宽频带声表面波聚焦与检测研究

本项目提出采用相位控制的办法，对分层半空间中频散的声表面波进行聚焦研究。首先研究分层半空间中声表面波的激发和频散特性，通过数值模拟研究和分析声表面波的传播规律及缺陷对其传播的影响；进而针对不同情况，理论上设计和研究换能器各阵元的宽频带激励信号驱动压电换能器，使换能器每一阵元激发的各种频率的声表面波同时到达目标实现聚焦，通过改变和控制各阵元的频率范围和时延，实现声表面波在深度方向和其它方向上的扫描；采用线性调频技术，研制出16通道发射采集电子系统，每一通道能发射频率范围可调的宽频带脉冲信号，分析该系统的可靠性和适用条件；研制出相应的宽频带换能器阵列并进行测试分析；利用电子发射采集系统和换能器阵列，在实验上实现宽频带声表面波的聚焦，使聚焦声表面波对分层介质各部位实现扫描和检测；研究相关的信号处理方法以进一步提高信号信噪比和图像分辨率。该项目研究将为多层复合材料中无损检测提供一种新的方法和手段。

本项目提出采用相位控制办法，对多层半无界空间宽带声表面波进行聚焦与检测研究，设计合适的宽频带信号对压电换能器进行激励以实现频散声表面波的聚焦、扫描和检测，并通过相控聚焦提高信噪比和检测精度。经过三年系统深入的研究，具体的研究成果如下:. 1 在理论上提出了声表面波相位控制法的聚焦概念。对于单一模式，通过给不同频率下不同速度的声表面波施加不同的激励延时，使该模式中不同频率不同速度的声表面波能够同时到达目标实现聚焦。在此基础上，将单一模式的相位控制法拓展到多模式聚焦，通过对多种介质模型进行了大量的数值模拟研究，总结了相位控制法和时间反转法在声表面波聚焦上优缺点。结果表明声表面波能在时空上实现聚焦，聚焦增益可达5dB以上。. 2 设计了声表面波聚焦的超声实验系统，在实验上实现声表面波聚焦的可行性和适用性。实验采用了速度递增的两层半空间和包含低速夹层的三层半空间两种模型，并在不同接收距离下进行了不同主频、不同种类聚焦脉冲激励等条件下开展了大量的实验研究，并对聚焦波形进行对比分析。实验表明相位控制法具有广泛的适用性和灵活性，在低频情况下，仅考虑基阶模式时的相位控制法更为适用；而在高频区域，考虑所有模式时的相位控制法聚焦效果更好；时间反转法也能取得较好的聚焦效果，但多数情况下的聚焦波形在时间上要比相位控制法拉得长。实验结果证明了声表面波相位控制法具备良好的应用性，其聚焦增益高、适用范围广、效果稳定，并且可以克服换能器晶片频响的影响。. 3 将相位控制法聚焦进一步扩展到阵列发射过程，设计了一个16通道的线性超声阵列，提出了超声导波相控阵的概念。对于给定的目标和频率范围，每一阵元均可发出由相位控制法得到的聚焦脉冲信号，并将接收到的聚焦波形与采用常规超声相控阵方法得到的结果进行对比分析。考察和分析了接收点位于不同位置时聚焦波形的特点以及线性超声阵列的聚焦增益等特性，验证了超声相控阵技术应用于频散导波的可行性。. 综上，通过三年时间的研究，已经很好地实现了本项目的预期计划要求。数值模拟和实验研究结果表明，几种声表面波聚集方法波均有不同程度的幅度增益和效果，充分说明了对声表面波进行聚焦的可行性，为声表面波聚焦的实际应用奠定了坚实的基础。