高频超声检测模型研究

发布时间：2017-05-07 18:17

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【摘要】：超声检测是无损检测领域重要的检测手段之一。在超声检测过程中,如何快速、准确地获得缺陷信息,一直是超声检测研究追求的目标。作为检测工具的超声换能器更是起着关键性的作用,对其的深入研究是超声检测发展的主要方向之一。本文首先通过研究了超声换能器各组成部分的等效模型,建立有效的超声换器等效模型,构建了基于等效电路的超声换能器的声电转换整体模型。研究了换能器频响函数在不同激励下的响应特性仿真计算。从对换能器声场模型的研究出发建立了圆形平面换能器的声场计算模型。基于瑞利积分模型和多高斯声束模型进行换能器声场计算的解析计算,并进行直探头声场的模拟分析与对比,分析了换能器参数对声场的影响,同时给出了直探头的声束指向性函数。研究了超声换能器在厚度测量方面的应用,本文主要针对金属薄膜,对其厚度测量应用不同的数据处理方法处理,研究了两种测厚模型,并给出了如何选择厚度测量模型。并对换能器纵向尺寸测量的分辨力进行分析研究。最后,本文详细介绍了超声显微测量系统的设计原理,以及显微测量系统样机的软硬件组成部分,并对显微测量横向分辨力进行建模,针对频率对分辨力的影响进行了定性分析。
【关键词】：超声换能器 等效电路模型 声场模型 厚度测量 C扫分辨力
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB553
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 本课题研究背景和意义9-10
• 1.2 超声换能器声场10-12
• 1.3 声场模型国内外研究现状12-14
• 1.4 本论文的主要研究内容14-15
• 第2章 高频超声换能器的响应特性模型及其应用15-28
• 2.1 超声换能器响应特性建模方法15-17
• 2.1.1 等效电路法15
• 2.1.2 传输矩阵法15-16
• 2.1.3 有限元法16-17
• 2.2 超声换能器等效电路模型17-24
• 2.2.1 压电振子的等效电路17-21
• 2.2.2 背衬与匹配层的等效电路21-22
• 2.2.3 Mason和KLM等效电路22-24
• 2.3 换能器对脉冲激励信号的频响函数24-27
• 2.3.1 换能器频响函数模型24-26
• 2.3.2 不同脉冲激励时换能器的响应特性26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 高频换能器的辐射声场模型及应用28-47
• 3.1 超声换能器辐射声场模型28-34
• 3.1.1 瑞利积分模型的建立28-29
• 3.1.2 多高斯声束模型的建立29-34
• 3.2 声场计算方法简述34-36
• 3.2.1 解析法34
• 3.2.2 声线法34-35
• 3.2.3 声线法数值计算法35-36
• 3.3 圆形活塞声源声场的计算36-42
• 3.3.1 瑞利积分模型下的辐射声场36
• 3.3.2 多高斯声束模型下的辐射声场36-37
• 3.3.3 不同模型的声场对比分析37-39
• 3.3.4 换能器参数对声场的影响39-42
• 3.4 高频超声换能器声场特性有限元仿真42-46
• 3.4.1 几何模型建立和材料设定42-43
• 3.4.2 网格划分43
• 3.4.3 边界条件和激励信号设定43-44
• 3.4.4 时频域特性计算44-45
• 3.4.5 灵敏度特性计算45-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第4章 基于脉冲回波法的超声测厚模型及应用47-59
• 4.1 时间差法超声测厚模型47-48
• 4.2 回波信号谱分析模型48-53
• 4.2.1 连续模型48-50
• 4.2.2 弹簧模型50-53
• 4.3 测厚模型的实验验证53-56
• 4.4 换能器轴向分辨力56-57
• 4.5 本章小结57-59
• 第5章 高频超声显微扫查成像分辨力模型及应用59-69
• 5.1 显微扫查的工作方式59-60
• 5.2 扫查成像的基本原理60-62
• 5.3 超声显微镜的分辨率模型62-65
• 5.3.1 瑞利准则(Rayleigh criterion)62-63
• 5.3.2 斯派罗准则（Sparrow criterion）63
• 5.3.3 提高分辨力方法63-65
• 5.4 高频换能器扫查成像的分辨力影响因素65-68
• 5.4.1 显微成像的组成65-66
• 5.4.2 扫查速度66-67
• 5.4.3 扫查间距67-68
• 5.5 本章小结68-69
• 第6章 高频超声显微扫查系统及实验分析69-83
• 6.1 系统总体框架69-70
• 6.2 系统硬件组成70-74
• 6.2.1 运动控制系统70-72
• 6.2.2 超声激励与接收装置72-73
• 6.2.3 高频聚焦换能器73-74
• 6.3 系统软件功能74-79
• 6.3.1 数据采集模块75-76
• 6.3.2 运动控制模块76-77
• 6.3.3 显微扫查模块77
• 6.3.4 数据后处理模块77-79
• 6.4 高频超声显微C扫成像实验分析79-81
• 6.4.1 图像测量软件79-80
• 6.4.2 显微C扫成像测量实验80-81
• 6.5 本章小结81-83
• 本文总结83-85
• 参考文献85-89
• 附录 多元高斯函数叠加系数 （N=15）89-90
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单90-91
• 致谢91

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