波导结构中超声聚焦与成像研究

This project presents studying new theory and new method about ultrasonic focusing and imaging in planar stratified waveguide structures. In theory, it will study single mode excitation and control, and guided wave focusing on the base of analyzing the excitation and propagation characteristics of the guided waves. It will improve and develop the ultrasonic focusing and imaging theory. In method, it will investigate the method of multi-wave focusing and imaging, guided wave focusing and imaging, New methods of ultrasonic focusing and imaging will be obtained. In transducer, a variety of transducers and transducer arrays about body wave and guided wave will be designed and optimized. The theoretical and experimental investigation about surface and sub-surface detection will be conducted by new theory and new methods. The breakthrough in improving the signal to noise ratio, image resolution and detection sensitivity will be obtained. Through the project, several effective ultrasonic focusing and imaging theories and methods could be achieved which will contribute to the development of quantitative ultrasound testing.

本项目针对平面分层的波导结构，开展超声聚焦与成像的新理论与新方法研究。在基础理论研究上，通过分析波导结构中声波的激发与传播特性，开展导波单模式激发与控制、导波聚焦等方面的研究，完善和发展超声聚焦与成像的理论体系；在聚焦与成像方法研究上，基于理论研究，开展多波聚焦与成像、导波相控阵聚焦与成像等方法研究，并取得创新性研究成果，得到超声聚焦与成像检测的新方法与手段；在换能器方面，针对板状结构，设计与优化出多种结构的体波和导波换能器阵列；针对表面与亚表面的检测问题，采用新理论与新方法，开展深入系统的理论和实验研究，在提高信号信噪比、图像分辨率和检测灵敏度等方面取得突破性进展。通过本项目研究，得到有效的超声聚焦与成像的新理论与新方法，为定量超声检测的发展做出贡献。

分层结构是工业无损检测中广泛存在的自然波导结构，由于导波是频散的、多模态的，故导波的聚焦与成像是一个富有挑战性的课题。.本项目针对平面分层波导结构中声波的传播特性、聚焦与成像等方面进行了理论和实验研究。首先，使用传递矩阵法和留数定理推导了平面分层固体板中导波的频散方程和法向力源作用下的导波的法(切)向位移表达式。发现频散曲线中存在非频散区域，本文中称之为“平台”现象，对于“平台”与分层板结构的关系也做了充分研究。结果表明：在导波的频散特性方面，对于速度递增和速度递减的分层板中，导波的相速度频散曲线存在跟介质参数相关的两类高频极限；当分层板中存在低速夹层时，导波的频散曲线也存在两类高频极限。在导波的激发特性方面，对于速度递增分层板，导波的基阶模式在大部分频段都是主导模式。而对于速度递减和含低速夹层的分层板，在不同频段内主导模式表现为不同高阶模式，但基本符合频散曲线“平台”处的导波模式对应频段的主导模式这一规律。.在此基础上，基于超声相控阵技术和时间反转法进行了分层板导波时间反转聚焦研究，根据第一部分求得的位移解析解数值计算时间反转法的聚焦脉冲，并与延时聚焦法聚焦效果进行对比。结果证明：时间反转法形成的聚焦声束具有幅度高、脉冲窄和受聚焦距离影响小的优势，聚焦效果好于传统的相控阵延时聚焦法。然后，基于拓扑梯度理论，提出了更快速的拓扑梯度表达式，利用有限元模拟和实验分析验证了拓扑成像法对于分层波导结构成像的可行性。结果表明：拓扑成像法可以实现波导结构内部单缺陷和多缺陷的定位，且成像分辨率和定位精度等要好于时间反转法；拓扑成像法可以补偿导波的频散效应，利用宽频带激励信号可以进一步提高成像分辨率。.本项目的研究进展和主要成果对深入认识平面分层介质中导波的传播特性及导波的聚焦与成像方法有很重要的学术价值，对用导波进行表面及亚表面分层介质的检测也有非常重要的参考价值。