FDTD方法的改进及在超声波声场计算中的应用

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1、2013年1月第39卷第1期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJanuary2013V01．39No．1FDTD方法的改进及在超声波声场计算中的应用徐娜李洋周正干于光(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191)(上海飞机制造有限公司航空制造技术研究所，上海200436)摘要：时域有限差分法(FDTD，FiniteDifferenceTimeDomain)是建立超声检测模型的有效手段，然而在相邻两种介质的分界面上，两种介质声阻抗的突变会引起差分计算的不稳定．为了解决上述问题，从常规

2、FDTD方法入手，提出将界面两边介质的声学参数在界面处进行平均处理的方法，对FDTD方法进行了改进；然后分别采用常规FDTD方法和改进方法对相邻两种介质声阻抗相差5个数量级的模型进行了声场计算；最后对超声换能器进行了有限差分声场计算和实际检测实验对比．研究结果表明：改进的FDTD方法是超声波声场计算中一种有效可行的数值方法．关键词：时域有限差分法；超声波；声场中图分类号：TB553文献标识码：A文章编号：1001．5965(2013)01-0078-05Improvementoffinitedifferencetimedomainmethodanditsapplicationtocal

3、culationofultrasonicsoundfieldsXuNaLiYangZhouZhenggan(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation，BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing100191，China)YuGuang(AeronauticalManufacturingTechnologyResearchInstitute，ShanghaiAireraftManufacturingCo，，Ltd，Shanghai200436，China)Abstract：Finit

4、edifferencetimedomain(FDTD)methodisaneffectivewaytoestablishultrasonictes-ringmodel．However，abigdifferencebetweenacousticimpedancesoftwoadjacentmaterialsmaycauseinsta—bilityofthedifferencecomputationintheinterfaceoftwomaterials．Tosolvethisproblem，basedonthecon·ventionalFDTDalgorithm，animprovedFD

5、TDmethodwasintroducedbytakingtheaverageoftheultrasonicparametersoftwomaterialsonbothsidesoftheinterface．Themodelwasbuiltforthesoundfieldcalculationofthemediaconsistedbytwoadjacentmaterials，oneofwhichtheacousticalimpedanceisfiveorderslargerthantheother，andtheconventionalandimprovedFDTDmethodwereu

6、sedrespectively．Numericalcalcula-tionandpracticalexperimentsforanultrasonicprobewereaccomplished．TheresultsshowthattheimprovedFDTDmethodiSafeasibleandeffectivemethodforultrasonicsoundfiledcalculation．Keywords：finitedifferencetimedomainmethod；ultrasound；soundfields超声检测具有检测范围广、检测深度大、使用方便、速度快等特点，是国

7、内外应用最广泛的无损检测技术之一．然而，由于声学的实际应用问题很少能有严密的理论解，因此，从超声传播理论人手，研究声波在介质中的传播及与缺陷的相互作用规律，建立超声检测系统模型，是超声检测的重要发展方向之一⋯．时域有限差分法(FDTD，Finite—DifferenceTimeDomain)最初是一种电磁场数值计算的方法，目前被广泛用于模拟弹性波在复杂介质中的收稿日期：2011—10-13；网络出版时间：2012-11-2911：04网络出版地