的三種探測系統(tǒng)頻率響應估計算法進行比較,指出基于最小均方誤差準則算法性能最優(yōu)。(5)通過實驗室3D打印機制作了漸縮錐形管實物,并與不同窄頻晶片組合而成的寬頻聲源模塊進行整合,制作出高強度寬頻超聲換能器實物。最后在實測平臺分別對單晶片窄頻聲源和圓柱形組合多晶片寬頻聲源的實物換能器進行了實驗實測對比,驗證了論文設計方案能實現寬頻效果。整體而言,通過合理配置本設計的漸縮錐形管和寬頻聲源,可以達到論文“高強度”和“寬頻”性能預期目標,設計成果在超聲檢測領域,具有一定應用意義。
【關鍵詞】：超聲換能器 高強度 寬頻 PZFlex仿真
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB552
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-16
• 1.1 研究背景11
• 1.2 研究意義11-12
• 1.3 國內外研究現狀12-13
• 1.4 課題研究的難點分析13-14
• 1.5 論文的主要工作和基本結構14-16
• 1.5.1 論文的主要工作14
• 1.5.2 論文的基本結構14-16
• 第二章 超聲換能器的基本理論16-26
• 2.1 超聲及超聲檢測技術16-18
• 2.1.1 超聲的特點與應用16-17
• 2.1.2 超聲檢測技術發(fā)展現狀17-18
• 2.2 現有主要超聲換能器及特點18-23
• 2.2.1 壓電式換能器19-20
• 2.2.2 電容式微加工超聲傳感器20-21
• 2.2.3 磁致伸縮式換能器21-22
• 2.2.4 不同類別換能器的對比22-23
• 2.3 超聲換能器的可優(yōu)化點分析23-24
• 2.3.1 對超聲換能器發(fā)射強度的優(yōu)化23-24
• 2.3.2 對超聲換能器發(fā)射帶寬的優(yōu)化24
• 2.4 本章小結24-26
• 第三章 高強度寬頻超聲換能器設計26-47
• 3.1 高強度超聲換能器的設計思路26-33
• 3.1.1 點狀聲源的聲場分析26-28
• 3.1.2 混頻聲波疊加原理分析28-30
• 3.1.3 漸縮錐形管的聲場聚焦分析30-33
• 3.2 寬頻超聲換能器的設計思路33-40
• 3.2.1 寬頻設計可行性的理論分析34-38
• 3.2.2 寬頻信號的頻段分離與合成設計38-39
• 3.2.3 寬頻設計的具體實現原理圖39-40
• 3.3 高強度寬頻超聲換能器的設計40-45
• 3.3.1 超聲換能器整體結構原理圖40-41
• 3.3.2 超聲換能器構成模塊介紹41-42
• 3.3.3 寬頻聲源模塊的設計思路及對比42-45
• 3.4 本章小結45-47
• 第四章 對高強度寬頻超聲換能器的PZFLEX聲場仿真47-59
• 4.1 超聲波傳播仿真軟件PZFLEX簡介47-48
• 4.2 PZFLEX聲場仿真系統(tǒng)設置48-49
• 4.2.1 測試基本參數設置48-49
• 4.2.2 高強度寬頻超聲換能器的 3D模型圖49
• 4.3 換能器的高強度性能仿真分析49-55
• 4.3.1 錐形漸縮管材質對強度的影響50-51
• 4.3.2 錐形漸縮管聚焦點尺寸對強度的影響51-52
• 4.3.3 錐形漸縮管中心軸長度對強度的影響52-54
• 4.3.4 高強度性能理想參數分析54-55
• 4.4 換能器的寬頻性能仿真分析55-58
• 4.5 本章小結58-59
• 第五章 高強度寬頻超聲換能器的探測系統(tǒng)設計59-90
• 5.1 探測系統(tǒng)搭建及實驗準備59-73
• 5.1.1 探測系統(tǒng)的工作原理圖59-60
• 5.1.2 探測系統(tǒng)各硬件模塊實現方案60-63
• 5.1.3 實驗連接模塊及換能器實物63-68
• 5.1.4 實驗發(fā)射信號的選擇68-73
• 5.2 探測系統(tǒng)頻率響應算法分析73-82
• 5.2.1 頻率響應的數學分析74-75
• 5.2.2 基于最小二乘準則的頻率響應特性估計75-77
• 5.2.3 基于最小均方誤差準則的頻率響應特性估計77-78
• 5.2.4 基于自回歸模型的頻率響應特性估計78-81
• 5.2.5 三種頻響特性估計算法比較81-82
• 5.3 對高強度寬頻超聲換能器進行實驗測試82-88
• 5.3.1 對圓形單晶片窄頻聲源的實驗測試83-84
• 5.3.2 對圓柱形組合多晶片寬頻聲源的實驗測試84-87
• 5.3.3 窄頻聲源和寬頻聲源測試結果對比分析87-88
• 5.4 結合PZFLEX仿真和實測分析整個換能器設計88-89
• 5.5 本章小結89-90
• 總結與展望90-92
• 參考文獻92-96
• 攻讀碩士學位期間取得的研究成果96-97
• 致謝97-98
• 附件98

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