高强度宽频超声换能器研究及其探测系统设计

发布时间：2017-07-01 17:16

  本文关键词：高强度宽频超声换能器研究及其探测系统设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前,随着超声检测技术的发展,各行业的超声应用对发送和接收超声信号的超声换能器提出了更高的要求,主要表现在:需要超声换能器发射强度大、灵敏度高、携带信息量大。归根结底,是对超声换能器的工作带宽和发射强度需求有所提升。现在国内外主要是通过昂贵的复合材料来实现宽频效果;而对发射强度的研究相对空白,基本是通过放大器增强发射功率。基于此,本文区别于现有研究成果,提出通过多频合成聚焦的方式设计高强度宽频超声换能器。主要工作如下:(1)通过点状声源的声场分析、混频声波的叠加原理分析以及渐缩锥形管的声场聚焦分析,指出渐缩锥形管具有良好的声波聚焦功能,能有效增强点发射端的输出声压。同时对宽频的频段分离和再次合成可能性进行分析,定向论证了多窄频组合构成宽频的设计思路,为“高强度”和“宽频”两个性能的设计提供了理论基础。(2)设计高强度宽频超声换能器整体结构原理图,确定渐缩锥形管为“高强度”性能实现方式。然后针对宽频声源模块提出了梯形组合、圆柱形组合以及扇形组合形式三种思路,并对三种组合进行对比,得出圆柱形组合的宽频声源为最佳设计方案。(3)深入学习PZFlex超声仿真软件,并通过参数设置,设计高强度宽频超声换能器的3D模型和仿真模式,仿真了渐缩锥形管的材质、聚焦点尺寸和中心轴长度三方面因素对换能器声场强度的影响。同时验证了换能器能通过窄频叠加方式实现宽频性能,并指出可使用有叠加的相邻窄频频段作为声源选择,以达到最优化效果。(4)搭建了高强度宽频超声换能器的实测平台,对基于最小二乘准则、基于最小均方误差准则和基于自回归模型的三种探测系统频率响应估计算法进行比较,指出基于最小均方误差准则算法性能最优。(5)通过实验室3D打印机制作了渐缩锥形管实物,并与不同窄频晶片组合而成的宽频声源模块进行整合,制作出高强度宽频超声换能器实物。最后在实测平台分别对单晶片窄频声源和圆柱形组合多晶片宽频声源的实物换能器进行了实验实测对比,验证了论文设计方案能实现宽频效果。整体而言,通过合理配置本设计的渐缩锥形管和宽频声源,可以达到论文“高强度”和“宽频”性能预期目标,设计成果在超声检测领域,具有一定应用意义。
【关键词】：超声换能器 高强度 宽频 PZFlex仿真
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB552
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 研究背景11
• 1.2 研究意义11-12
• 1.3 国内外研究现状12-13
• 1.4 课题研究的难点分析13-14
• 1.5 论文的主要工作和基本结构14-16
• 1.5.1 论文的主要工作14
• 1.5.2 论文的基本结构14-16
• 第二章 超声换能器的基本理论16-26
• 2.1 超声及超声检测技术16-18
• 2.1.1 超声的特点与应用16-17
• 2.1.2 超声检测技术发展现状17-18
• 2.2 现有主要超声换能器及特点18-23
• 2.2.1 压电式换能器19-20
• 2.2.2 电容式微加工超声传感器20-21
• 2.2.3 磁致伸缩式换能器21-22
• 2.2.4 不同类别换能器的对比22-23
• 2.3 超声换能器的可优化点分析23-24
• 2.3.1 对超声换能器发射强度的优化23-24
• 2.3.2 对超声换能器发射带宽的优化24
• 2.4 本章小结24-26
• 第三章 高强度宽频超声换能器设计26-47
• 3.1 高强度超声换能器的设计思路26-33
• 3.1.1 点状声源的声场分析26-28
• 3.1.2 混频声波叠加原理分析28-30
• 3.1.3 渐缩锥形管的声场聚焦分析30-33
• 3.2 宽频超声换能器的设计思路33-40
• 3.2.1 宽频设计可行性的理论分析34-38
• 3.2.2 宽频信号的频段分离与合成设计38-39
• 3.2.3 宽频设计的具体实现原理图39-40
• 3.3 高强度宽频超声换能器的设计40-45
• 3.3.1 超声换能器整体结构原理图40-41
• 3.3.2 超声换能器构成模块介绍41-42
• 3.3.3 宽频声源模块的设计思路及对比42-45
• 3.4 本章小结45-47
• 第四章 对高强度宽频超声换能器的PZFLEX声场仿真47-59
• 4.1 超声波传播仿真软件PZFLEX简介47-48
• 4.2 PZFLEX声场仿真系统设置48-49
• 4.2.1 测试基本参数设置48-49
• 4.2.2 高强度宽频超声换能器的 3D模型图49
• 4.3 换能器的高强度性能仿真分析49-55
• 4.3.1 锥形渐缩管材质对强度的影响50-51
• 4.3.2 锥形渐缩管聚焦点尺寸对强度的影响51-52
• 4.3.3 锥形渐缩管中心轴长度对强度的影响52-54
• 4.3.4 高强度性能理想参数分析54-55
• 4.4 换能器的宽频性能仿真分析55-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 高强度宽频超声换能器的探测系统设计59-90
• 5.1 探测系统搭建及实验准备59-73
• 5.1.1 探测系统的工作原理图59-60
• 5.1.2 探测系统各硬件模块实现方案60-63
• 5.1.3 实验连接模块及换能器实物63-68
• 5.1.4 实验发射信号的选择68-73
• 5.2 探测系统频率响应算法分析73-82
• 5.2.1 频率响应的数学分析74-75
• 5.2.2 基于最小二乘准则的频率响应特性估计75-77
• 5.2.3 基于最小均方误差准则的频率响应特性估计77-78
• 5.2.4 基于自回归模型的频率响应特性估计78-81
• 5.2.5 三种频响特性估计算法比较81-82
• 5.3 对高强度宽频超声换能器进行实验测试82-88
• 5.3.1 对圆形单晶片窄频声源的实验测试83-84
• 5.3.2 对圆柱形组合多晶片宽频声源的实验测试84-87
• 5.3.3 窄频声源和宽频声源测试结果对比分析87-88
• 5.4 结合PZFLEX仿真和实测分析整个换能器设计88-89
• 5.5 本章小结89-90
• 总结与展望90-92
• 参考文献92-96
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果96-97
• 致谢97-98
• 附件98

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