Цена доставки диссертации от 500 рублей 

Поиск:

Каталог / ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

Моделирование и оптимизация нефазированных 2-мерных ультразвуковых матричных преобразователей

Диссертация

Автор: Денисов, Алексей Александрович

Заглавие: Моделирование и оптимизация нефазированных 2-мерных ультразвуковых матричных преобразователей

Справка об оригинале: Денисов, Алексей Александрович. Моделирование и оптимизация нефазированных 2-мерных ультразвуковых матричных преобразователей Дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.00.00 Виндзор, Онтарио, 2 c. :

Физическое описание: стр.

Выходные данные: Виндзор, Онтарио, 2






Содержание:

Список таблицix
Список рисунковX
1 ВВЕДЕНИЕ
2 ГЛАВА 2 Основные физические принципы
21 Распространение упругих волн в неограниченной среде
22 Отражение и прохождение
221 Основные условия границы раздела
222 Отражение и прохождение на границе раздела двух твердых сред
223 Отражение и прохождение на границе раздела жидкости и твердого тела
224 Падение продольной волны на границу раздела между твердым телом и жидкостью
225 Падение поперечной (SV) волны на границу раздела между твердым телом и жидкостью
226 Отражение поперечной (SH) волны от границы
раздела
23 Затухание
3 ГЛАВА 3 Отражение и прохождение ультразвукового сигнала при наличии нескольких поверхностей
31 Модель измерения
311 Отражение и прохождение на границе раздела между полистереновым наконечником (демпфером) и иммерсионной средой
312 Отражение и прохождение на границе раздела между иммерсионной средой и поверхностью образца
313 Отражение от внутреннего дефекта
314 Эффективные коэффициенты отражения
4 ГЛАВА 4 Моделирование элементов матричного преобразователя
41 Модель поршневого преобразователя
42 Приближение стационарной фазы
43 Прохождение через границы раздела сред - прямые расчеты
44 Эквивалентные преобразования
45 Расчет регистрируемого сигнала
46 Сравнение разных методов
5 ГЛАВА 5 Исследование поведения модели
51 Параметры исходной системы
52 Влияние наконечника и иммерсионного слоя
53 Влияние локализации и ориентации дефекта
54 Влияние частоты преобразователя
55 Формирование визуальных изображений
Компенсация времени прохождения сигнала
По-элементная калибровка
Коррекция наклона
6 ГЛАВА 6 Заключение и дальнейшие планы

Введение:
Получение визуальных акустических изображений — одна из важнейших областей практического применения ультразвука. Для многих исследователей перспектива возможности получить визуальное изображение распределения механических свойств вещества стала движущим фактором в развитии новых и усовершенствовании имеющихся методов и способов в этой области. В настоящее время уже разработаны ультразвуковые методы для самых различных целей - от исследования строения живой клетки до локализации местоположения затонувших кораблей на морском дне; могут быть получены акустические изображения и эмбриона, и коррозии под слоем краски; исследуется целостность структуры новейших композитных материалов и топография распределения упругих свойств различных материалов с субмикронным разрешением.
Для формирования акустического изображения необходимо получить информацию о механических свойствах на различных участках образца, для чего обычно используется процесс сканирования. Основные методы сканирования — это механическое сканирование и сканирование с применением фазированных решеток с синтетической апертурой. Механическое сканирование используется, главным образом, в настольных системах — в сканирующих акустических микроскопах, в системах промышленного неразрушаю щего контроля, базирующиеся на 3-мерном механическом сканировании в емкости с водой. При этом ультразвуковой датчик перемещается вдоль одной, двух или трех координатных осей относительно исследуемого объекта, регистрируя информацию в каждой точке сканирования. Фазированные решетки управляют лучом, посылая акустические волны в различных направлениях. Для этого электрический импульс посылается на пьезоэлектрические элементы матричного датчика с различным небольшим по величине отставанием. Время запаздывания контролируется механическим или электронным устройством, таким образом обеспечивается необходимая форма волнового фронта.
Нефазированне матричные преобразователи, исследуемые в диссертации, проще, чем фазированные матричные датчики. Все аналитические и экспериментальны разработки, выполненные в настоящей работе, базируются на характеристиках двумерного матричного преобразователя, в котором каждый элемент функционирует и как передатчик, и как приемник ультразвуковых волн. Вместо того, чтобы работать в едином ансамбле с другими элементами, создавая синтетическую апертуру, каждый элемент матричного датчика работает независимо. Основные принципы, согласно которым функционирует матричный датчик, являются общими для ультразвуковых устройств такого класса, регистрирующими отражение импульса [1-6]. Устройство датчика сходно с таковым фазированных матричных преобразователей [7-14] и описано в [15,16]. Однако имеются и принципиальные различия. В частности, соотношение размеров элемента с длиной волны - выше, мощность питания для каждого отдельного элемента - больше.
Разрешение нефазированных матричных преобразователей ограничено размером элементов. В каждом случае необходимо достигнуть определенного компромисса между чувствительностью матричного преобразователя и его разрешением. Матричные пьезопреобразователи с более высокой плотностью обеспечивают более высокое разрешение, однако технология производства и дифракционные процессы накладывают определенные ограничения на уменьшение размера отдельного элемента. С точки зрения технологии производства подведение достаточной мощности тем сложнее, чем меньше размеры элемента, кроме того, при высокой плотности элементов сложнее обеспечить однородность их свойств. Уменьшение размеров отдельного элемента ведет к расширению ультразвукового луча, что вызывает размывание границ структур на акустических изображениях и большие потери энергии. Еще один важный аспект касается угловой стабильности системы, то есть в какой степени на чувствительность системы влияет ориентация датчика относительно поверхности исследуемого объекта.
На современном этапе сравнивать характеристики нефазированных матричных датчиков с фазированными аналогами или системами с механическим сканированием преждевременно, так как они находятся пока лишь на начальном этапе разработки. Отношение сигнал/шум пока недостаточно для получения контрастных изображений, пространственное разрешение - сравнительно низкое и, наконец, себестоимость их производства слишком высокая. С другой стороны, достаточно много областей, в которых системы с механическим сканированием или фазированными матричными датчиками использовать невозможно, а применение именно нефазированных датчиков могло бы стать весьма эффективным. Так, например, системы с механическим сканированием сложны, тяжелы, и лишь единичные модели выполнены в портативном варианте. На современном этапе развития технологии они не могут достигнуть того уровня миниатюризации и надежности, который достигнут в разработке фазированных и нефазированных матричных датчиков. Фазированные матричные преобразователи, как исторически сложилось, первоначально разрабатывали для медицинского применения, т.е. для биологических тканей, и поэтому имеется ряд физических ограничений в применении их для эффективной характеризации металлов, I iliSilStSfeiS^
•V^ V ' -С* . Л , С ч. -. Г . < О. N - „н V плотных полимеров и композитов. Кроме того, в реальности, двумерные датчики находятся пока лишь на стадии разработки. Таким образом, несмотря на отдельные проблемы, нефазированные матричные датчики в перспективе обладают достаточно сильным потенциалом в плане разработки уникального инструмента для быстрого получения ультразвуковых изображений в промышленности и в ряде областей, где ограничено применение других методов. По мере появления новых достижений в области разработки новых пьезоматериалов, звукопроводов, электроники и других смежных областях технологии, разработка портативного прибора становится реальной альтернативой настольным акустическим сканерам.
Диссертационная работа выполнена в рамках большого научного проекта, осуществлявшегося в Центре Исследований по визуализации и характеризации современных материалов в Университете г.Виндзора, Онтарио, Канада. Основной целью проекта являлась разработка нефазированной двумерной матричной системы. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
• Развитие технологий для производства нефазированных двумерных пьезодатчиков;
• Разработка электронных блоков - генератора импульсов, многоканального мультиплексора, аналого-цифрового преобразователя и контроллера;
• Разработка контролирующего программного обеспечения для совместной обработка сигнала и изображений;
• Разработка компьютерных алгоритмов для автоматического распознавания и измерения дефектов или структур;
Чем более понятной станет физика процессов, связанных с функционированием матричного преобразователя, тем более эффективным будет решение перечисленных задач. Ниже перечислены некоторые преимущества исследования математической модели пьезопреобразователя:
1 V, \ \ ill tssfs щщ „ >Ч ы -к X v 4 1
• Возможность выбора характеристик пьезопреобразователя, таких как размер, частота, иммерсионная среда, линия задержки и др., разработка оптимальных конфигураций для конкретных задач;
• Разработка новых методов обработки сигнала и изображения;
• Настройка и тестирование новых методов и компьютерных логических алгоритмов.
Глава 2 начата с обзора основных принципов распространения волны в однородной среде, особенностей её отражения и прохождения на границе между двумя средами в зависимости от их характеристик. К сожалению, в различных публикациях решения для коэффициентов отражения и прохождения часто содержат ошибки, поэтому много внимания уделено аккуратному выводу соответствующих уравнений и формул.
Полученные формулы и уравнения использовали в Главе 3 для численного исследования особенностей отражения и прохождения. Кроме того, более сложные случаи рассмотрены для многослойнтых сред, включающих несколько границ раздела. В этой же главе начато формулирование математической модели для одного отдельного элемента пьезопреобразователя. В Главе 4 рассматривается структура ультразвукового пучка, излучаемого отдельным элементом пьезопреобразователя. Проведен анализ структуры ультразвукового пучка в приближении стационарной фазы. Для многослойных систем, используя высокочастотную аппроксимацию [1], мы разрабатываем новый метод эквивалентных преобразований. В параксиальном приближении этот метод имеет некоторые ограничения, однако его производительность намного выше. В стационарной фазе аппроксимации с помощью метода эквивалентных преобразований можно описать структуру ультразвукового луча аналитически. Кроме того, представлен метод расчета сигнала, полученного с помощью преобразователя, работающего в режиме на отражение.
Преимущество этого метода заключается в том, что он не требует расчета структуры ультразвукового поля отраженной волны. Для оценки ответа преобразователя достаточно знать фронт распространения излученной волны, локализацию, ориентацию дефекта и свойства матриалов. Методы , и приближения, описанные в данной главе, сравниваются мжду собой, обсуждается значение выявленных различий. Далее демонстрируется, что результаты, полученные с помощью разработанной нами математической модели находятся в хорошем соответствии с результатами, полученными в эксперименте.
В Главе 5 исследовано поведение разработанной модели в различных конфигурациях. Поставлено несколько виртуальных экспериментов, иллюстрирующих, каким образом реагирует модель на изменение размеров и частоты ультразвуковых элементов датчика, свойств иммерсионной среды, расположения и ориентации дефекта и пр. В заключении обсуждается процесс формирования визуальных акустических изображений и демонстрируется несколько методов улучшения качества и стабильности этих изображений.
Глава 2
Основные физические принципы
В данной главе представлен обзор основных физических аспектов распространения упругой волны. Рассмотриваются вопросы отражения, преломления и рассеяния ультразвука. Изложение начато с вывода базовых формул, описывающих физические эффекты, создаваемые при приложении внешних сил к неограниченной упругой среде. Эти уравнения залагают основу для исследования распространения упругой волны в неограниченной среде. Далее рассматривается прохождение упругой волны через границу двух сред, анализируются выражения для коэффициентов преломления и отражения. При исследовании границ раздела различного типа между жидкими и твердыми веществами анализ этих коэффициентов становится важным инструментом при изучении распространения ультразвуковых пучков в многослойных структурах. В завершении рассматриваются различные механизмы и эффекты поглощения.