合成孔径聚焦超声成像的有限元数值仿真.pdf

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1、物理与工程Vo1．23No．52013合成孔径聚焦超声成像的有限元数值仿真顾建祖李冰王自平(江苏大学土木工程与力学学院，江苏镇江212013)摘要基于有限元数值方法，通过COMSOLMultiphysics软件，从二维角度建立超声相控阵合成孔径聚焦技术(sAFT)仿真成像几何模型，计算得到16阵元OPCM正交异性超声相控阵探头在不同时刻的声场分布图、缺陷回波信号图和缺陷成像，并与超声相控阵仪的实验成像结果作对比，验证了仿真模型的正确性．关键词超声相控阵；有限元数值方法；仿真成像；SAFTSYNTHETICAP

2、ERTUREFoCUSINGULTRASoUNDIMAGINGBASEDoNTHEFINITEELEMENTNUMERICALSIMULATIoN‘GuJianzuLiBingWangZiping(CollegeofCivilEngineeringandMechanics，JiangsuUniversity，Jiangsu212013)AbstractBasedonthefiniteelementnumeriea1method，Weestablishedthetwodimensiona1ultrasonicp

3、hasedarraysyntheticaperturefocusingtechnique(SAFT)simulationimagingmode1bytheCOMS0LMultiphysicssoftware．Weobtainedthesoundfielddistribution，flawechosignaldiagramanddefectimagingoftheorthotropicultrasonicphasedarrayprobewith16elementsatdifferenttimes．Thesimu

4、lationresultswerecomparedwiththeexperiments，whichverifiedtheaccuracyofthesimulationmode1．Keywordsultrasonicphasedarray；finiteelementnumericalmethod；simulationimaging；SAFT超声无损检测是五大常规无损检测技术之而相消干涉则降低噪声．一，这项技术可以通过层析成像算法来很好地改本文对sAFT成像算法进行研究，基于有限善它的性能，例如使用sAFT评估高

5、频超声信号．元数值仿真方法，建立16阵元OPCM正交异性SAFT起初发展并应用于机载雷达映射系统，用相控阵探头SAFT成像模型，计算得到不同时刻来改善系统横向分辨率，但SAFT原理也应用于相控阵探头发射声场分布图、缺陷回波信号图和超声波技术中L1]．Fredrick等人心]已证明它在超缺陷成像．通过超声相控阵检测实验验证了模型声检测中的适用性，并就缺陷的尺寸评估、定向和的正确性，并与仿真成像作对比，结果表明SAFT定位做了一系列研究[3]，为各向同性材料的缺陷可以用较低频率的信号有效地检测结构中的缺陷．检测提

6、供了理论和实验依据．在脉冲回波实验中，应用SAFT并结合探头收稿日期：2013—03—20坐标、波速和传播时间来处理A扫信号，评估缺基金项目：国家高技术研究发展计划(863)2009AA03Z107陷．为了重建结构的缺陷，常把物体看做许多个图作者简介：顾建祖，男，副教授，主要研究领域为无损检测，gjz@ujs．edu．cn；李冰，男，硕士研究生，主要研究方向为超声相控阵成像像素，在这些像素点上将探头接收到的对应的像，poloniummm@163．com；王自平，男，博士研究生，wzpxx2004信号叠加起来，

7、相长干涉就能够得到缺陷的图像，@126．corn物理与工程Vo1．23No．52013据各成像点的空间位置，对各阵元接收的信号引I合成孔径聚焦成像原理入适当的延时，以得到被成像物体的声像．合成孔径聚焦如图1所示，每次发射和接收只有一个阵合成孔径成像。是将超声换能器阵列分成若元有效，对于场点(r，)，其合成波束表示为干个发射或接收单元，在发射信号期间，各发射单s。s岍(r，)一∑stm等一2r)㈩(1)元依次作为点元发射，在接收信号期间，各接收单元依次接收来自物体各点的信号并存储，然后根图1合成孔径聚焦收发模式

8、式(1)是对发射与接收的双程表达，因为发射x．sin0r：——(4)C与接收共用一个传感器阵元，发射与接收的延时应该相同，所以均以表示．式中r／c表示声波传其中，z表示第个阵元的位置，z一(扎一)d，播延迟时间，C表示超声波在介质中的波速，这儿(O≤≤N一1)．取纵波波速计算．当阵元发射单一频率信号ej将式(4)代入式(2)，得接收到合成波束表达式时，由式(1)可得N-ISsAFT(r，)一e-i~