基于KZK方程的在线超声磨粒传感器的设计

针对超声磨粒传感器的设计问题,利用时域KZK方程对超声传感器的声场进行数值模拟,分析传感器的关键参数如晶片半径、焦距和中心频率等对声场的影响。仿真结果表明:传感器的焦距越大,聚焦声场的声压越小、焦斑增大;随着传感器晶片半径的增大,焦斑区域先减小后变大,焦点声压先增加后降低;传感器中心频率越高,焦斑越小,声压先增后降。对比分析发现,KZK方程计算结果与传统经验公式的计算结果有较大差别,在磨粒传感器设计时应予以考虑。

非线性超声束的冲击波形成研究

通过用频域方法数值求解KZK方程;以活塞声场为例,研究了非线性超声束的冲击波形成规律。结果表明:除了非线性强度、吸收外,衍射是另一个影响非线性超声束冲击波形成的重要因素。文章发现在不同的衍射条件下的活塞声场的冲击波形成距离有很大差异。最后,还比较了不同参数下冲击波形成时的声压波形和冲击波形成的空间分布。

在线油液磨粒检测聚焦超声换能器声场特性分析

在线超声磨粒检测结果与超声换能器声场特性密切相关,在线油液超声磨粒传感器也是基于换能器声场特性设计的,运用数值模拟方法可以有效地分析超声波声场的特性。首先从理论方面分析了在线超声磨粒检测方法;然后利用时域有限差分法求解KZK方程对超声换能器声场进行仿真;最后搭建润滑油超声波声场分布测量实验系统实际测量超声波声场特性。仿真与实验结果表明:利用时域有限差分法求解KZK方程能够很好的模拟聚焦超声换能器在润滑油中的声场分布情况,聚焦超声换能器的焦斑区域呈椭圆形,长轴约为4 mm,短轴约为0.4 mm,仿真结果与实验结果具有较好的一致性。研究结果为下一步的超声磨粒传感器设计奠定了基础。

超声磨粒传感器非线性声场的数值模拟与实验研究

针对超声磨粒传感器声场的非线性特性对磨粒散射与识别模型的影响问题,利用KZK方程对超声磨粒传感器的非线性声场进行建模。采用时域有限差分法对KZK方程进行数值求解,对聚焦声场的时、频域特性进行分析,发现焦点位置会发生一定偏移;焦斑的轴向长度较大而径向长度很小;焦点附近区域的声压波形及其中心频率均不相同;由于衍射与吸收作用,声场中心频率低于激励中心频率。实验结果验证了仿真结论的正确性。

Gauss型超声场谐波特性的理论研究

通过频域有限差分方法求解KZK方程,对Gauss型超声换能器的基波和高次谐波声场进行计算,研究了各次谐波的分布规律,发现高次谐波声场在径向同样服从Gauss函数的分布规律,并且对于任意的n,第n次谐波的波束宽度和n^(1/2)成反比,这表明谐波阶次越高,声场特性越好。后半部分对上述结论给出了理论证明。本研究验证了相关的实验结果,从而实现了对非线性Gauss型超声场在实验、数值计算、理论证明三个方面的完整描述。

关于参量阵声源阵长的讨论

针对目前常用的有效阵长来估算参量阵阵长所得的结果与实际测量得到结果有较大误差的情况,提出了通过KZK(Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov)方程的数值计算来得到差频声场的声源级,再由声源级来判断参量阵的形成情况,从而计算得到阵长。针对扩散限制阵的情况进行了仿真,并对计算得到的阵长通过水池实验测量结果验证了数值计算方法的正确性。分析了有效阵长计算结果与实验测量结果间误差太大,但是KZK方程数值计算的结果与测量结果一致的原因。最后对同一换能器在不同发射电压下的参量阵阵长的变化做了对比分析。

Bessel波二次谐波声场的仿真研究

为了研究有限衍射Bessel波的二次谐波特性,通过频域有限差分方法求解Bessel边界条件下的KZK方程,对吸收媒质中零阶Bessel波的基波和二次谐波分量进行计算和仿真,研究了二次谐波沿传播方向的分布规律.结果表明二次谐波声场同样具有有限衍射特性,且相对于基波分量而言,二次谐波在远场具有更窄的主瓣,而在近场则具有更大的主、副瓣比值,对比发现研究结果与实验结果吻合.研究验证了由KZK方程拟线性形式解析解得出的关于二次谐波是非衍射波的论断,并且指出了解析解的适应范围.利用二次谐波的远场特性进行超声成像可以获得更高的图像分辨率,而利用其近场特性进行成像则可以更有效地抑制副瓣产生的伪像.

吸收媒质中非线性Gauss聚焦超声场的仿真研究

通过频域有限差分法求解KZK方程,对吸收媒质中Gauss聚焦超声换能器的基波和高次谐波声场进行计算和仿真,研究了各次谐波沿传播方向的分布规律,发现高次谐波声场同样具有Gauss聚焦特性,并且谐波阶次越高,聚焦特性越好.此后讨论了不同的吸收系数对Gauss声场聚焦特性的影响,结果显示吸收系数的改变不会影响Gauss声场的径向分布形状,但吸收系数的增加导致聚焦区域声场强度的减弱,甚至聚焦无法实现.

Gauss聚焦脉冲波非线性声场特性

研究了一种窄带脉冲激励下Gauss聚焦波的非线性声场特性.采用解析方法求解KZK方程,理论研究了基波和二次谐波的空间分布规律.结果表明,基波和二次谐波声场沿径向均近似服从Gauss函数规律,且二次谐波波束更窄,但仅在准单色波条件下波束宽度与2成近似反比关系,时域方法的数值计算结果验证了理论结论.

有限衍射X波非线性声场特性研究

X波用于超声成像可以获得很高的帧率,但在线性成像模式下图像空间分辨率相对于传统的聚焦成像有所下降.本文通过时域数值方法求解KZK(Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov)方程,研究有限衍射X波的非线性声场特性.结果表明:无论宽带或限带X波,其非线性声场同样是有限衍射波,并且二次谐波具有比基波更窄的主瓣和更小的副瓣.采用X波的二次谐波进行成像能够在整个成像区域获得更高的分辨率.理论分析验证了数值计算结果.

超声声场中气泡的锥状聚集现象

从非线性KZK(khokhlov-zabolotskaya-kuznetsov)方程出发,利用分离变量法,得到了换能器的声场分布表达式和声场分布图.结果表明,当轴向距离大于瑞利距离时,声压随距离增加逐渐减小到某一极限值,近似为平面波.声场中气泡锥状聚集主要发生区域是声压较大且呈现梯度的区域,气泡脉动影响声场分布,气泡间的Bjerknes力作用对气泡在高声压区的分布有调节作用,从而可引起声场出现锥状气泡结构现象.

参量阵声源波束宽度影响因素分析

波束宽度是衡量参量阵声呐性能的重要技术指标之一,在设计时应该对其正确掌握,以保证整机性能.文章以圆形活塞换能器形成的参量阵声场为例,利用维斯特维尔特(Westervelt)理论和Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)方程分别计算了参量阵声场波束宽度,通过试验验证了KZK数值计算用于分析波束宽度的准确性及对远近场的适应性,并指出利用Westervelt理论计算参量阵声源波束宽度的不足。然后通过仿真,分别分析了频率、吸收系数、阵长与参量阵波束宽度间的关系,并从物理意义上解释了阵长对参量阵声场波束宽度的影响。

衍射现象对活塞式声源超声场分布的影响

超声波由于其良好的指向性,可被广泛应用于海洋探测与开发、无损检测与评估、医学诊断等应用领域。基于KZK方程,利用频域有限差分方法对衍射现象进行分析,计算了活塞式声源的基波和高次谐波声场,发现高次谐波和基波具有类似的声场分布特性,并且谐波阶次越高,径向扩散越少,声场特性越好。研究获得了超声波在空气中传播的声场特性,分析了基波及各次谐波的指向性优劣以及传播范围的大小。在研究的过程中,利用MATLAB等数学工具,对研究结果进行了数值计算和模拟。以上结果为研究超声波的声场特性提供了一定的参考,对研究超声波声场的指向性有着实际性的意义。

吸收媒质中非线性X波的计算仿真

通过数值方法求解KZK方程,对吸收媒质中X波的非线性声场进行计算和仿真。结果表明:在非线性、衍射和吸收三种效应的综合作用下,X波的非线性声场同样具有类似于线性声场的显著的有限衍射特性,可以在整个成像区域获得一致的高分辨率,从而同时实现较高帧率和较高分辨率的超声成像。

一种脉冲贝塞尔波的构造及其非线性声场的仿真

为了获得物理可实现的脉冲非衍射波,构造了一种脉冲贝塞尔超声波,并对其非线性声场传播特性进行了仿真研究.通过分析声压幅度、声场分布等参数得知,所构造的脉冲贝塞尔波在非线性介质中具有良好的非衍射特性,并且在一定的传播深度内保持良好的非衍射特性,这对研究超声医学检测具有重要的意义.

不同波束形成的参量阵近场比较

文章采用KZK方程数值求解均匀平面阵、聚焦阵及非衍射阵形成的参量阵波束近场声场 ,比较了不同波束声轴上的原、差频声压级及声截面。

吸收媒质中非线性超声场的一种并行计算仿真方法

为了解决非线性超声场数值计算中计算时间长、存储空间大的问题,提出一种并行计算模型,将声场分解成若干子区域,利用数个PC机、计算机网络和MPI并行编程分别计算子区域声场并最终求出整个声场。对吸收媒质中非线性Bessel声场的计算仿真结果表明:采用并行计算模型可以显著提高频域有限差分法计算效率并降低对单个PC机存储空间的要求。

基于空域分解的非线性有限声束快速计算

研究非线性有限声束的一种快速数值计算算法.理论研究表明非线性有限声束存在多种耦合:谐波之间的全耦合,各场点沿轴向的递推耦合以及沿径向的局部耦合,因此可以通过声场的径向空间区域分割提高计算效率,采用多线程实现并行计算.对非线性高斯聚焦波的计算结果表明,当声场计算规模与分割线程数合理匹配时,算法能够显著提高计算速度同时保证计算精度,计算结果与理论分析相符.

聚焦参量阵原频声场抑制方法的研究

在近距离海底底质原位探测中,使用多阵元聚焦技术能弥补参量阵中差频信号能量较低的不足,但也会使得声焦点处的原频信号能量过高,导致接收系统信号波形限幅,引起波形失真,此外在声场测量时也容易造成传感器损坏。基于KZK(Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov)方程和Berktay包络自解调理论,以声焦点位于阵元差频声场远场、各阵元产生非线性效应的过程相对独立的双阵元聚焦参量阵为例,提出了一种在不破坏差频声场特性的前提下,改变发射信号形式以抑制原频声场的方法。结果表明:与发射相同载波相位的幅度调制信号相比,当两个阵元发射信号的载波相位相反时,声轴上的原频信号能量得到了明显抑制,实测声焦点处的原频声压级下降了13.2 dB,而差频声场未发生明显变化,从而验证了抑制方法的可行性。

不同媒介中的参量阵近场声场研究

在众多描述非线性声波传播的理论模型中,KZK方程能够准确地描述有限振幅声波传播的衍射、吸收及非线性效应,对求解参量阵近场声场有着明显的优势,因而成为描述非线性声场最为精确的方程之一。从KZK方程的频域求解出发,利用二阶对角隐式龙哥库塔法(second-order Diagonal Implicit Runge-Kutta,DIRK2)和Crank-Nicolson有限差分法(Crank-Nicolson Finite Difference,CNFD)相结合的有限差分算法,对在不同媒介中传播的参量阵近场声场特性进行研究,旨在对参量阵能量累积过程有进一步的理解,为参量阵转换效率的提高提供初步的探索,为参量阵的进一步工程应用提供相应的理论指导。