大型螺栓阵列超声全聚焦成像的场能强化算法研究

大型螺栓大多用于连接需要承受重载和剧烈振动的构件,由于处于关键承载位置,其可靠性和稳定性对于工业结构的安全至关重要。阵列超声全聚焦成像能够提供高灵敏度、高分辨率的三维成像,为螺栓监测/检测提供了更好的质量和可靠性评价能力。但对于大型螺栓监测/检测而言,由于常规全聚焦方法使用单个阵元发射,造成在远离探头的部分超声能量较小,检测灵敏度下降。针对上述问题,提出了一种多反射场能量叠加强化的方法,针对所有反射能量场进行场能重建,将多层声场能量累加,使得缺陷处的信号增强。实验结果表明,随着声场能量层数增加,缺陷处的信号逐步增强,缺陷信噪比提高,可以检出常规全聚焦方法无法检出的小缺陷,证明该方法可以有效提高对微小缺陷的检测能力,提高全聚焦技术对螺栓的检测深度。

聚焦超声在多模式协同治疗肝癌方面的最新研究进展

声动力疗法(Sonodynamic Therapy,SDT)是一种利用聚焦超声非入侵性治疗癌症的手段,基于SDT的协同策略治疗肝癌,具有较高的研究意义和临床转化价值。总结了SDT的治疗机理和常见声敏剂,分析了基于单模态声动力疗法很难满足现阶段治疗肝癌肿瘤原因,重点阐述声动力疗法和化疗、光动力治疗、光热治疗等双重协同治疗模式以及基于声动力的多模式协同治疗的研究进展,旨在为今后SDT协同模式治疗肝癌及其它类型癌症提供参考和借鉴,同时提出SDT协同治疗在研究过程中仍面临的单一治疗效果不显著和多模态联合治疗研究较少等问题,最后提出了开发新型声敏剂、探究联合治疗机理以及实现实时诊疗等应用等发展前景。

圆柱类构件超声相控阵聚焦模型

在利用平面相控阵超声换能器对圆柱类构件检测时,受曲界面结构引起的入射波和回波时延的影响,扫描声束的波阵面产生弯曲,在利用传统迭代遍历算法计算延迟时间时效率低,无法发挥相控阵换能器检测优势。针对上述问题,建立了一种基于圆柱类构件特征和耦合介质特性的超声相控阵扫描成像的聚焦模型。该模型基于换能器、耦合介质、圆柱类构件材料特性和几何关系以及声线模型和折射定律,建立了耦合介质及被检构件的声速、曲面曲率半径、阵列与曲面间的距离等关联的延迟时间聚焦控制模型。利用该模型计算出的延时时间,对各阵元发射时间进行控制,从而实现扫描声束的聚焦。该文以液体和有机玻璃制介质楔块为例,对圆柱钢曲面的相控阵声束聚焦进行了仿真实验,结果表明该文方法计算效率显著提升,同时声束可以在预设位置实现聚焦,验证了该模型在计算效率上的优势与有效性。

基于Biot-Stoll理论的充液管-海底沉积物导波的传播特性

研究海底沉积物的声学特性对海洋国防和经济开发具有重要的意义。该文基于Biot-Stoll理论对充液管-海底沉积物中激发产生的模式波的传播特性进行了分析,并数值仿真了海底沉积物声学参数测量的应用。首先,对该模型下的声场进行了求解,建立了模式波的频散方程,研究了管中纵向轴对称模式的传播特性。其次,在纵向L(0,1)模式波传播特性的研究中,数值模拟了接收波形,构建并求解了目标函数,论证了该模式波反演沉积物孔隙参数的可行性。研究结果表明:充液管-海底沉积物模型中的L(0,1)模式波的传播特性对沉积物孔隙参数变化敏感,数值仿真证实了可以利用L(0,1)模式波来反演沉积物孔隙参数。

交叉分段差分进化支持向量回归的气体超声流量计测量方法

为了进一步提高全量程气体超声流量计的测量精度,基于多通道声波到时和实时温度,提出了一种交叉分段差分进化支持向量回归(DE-SVR)模型。考虑到气体在不同流量条件下的流体状态不同,提出了交叉分段处理的方法,采用差分进化算法优化选取支持向量回归参数。实验结果表明,对于16∼1600 m3/h全量程,交叉分段DE-SVR和传统积分方法计算气体流量的平均相对误差分别为0.00447和0.02781,前者较后者降低了83.93%;对于16∼160 m3/h小流量,交叉分段DE-SVR和无分段DE-SVR算法计算结果平均相对误差分别为0.00436和0.03214,前者较后者降低了86.43%。该方法有效避免了声道长度、探头角度以及管道直径等参数不确定性对流量计算的影响,为全量程气体流量的高精度测量提供了保障。

HIFU治疗中换能器驱动电功率变化机制及规律

高强度聚焦超声(HIFU)治疗中的驱动电功率对治疗效率起着非常关键的作用,驱动电功率控制的精准性势必会影响治疗的效率和安全性。前期研究表明:HIFU治疗过程中焦域瞬态物理特性的变化会导致换能器的负载阻抗发生变化,进而影响HIFU驱动电功率,但驱动电功率与焦域瞬态物理特性之间的影响关系及规律尚不明确。该文基于电压、电流传感器、空化检测探头和温度传感器等器件,构建了一种HIFU治疗中驱动电功率实时监测及焦域声空化、温度检测系统。基于该实验研究系统,以离体牛心组织作为HIFU辐照对象,分别研究了HIFU焦域温度变化、声空化及组织损伤与驱动电功率之间的变化关系及规律。研究结果表明:当焦域温度升高时,驱动电功率缓慢上升,驱动电功率与温度变化有良好的相关性;当空化产生时,驱动电功率出现明显的波动;当组织出现损伤时,驱动电功率呈陡然下降的变化。三种情景下,驱动电功率变化有明显区别,这有望为区分HIFU治疗过程中焦域处发生损伤和空化以及实时监测靶组织损伤程度提供一种新的解决方案。

基于多元高斯声束模型的层状多界面超声声场特性仿真

针对层状多界面结构内超声传播复杂,声场分布难以可视化等问题,推导单层、双层及三层结构中多元高斯声束模型的表达形式。该文采用水浸超声检测法,计算仿真垂直入射和斜射10°至水、水-有机玻璃、有机玻璃-铝-黄铜的声场,实现检测声场的可视化。通过计算得出仿真结果与实际理论相符,表明该方法能够应用在层状多界面结构超声声场仿真中。

微聚焦超声作用于离体动物皮肤的实验室研究

目的观察微聚焦超声作用于离体动物皮肤组织的组织病理特征及其距皮肤表面的距离,为临床安全使用微聚焦超声设备提供参考。方法将猪皮肤组织切成60mm×40mm×10mm的组织块,并标记平行的操作线,使用半岛MFUS超声治疗仪的不同治疗头沿标记线对离体猪皮肤组织进行模拟操作,然后将标记线处的猪皮肤组织切成10mm×5mm的皮肤组织块进行包埋、固定、切片和HE染色。在显微镜下观察猪皮肤组织的HE染色结果,并测量热损伤区距离皮肤表面距离。结果MFUS的M4.5、M3.0作用下猪皮肤真皮和表皮组织内未见明显的病理性改变,皮下脂肪组织中可见大小不一的脂肪细胞溶解,呈透明腔隙样,距皮肤表面最小距离分别为2.68mm、2.99mm,最大距离分别为4.92mm、4.91mm。D4.5、D3.0作用的猪皮肤组织HE染色显示,猪皮肤真皮组织内可见到深染的胶原变性区域,皮下脂肪组织中可见大小不一的脂肪细胞溶解性改变,形成透明腔隙,透明腔隙呈长椭圆形,胶原变性区顶部距皮肤表面距离分别为0.41mm、0.00mm,底部距皮肤表面距离分别为2.58mm、2.54mm透明腔隙距皮肤表面最大距离分别为4.70mm、4.92mm。结论MFUS可引起皮肤组织的脂肪溶解和真皮胶原纤维变性,在进行操作时需掌握适应症,避免在凹陷部位进行操作,使用D3.0治疗头勿过度重叠,以免引起表皮损伤。

超声阵列方法在层状结构损伤检测中的应用

层状钢筋混凝土结构常见的裂缝、层间离缝等损伤具有尺度小、隐蔽的特点,常规检测方法无法对其精确查明与定量评价。以高铁层状无砟轨道结构为研究对象,使用阵列式超声装备采集半矩阵数据,利用全聚焦算法对轨道内部结构及损伤成像,通过线性旅行时插值射线追踪算法计算超声波在层状介质中传播的最短到达时间代入全聚焦成像公式,具有深度准确、分辨率高、聚焦性好的特点。提出一种层间密实度评价方法,以表面超声直达波能量为基准分析反射波能量差异计算密实指数,可定量分析无砟轨道层间状态。文中层状介质的检测和层间损伤定量评价方法有效查明层状无砟轨道层内裂缝和层间离缝,对使用超声波检测层状结构及层间损伤具有借鉴意义。

基于人工蜂群遗传算法的稀疏全聚集成像方法研究

稀疏阵列设计是一种可提高相控阵成像实时性的有效途径。遗传算法能较好解决线性阵列稀疏这种典型的约束优化问题。但此算法的局部搜寻能力较弱,且在后期搜寻效率较差。为此,论文通过构建人工蜂群-遗传算法的阵列稀疏方法,把蜂群寻找最优解的过程引入到传统遗传算法中,增加全局最优解的搜索能力。结果显示,人工蜂群-遗传算法优化后得到的稀疏阵列比遗传算法优化后得到的稀疏阵列具有更高的旁瓣抑制力,阵列的峰值旁瓣水平达到-11.40 dB。而在阈值为-6 dB时,两种算法优化得到的稀疏阵列主瓣宽度都等同于全阵列2.8°的主瓣宽度。最后,论文通过相控阵检测系统在钢轨试样上采集超声信号,利用人工蜂群-遗传算法设计得到的稀疏矩阵进行全聚焦成像。实验结果显示,当阵元数为32的线性阵列在稀疏率达到75%时,稀疏阵列的阵列性能指标分辨率、信噪比与满阵相差不大,但成像效率却提高了53.04%。

基于反卷积神经网络的超声导波层合板脱粘缺陷超分辨成像

针对传统超声导波成像检测方法难以精确表征结构损伤细节特征的问题,文中提出了基于深度学习的反卷积神经网络模型,对层合板中亚波长脱粘缺陷的超分辨成像问题进行研究,以获得损伤的细节特征。通过有限元仿真与全聚焦成像算法获取初始成像结果,再使用数据增强方法扩充数据库,最后对标注好的12550张损伤图像进行训练和测试。研究结果表明,与原始全聚焦成像算法相比,反卷积神经网络模型下损伤的成像位置准确度提高了5%,成像精度高于91%,定位误差低于1.8 mm,说明文中所提方法能够明显提高网络成像结果分辨率并较好地显现亚波长损伤的细节特征。上述结果表明文中所提方法具有较高的检测效率,且无需人工经验,在工程实践中具有良好的应用价值。

POM圆盘轴对称弯曲振动研究

研究了一种材料为聚甲醛(POM)的薄圆盘声波辐射体,压电换能器在其中心处产生振动激励.采用解析法设计了POM圆盘,用有限元方法对POM圆盘−换能器振动系统进行了建模、计算.在系统谐振频率处,有限元计算和实验测试了圆盘的振动位移与系统的电声效率.结果表明,POM圆盘和钢圆盘半径、厚度相同时,POM圆盘−换能器振动系统在空气中的半功率带宽更宽,而钢圆盘−换能器振动系统的电声效率更高;POM圆盘−换能器振动系统更易施加较高的电压或有功功率;激励电压相同时,POM圆盘的振动位移大于钢圆盘.

基于集成芯片的压电换能器频率跟踪技术研究

针对超声驱动电源在不同共振频率跟踪(RFT)方案下存在的频率搜索范围小、跟踪进程长、软硬件设计复杂等问题,研究了基于集成芯片的频率跟踪方案。该方案以集成芯片为核心,结合逻辑控制及其外围接口电路,实现了压电换能器在毫秒量级的频率智能跟踪。此外,还设计了一种输出频率范围可调的VCO电路,来搭配使用频率跟踪模块;以匹配电路的电压放大倍数和换能器电流为目标函数计算出匹配参数。最后基于频率跟踪模块实现了小型化、低成本的超声驱动电源,验证了基于集成芯片的频率跟踪方案。所设计的电源拥有27 kHz~29 kHz频率搜索范围,0.5 Hz的频率跟踪精度。实验结果表明,其能在3.5 ms左右完成频率搜索和跟踪的进程。

外形结构对Terfenol⁃D棒发热的影响

为了减小Terfenol⁃D棒工作时的发热,实现超磁致伸缩换能器、致动器的持续稳定工作。利用COMSOL Multiphysics有限元软件对三种结构的稀土棒进行温度场仿真计算。加工的三种稀土棒在工作了同一段时间后,对其温升进行实验测试。结果表明,未切割棒的温度最高,该棒的温度中部高两端低,外径表面的温度高内部的温度低;与未切割棒相比,切片和切缝棒的温度均降低,切片棒的温度小于切缝棒;切缝棒的温度中部高两端低;切片棒的温度分布的比较均匀。几种结构稀土棒温度的有限元计算值和实验测试值的变化趋势基本吻合。

光纤声传感反正切解调的采样率与信号幅度关系

针对光纤光栅声传感系统反正切解调算法中采样率与声场幅度相关这一现象,计算分析了正弦声信号、高斯脉冲声信号在3种不同反正切算法下幅度与采样率的关系,用脉冲声信号进行了实验验证,并从相位展开方式的判据出发予以机理解释,以期望在应用前可根据声场、传感器灵敏度等选择恰当的采样率。数值计算和实验结果表明,这3种方式需要的采样率均与信号幅度呈线性关系,分别需要一个声周期内采样点数为信号幅度的8倍、4倍和2倍。此外,还将3种方式与微分-交叉相乘算法在软件计算时的实时性和计算精度进行了比较,在满足采样率要求时三者均较微分-交叉相乘算法的表现更佳。

声动力治疗在抗菌领域的研究进展

抗生素在临床广泛使用,多重耐药菌感染日趋严重^([1])。抗生素耐药已经成为一个急需解决的临床问题^([2])。声动力治疗(sonodynamic therapy,SDT)是近些年来提出的一种结合了低强度超声和声敏剂的新型无创治疗方式。因其具有良好的抗菌治疗效果、穿透深度深(达到10 cm以上)、成本低、副作用少、不易产生耐药性等优点^([3])被视为有前景的抗菌治疗策略之一。SDT是指在超声波的作用下,激活声敏剂分子产生一系列杀菌物质,从而达到灭菌效果的方法^([4])。

均匀弹性杆弯曲振动的机电等效电路

为简化弯曲振动系统的设计,基于Shear梁和Euler-Bernoulli梁理论与机电类比原理,推导了均匀弹性杆弯曲振动的机电等效电路及其共振频率方程.在此基础上,探讨了杆的前10阶弯曲振动共振频率与其几何尺寸之间的依赖关系,并对其弯曲振动特性进行了数值仿真计算与分析.结果表明:均匀弹性杆两端横向力与振速之间满足互易关系,其弯曲振动亦可用机电类比T型等效电路来描述;杆的弯曲振动共振频率随其振动阶次的增加而增大;相同阶次的弯曲共振频率随其长高比的增加而减小;对于考虑剪切变形影响的Shear梁,在较高的振动阶次及较小的长高比范围内,其弯曲振动共振频率的理论与仿真结果吻合较好.研究结果可为弯曲振动及其耦合振动系统的设计及应用提供一种有效的等效电路分析方法.

超声场中金属半固态浆料组织的演化

采用亚共晶ZL101铝合金,研究了不同超声波导入条件下半固态浆料组织演化过程.结果表明,导入超声波时的温度对浆料初生晶粒的形貌影响明显.从640℃开始导入超声波,初生晶粒保持以近球状形式生长;熔体降温至610℃(固相率达0.1后)再导入超声波,初生晶粒逐渐由枝晶向非枝晶转化,120S后初生晶粒粒状化;冷却至600℃(固相率近0.25后)再导入超声波,最终组织为粒状晶和枝晶混合组织.最后对超声场中半固态浆料组织演化机理进行了分析讨论.

超声成像中基于特征空间的前后向最小方差波束形成

针对最小方差(MV)波束形成在算法稳健性和超声成像对比度方面存在的缺点,提出一种将特征空间法和前后向空间平滑法融合用于最小方差波束形成的超声成像方法。首先用前后向空间平滑取代传统的前向空间平滑,得到更精确的协方差矩阵;然后计算最优加权向量,并将该向量投影到由协方差矩阵特征空间构造的信号子空间中;最后利用投影所获得的向量与阵元数据进行运算得到成像回波数据。为了验证算法的有效性,对医学成像中常用的点目标和斑目标进行了成像实验。仿真结果表明:所提出的方法不依赖于对角加载参数的选取,在保持MV算法高分辨率的同时,还有效提高图像的对比度和算法的稳健性。

万寿菊提取物中游离叶黄素的制备及纯化

以万寿菊正己烷提取物为原料,系统地考察了由万寿菊提取物制备游离叶黄素的条件,并对粗产品进行纯化。在单因素试验的基础上,用L16(45)正交试验对游离叶黄素的制备工艺进行优化,以皂化液浓度、液料比、皂化温度以及皂化时间为因素,以游离叶黄素的含量为指标进行试验,得到最佳的制备条件;并对硅胶柱层析纯化的梯度洗脱条件进行摸索;采用薄层色谱扫描法进行测定。确定最佳皂化制备条件是:皂化液为35%的KOH-甲醇,液料比20:1(ml/g),皂化温度55℃,皂化时间4h;在此条件下,可使游离叶黄素的含量由原料中的0.25%上升到45.59%,通过硅胶柱层析纯化后,游离叶黄素的含量可提高到93.55%。