留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

激光层析法空耦超声换能器轴向声场测量研究

张小丽 何程昊 冯秀娟 张慧 牛锋 何龙标

张小丽,何程昊,冯秀娟,等. 激光层析法空耦超声换能器轴向声场测量研究[J]. 计量科学与技术,2023, 67(11): 53-61 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0302
引用本文: 张小丽,何程昊,冯秀娟,等. 激光层析法空耦超声换能器轴向声场测量研究[J]. 计量科学与技术,2023, 67(11): 53-61 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0302
ZHANG Xiaoli, HE Chenghao, FENG Xiujuan, ZHANG Hui, NIU Feng, HE Longbiao. Assessment of Axial Sound Field in Air-Coupled Ultrasonic Transducers via Laser Tomography[J]. Metrology Science and Technology, 2023, 67(11): 53-61. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0302
Citation: ZHANG Xiaoli, HE Chenghao, FENG Xiujuan, ZHANG Hui, NIU Feng, HE Longbiao. Assessment of Axial Sound Field in Air-Coupled Ultrasonic Transducers via Laser Tomography[J]. Metrology Science and Technology, 2023, 67(11): 53-61. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0302

激光层析法空耦超声换能器轴向声场测量研究

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0302
基金项目: 国家重点研发计划(2022YFF0604803);中央公益类科研机构的基础研究经费(AKYZZ2210)。
详细信息
    作者简介:

    张小丽(1989-),中国计量科学研究院助理研究员,研究方向:空耦超声换能器及其校准技术研究,邮箱:zhangxl@nim.ac.cn

    通讯作者:

    何龙标(1981-),中国计量科学研究院研究员,研究方向:声学计量测试相关研究,邮箱:helb@nim.ac.cn

  • 中图分类号: TB95

Assessment of Axial Sound Field in Air-Coupled Ultrasonic Transducers via Laser Tomography

  • 摘要: 空气耦合(简称“空耦”)超声换能器具有非接触、非侵入、完全无损等特点,在航空航天复合材料以及其他孔隙类材料的无损检测领域具有广阔的应用前景。开展空耦超声换能器的轴向声场重建研究,其所包含的近场长度、指向性等轴向声场特性参数,决定着换能器在无损检测中的分辨率、抗干扰及定位精度等性能。激光层析法在声场重建中具有高空间分辨力、宽频带范围和声场非侵入等优点,然而该方法目前主要被用于径向声场表征,轴向声场表征的理论和实验研究较少且不完善。从理论、仿真和实验的角度对空耦超声换能器的轴向声场分布展开研究,实验与仿真结果取得较好的一致性。同时与传声器的轴向声场测量结果进行比较,验证了激光层析法进行空耦换能器轴向声场重建的可靠性。研究结果对于空耦换能器轴向声场的测量、空耦超声换能器的设计和校准具有重要价值。
  • 图  1  圆形换能器辐射声场计算示意图

    Figure  1.  Schematic diagram for calculating the radiation sound field of circular transducers

    图  2  轴向平面声场计算示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of axial plane sound field calculation

    图  3  空耦圆形超声换能器轴线声压仿真结果

    Figure  3.  Simulation results of axial sound pressure of air-coupled circular ultrasonic transducers

    图  4  空耦圆形超声换能器轴向平面声压仿真结果

    Figure  4.  Simulation results of axial plane sound pressure for air-coupled circular ultrasonic transducers

    图  5  单束激光法测量轴线声压示意图

    Figure  5.  Schematic diagram of measuring axial sound pressure using a single beam laser method

    图  6  激光法轴向平面声压计算示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of axial plane sound pressure calculation using laser method

    图  7  轴向声场自动扫描装置的控制框架和实物图

    Figure  7.  Control framework and photo of automatic scanning device for axial sound field

    图  8  空耦圆形超声换能器轴线声压实验结果

    Figure  8.  Experimental results of axial sound pressure of air-coupled circular ultrasonic transducers

    图  9  空耦圆形超声换能器轴向平面声压实验结果

    Figure  9.  Experimental results of axial plane sound pressure for air-coupled circular ultrasonic transducers

    图  10  激光法和传声器法的声场测量结果对比

    Figure  10.  Comparison of sound field measurement results between laser-based and microphone methods

  • [1] Liu X, Wu J W, He Y, et al. Laser ultrasonic testing technology for carbon fiber reinforced resin braided composites based on air-coupled transducer[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2021, 38(9): 2822-2831.
    [2] Derusova D A, Vavilov V P, Nekhoroshev V O, et al. Features of Laser-Vibrometric Nondestructive Testing of Polymer Composite Materials Using Air-Coupled Ultrasonic Transducers[J]. RUSSIAN JOURNAL OF NONDESTRUCTIVE TESTING, 2022, 57(12): 1060-1071.
    [3] Schaal C, Kühl C, Vural J Y, et al. Automated nondestructive testing of composites using air-coupled guided ultrasound[C]. Washington: SPIE, 2023.
    [4] Takahashi V, Fortineau J, Lematre, M, et al. Non-Contact Ultrasonic Exploration of Ancient Paintings[C]. New York: IEEE, 2022.
    [5] Mortada H, El Mousharrafie S, Mahfoud E, et al. Noncontact nondestructive ultrasonic techniques for manufacturing defects monitoring in composites: a review[J]. STRUCTURAL HEALTH MONITORING-AN INTERNATIONAL JOURNAL,DOI: 10.1177/14759217231184589.
    [6] 周正干, 孙广开. 先进超声检测技术的研究应用进展[J]. 机械工程学报, 2017, 53(22): 1-10.
    [7] Quirce J, Alvarez-Arenas T G, Svilainis L. Calibration of Air-Coupled Ultrasonic Transducers [C]. New York: IEEE, 2021.
    [8] 国家质量监督检疫总局. 无损检测 超声检测设备的性能与检验 第2部分: 探头: GB/T 27664.2-2011 [S]. 北京: 中国标准出版社, 2011.
    [9] 国家质量监督检疫总局. 超声探伤仪换能器声场特性校准规范: JJF 1650-2017[S]. 北京: 中国标准出版社, 2017.
    [10] WILLIAMS E G, MANN J A I. Fourier Acoustics: Sound Radiation and Nearfield Acoustical Holography[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2000, 108(4): 1373.
    [11] Torras-Rosell A, Barrera-Figueroa S, Jacobsen F. Sound field reconstruction using acousto-optic tomography[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2012, 131(5): 3786-3793. doi: 10.1121/1.3695394
    [12] 吴樵, 周宇轩, 廉国轩, 等. 利用激光多普勒测振仪的空气耦合超声声场测量[J]. 应用声学, 2020, 49(4): 563-569.
    [13] 王伟印, 陈毅, 王世全, 等. 基于激光反射层析法的换能器声场测量技术及仿真研究[J]. 宇航计测技术, 2019, 39(3): 7-12. doi: 10.12060/j.issn.1000-7202.2019.03.02
    [14] Antoni Torras-Rosell, Salvador Barrera-Figueroa. AN ACOUSTO-OPTIC METHOD FOR FREE-FIELD MICROPHONE CALIBRATION[C]. Florence, 2015.
    [15] 吴君豪, 何双起, 罗明, 等. 空气耦合超声探头声场及其对检测的影响[J]. 宇航材料工艺, 2018(2): 73-77. doi: 10.12044/j.issn.1007-2330.2018.02.015
    [16] VALDIVIA N P, WILLIAMS E G. Study of the comparison of the methods of equivalent sources and boundary element methods for near-field acoustic holography[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 2006, 120(6): 3694-705. doi: 10.1121/1.2359284
    [17] TORRAS-ROSELL A, JACOBSEN F, BARRERA-FIGUEROA S. An acousto-optic beamformer[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2012, 132(1): 144-149. doi: 10.1121/1.4726047
    [18] 贾乐成, 陈世利, 曾周末. 超声声场光学检测的研究进展[J]. 仪器仪表学报, 2019, 40(9): 1-15. doi: 10.19650/j.cnki.cjsi.J1905072
    [19] Revel G M, Pandarese G, Cavuto A. Quantitative validation of an air-coupled ultrasonic probe model by Interferometric laser tomography[J]. AIP Conference Proceedings, 2012, 1457: 361-369.
    [20] 潘孙强, 陈哲敏, 张建锋. 声场的直接测量[J]. 光学精密工程, 2015, 23(11): 3077-3082.
    [21] 王浩宇, 冯秀娟, 祝海江, 等. 基于声光效应和Radon变换的二维声场扫描方法[J]. 声学技术, 2017, 36(5): 733-734.
    [22] 董惠娟, 于震, 樊继壮. 基于激光测振仪的非轴对称超声驻波声场的识别[J]. 吉林大学学报, 2018, 48(4): 1191-1198.
    [23] 李骥, 李力, 邓勇刚. 空气耦合超声换能器的频域声场研究[J]. 机械工程学报, 2019, 55(10): 10-16.
    [24] 李骥, 张旻. 空气耦合超声换能器声场的时域计算方法[J]. 无损检测, 2020, 42(5): 59-62. doi: 10.11973/wsjc202005013
    [25] KRAUTKRAMER J, KRAUTKRAMER H. Ultrasonic testing of materials[M]. New York: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1990.
    [26] Torras-Rosell A, Barrera-Figueroa S, Jacobsen F. An investigation of sound fields based on the acoustic-optic effect[C]. Rio de Janeiro, 2011.
    [27] 王浩宇. 基于平行束与扇形束扫描的声场重建方法研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2019.
    [28] TORRAS-ROSELL A, BARRERA-FIGUEROA S. An acousto-optic method for free field microphone calibration [C]. Florence, 2015.
    [29] 王浩宇, 冯秀娟, 祝海江, 等. 二维声场的光学扫描方法[J]. 计量学报, 2018, 39(3): 381-385. doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2018.03.19
    [30] 殷晓康, 周凯, 王雨婷. 空气耦合超声检测系统开发与测试[J]. 电子测量技术, 2020, 43(15): 79-83. doi: 10.19651/j.cnki.emt.2004465
  • 加载中
图(10)
计量
  • 文章访问数:  79
  • HTML全文浏览量:  29
  • PDF下载量:  15
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-11-21
  • 录用日期:  2023-12-19
  • 修回日期:  2023-12-19
  • 网络出版日期:  2023-12-21
  • 刊出日期:  2023-11-18

目录

    /

    返回文章
    返回