基于夫琅禾费近似的多元高斯模型相控阵辐射声场计算

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1、硕士学位论文基于夫琅禾费近似的多元高斯模型相控阵辐射声场计算CALCULATIONOFRADIATIONBEAMFIELDFROMPHASEDARRAYTRANSDUCERWITHAMULTI-GAUSSIANBEAMMODELBASEDONFRAUNHOFERAPPROXIMATION黄岩哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TG115.28+学校代码：10213国际图书分类号：624密级：公开工程硕士学位论文基于夫琅禾费近似的多元高斯模型相控阵辐射声场计算硕士研究生：黄岩导师：段忠东教授副导师：单宝华副教授申请学位：工程硕士学科：建筑与土木工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：20

2、15年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG115.28+U.D.C:624DissertationfortheMaster’sDegreeofEngineeringCALCULATIONOFRADIATIONBEAMFIELDFROMPHASEDARRAYTRANSDUCERWITHAMULTI-GAUSSIANBEAMMODELBASEDONFRAUNHOFERAPPROXIMATIONCandidate：HuangYanSupervisor：Prof.DuanZhongdongAssociateSupervisor：AssociateProf.ShanB

3、aohuaAcademicDegreeAppliedfor：Master’sdegreeofEngineeringSpeciality：ArchitecturalandCivilEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要在工业无损检测领域，超声相控阵检测技术有着大量的应用，超声相控阵声场模拟对产品研发和实际检测具有重要的指导意义。现有多元高斯模型方法在

4、计算辐射声场的离轴区域不够准确，且通常情况下瑞利积分计算效率较低。线性换能器方向相对固定，对表面不平整的构件，检测相对困难，往往耦合不好。此外，声束通过不规则界面的情况也非常常见，这种情况的声场计算基于多层介质规则界面的辐射声场，计算模拟较复杂。针对上述问题，本文做了以下几个方面的工作。针对现有的近轴近似的多元高斯方法（Paraxialmulti-Gaussianbeammodel,MG）在辐射声场的离轴区域计算不够准确，且通常情况下瑞利积分计算效率较低的问题，本文借用瑞利积分模型中的夫琅禾费近似思想，并将其和非近轴近似的多元高斯模型（Nonparaxialmulti-Gaussianbe

5、ammodel,NMG）相结合，提出基于夫琅禾费近似的多元高斯方法（Multi-GaussianbeammodelbasedonFraunhoferapproximation,FMG）。应用MG方法、NMG方法及本文方法计算线性相控阵换能器的辐射声场，结果表明，本文方法同NMG方法一样，可以克服MG方法存在的离轴区域计算不准确的问题。但本文方法的计算速度优于NMG方法，所需时间是后者的4/5，且聚焦效果好于其他两种方法。将本文方法和其他两种高斯方法应用于缺陷检测，通过改变介质材料、聚焦深度、偏转角度等，计算横通孔缺陷回波信号，模拟结果表明FMG方法和NMG方法获得的回波强度要优于MG方法。

6、本文研究了基于灵活阵元的不规则表面构件的相控阵检测方法。选择合适的灵活相控阵探头，计算延迟时间，将MG方法、NMG方法和本文提出的FMG方法应用到灵活相控阵检测中，计算偏转和聚焦情况下的声场辐射情况。模拟结果指出MG方法在计算精度上的不足，同时验证了FMG方法和NMG方法可以较好地实现灵活阵元相控阵声场计算。设计由丙烯酸树脂-水-钢构成的不规则界面，研究声束通过不规则界面的情况。选择相应的检测楔块和探头，计算时间延迟，计算声束通过不规则界面的位置和偏转角度，选择MG方法作为辐射声场计算方法。模拟结果表明MG方法可以较好模拟丙烯酸树脂-水-钢界面的声场辐射情况。关键词：多高斯模型；夫琅禾费近

7、似；线性相控阵；声场模拟；不规则界面-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractNowadays,ultrasonicphasedarrayiswidelyusedinnondestructivetesting.Simulationofbeamfieldplaysagreatroleinproductsdevelopmentandtesting.However,theRayleighintegralcostsmu