基于matlab的超声波声场模拟及可视化研究

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1、基于MATLAB的超声波声场模拟及可视化研究维情况。同时各种方法在大量结合使用，从而在运算时间和使用范围上追求平衡。从模拟仿真的对象上看，目前超声波检测模拟研究主要集中在声场区域的计算、声束与缺陷的相互作用、检测系统、超声波传播路径、探头设计和可靠性等方面。目前国外超声波检测技术模拟的研究一方面集中在以解析方法为主开发工业应用的软件系统上，进行超声波检测工艺及可行性、可靠性分析，以降低检测成本，提高效率：另一方面针对现代工业广泛应用的各向异性材料和特殊结构件进行超声检测研究，以提高检测精度，拓宽超声波检测的应用范围。80年代以来，计算机技术在我国超声检测中得

2、到广泛的应用，主要集中在超声信号的采集、量化处理及超声成像系统和自动超声探伤系统的研制上。90年代以来浙江大学还开发出了无损检测工艺制定专家系统，冶金部压力容器检测站研制了无损检测专用软件NDTS。但新技术研究和开发中计算机技术的应用是我国无损检测的薄弱环节，目前我国超声波检测模拟方面的研究进行的较少，起步也较晚。在加入WTO后的今天，我国超声检测要实现跨越式发展，就必须跟上国际超声检测潮流，在引进硬件设备的基础上进行自主的软件开发和创新，加快超声波检测模拟的研究田j1．3超声波声场模拟的发展现状超声场的分布关系到缺陷的检出和定位定量的可靠性和准确性，因此在

3、超声波检测模拟的研究中，超声波声场模拟的研究显得尤为重要。目前在这方面进行的研究比较多，但是要准确地模拟换能器发射的超声波声场比较困难，即使对最简单的直探头接触和脉冲反射法，要模拟工件中的超声波声场也非易事【291。从国际研究现状来看，超声场的模拟主要集中在以下几个方面：声源发射声场的模拟，工件中声场分布的模拟，各向异性材料及高衰减不均匀材料中的声场模拟等，这些方面研究实例主要有法国Uppsala大学的FredrikLingvall开发了一个基于MATLAB的工具箱程序DREAM(DiscreteREpresentationArrayModeling)，该程

4、序利用discreterepresentation(DR)计算方法，能够模拟出多种单一几何形状的探头发射的超声波声场【29】；Calmon等【30】的Champ．SOILS模型，在已知探头形状、激励脉冲、工件形状、探头位置、工件和耦合剂的声学参数等后，能定量给出工件中的声场分布；Oh和Parkpt311采用声波传播方法计算了圆盘状换能器在高衰减的不均匀材料中发射的超声波声场，等等。在模拟过程中所采用的方法主要有：有限元法，边界元法，有限差分法和积分法等，根据所采用的方法建立不同的研究模型进行模拟研究，主要研究模型有Xue等建立的平面和曲面换能器在固体声介质中

5、发射声场的有限元法(FEM)模型，用一般的有限元分析求解弹性波传播的控制方程，给出了近大连理工大学硕士学位论文场区和远场区的声场分布规律，模拟了三个频率相同带宽不同的激励脉冲产生的声场[32．33】；Issa等【34】建立p-versionFEM模型模拟了固体中超声波的传播；OU等【35】用轴对称动弹性FEM定量地计算了各向同性和正交各向异性的高衰减材料中弹性波的位移场；Harumi等【36】采用质点模型和FEM结合的Ootsuld模型对声场进行了模拟，等等。不管采用哪种模拟方法都有其各自的优点和不足，有限差分和有限元法，需要对空间域进行离散化，复杂散射体离

6、散化比较复杂，实现困难，同时超声波散射问题一般具有无限空间域的特点，这些方法却要加入人为边界，使计算的误差增大，而边界元法能克服这些困难137J。边界元法可以成功地用于导波的散射，它是一种比区域型技术(如有限元法)更有效的方法，它既能处理有界区域，也可以处理无界区域，由于它只需将区域的边界分成边界小单元，使所考虑问题的维数比有限元法降低一维，因此，它提高了计算精度和效率，但它的不足之处是要求材料必须均匀。另一种方法积分法可以直接计算观察点的声场，但不足之处也是对材料要求较高，除一般均质介质外至多能处理均匀结构组成的多层介质，主要应用范围是无限自由空间假设下的

7、声传播问题。与差分法相比，积分法的优点是适用于自由空间中声传播和弱散射的声场逆问题【38】。以上几种方法适合于不同条件下的模拟与仿真，因此了解各种方法在适用范围、特点和计算速度、精度等方面的差别有利于针对不同条件选择合适的模拟方法，避免模拟结果与实际偏差较大或计算时间过长。相对于国外我们的研究还处于起步时期，目前我们在超声场的模拟和可视化方面研究较多的主要是针对换能器发射声场的计算模拟来展开的，声场特征的分析主要是利用二维分布图形，对声场的三维模拟及可视化的研究相对较少。对于简单换能器，利用二维图形可以描述出整个声场的分布特征，可是对于比较复杂的换能器，由于

8、其声场分布的复杂性，单纯利用二维图形很难将整个声场的