Моделирование и оптимизация нефазированных 2-мерных ультразвуковых матричных преобразователей тема автореферата и диссертации по , 01.00.00 ВАК РФ

Список таблиц.ix

Список рисунков.X

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ГЛАВА 2. Основные физические принципы.

2.1 Распространение упругих волн в неограниченной среде.

2.2 Отражение и прохождение.

2.2.1. Основные условия границы раздела.

2.2.2. Отражение и прохождение на границе раздела двух твердых сред.

2.2.3 Отражение и прохождение на границе раздела жидкости и твердого тела.

2.2.4 Падение продольной волны на границу раздела между твердым телом и жидкостью.

2.2.5. Падение поперечной (SV) волны на границу раздела между твердым телом и жидкостью.

2.2.6. Отражение поперечной (SH) волны от границы

раздела.

2.3 Затухание. jvivj'voii <m л

3. ГЛАВА 3. Отражение и прохождение ультразвукового сигнала при наличии нескольких поверхностей.

3.1 Модель измерения.

3.1.1. Отражение и прохождение на границе раздела между полистереновым наконечником (демпфером) и иммерсионной средой.

3.1.2. Отражение и прохождение на границе раздела между иммерсионной средой и поверхностью образца.

3.1.3. Отражение от внутреннего дефекта

3.1.4. Эффективные коэффициенты отражения.

4. ГЛАВА 4. Моделирование элементов матричного преобразователя.

4.1 Модель поршневого преобразователя.

4.2 Приближение стационарной фазы.

4.3 Прохождение через границы раздела сред - прямые расчеты.

4.4 Эквивалентные преобразования.

4.5 Расчет регистрируемого сигнала.

4.6 Сравнение разных методов.

5. ГЛАВА 5. Исследование поведения модели.

5.1 Параметры исходной системы.

5.2 Влияние наконечника и иммерсионного слоя.

5.3 Влияние локализации и ориентации дефекта.

5.4 Влияние частоты преобразователя.

5.5 Формирование визуальных изображений.

Компенсация времени прохождения сигнала.

По-элементная калибровка.

Коррекция наклона.

6. ГЛАВА 6. Заключение и дальнейшие планы.

1

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 неразрушающего 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. Ещё 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 S V Ч V Ч - - J* , Ч „ ч „ ' ^ - ^Ч N v\ >••*• Ч},

-Г "Ч " ^О- -Чч Н Т \ ( ч V ч- , ч, н ч^О -Ч» \ ш 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.

1. G. A, D. Briggs, Acoustic Microscopy. Oxford; Clarendon Press, 1992.

2. W. P. Mason, ed., Physical Acoustics. Principles and Methods, vol. 1A. Academic Press, 1964,

3. Л.М.Бреховских, Волны в слоистых средах. Москва, Наука, 1957.

4. R. Е. McKeighen, "Design guidelines lor medical ultrasonic arrays," in SPIE Interna' iional Symposium on Medical Imaging, 1998.

5. S. W. Smith, G. E. TVahey, and О. T. von Ramm, "Two-dimensional arrays for medical ultrasound," Ultrasonic Imaging, vol. 14, pp. 213-233,1992.

6. K. Eriksoa, A. Hairston, A. Nicoli, J. Stockwell, and T. White, "A 128x138 ultrasonic transducer amy" in IEEE Ultrasonics Symp. (S. C. Schneider, M. Levy, and B, R, McAvoy, ed».), p. 1625, ШЕЕ, 1997.

7. J. D. Plummer, It G. Swartas, M. Magianess, J. R. Beaudouin, and J. D. Meindl, "Two-dimensional transmit/receive piezoelectric arrays; Construction and performance," in IEEE Trans, on Sonics and Ultrasonics, vol. 25, pp. 27S-280,1978.

8. Р. К. Weber, R. M. Schmidt, B. D. Tylkowsky, and J. Steck, "Optimization of random sparse 2-D transducer arrays for 3-D electronic beam steering and focusing," in Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 1503-1506, 1994.

9. D, H, Turnbull, Two-Dimensional Transducer Arrays for Medical Ultrasonic Imaging. PhD thesis, University of Toronto, 1992.

10. R. Maev, S. Titov, A. Denisov, E. Maeva, F. Ewasyshin, and J. Paille, "Method and apparatus for assessing quality of spot welds." US Patent No. 99-1205US2RAF Application from 18.06.2000.

11. A. Ptchelintsev and R. G. Maev, "Ultrasonic array transducer." US Patent No. 98-1258US2RAF Application from 7.11.1998.

12. J. H. Heinbockel, Introduction to Tensor Calculus and Continuum Mechanics. Trafford, 2001.

13. L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Theory of Elasticity, vol. 7 of Cource of Theoretical Physics. Pergamon Press, third ed., 1986.

14. Р.Г.Маев, Ю.М.Максимовский, Л.А.Денисова, Е.Ю.Маева, А.А.Денисов. Т.Д.Чиркова, Д.А.Домышев, Акустическая микроскопия новый метод исследования тканей зуба «Стоматология», 2000, т.79, No5, 14-20.

15. Денисова JI.A., Матвейчук И.В., Денисов-Никольский Ю.И., Маев Р.Г., Денисов А.А., Маева Е.Ю., Перспективы использования методов акустической микроскопии для исследования костной ткани. Сб. «Биомедицинские технологии», М., 2001, вып. 15,45-56.

16. Maev R.G., Denisova L.A., Maeva E.Yu., Denissov A.A., New data on Histology and Physico-Mechanical properties of human tooth tissue obtained with acoustic microscopy. Ultrasound in Med. and Biol.2002, v.28, Nol, 131136.

17. Р.Г.Маев, Л.А.Денисова, Е.Ю.Маева, А.А.Денисов, А.А.Пчелинцев, Количественная характеристика упруго-механических свойств эмали и дентина зубов человека с использованием методов акустической микроскопии. «Новое в стоматологии», 2001, No7, 84-88.

18. R.G.Maev, J.Sokolowski, H.Lee, E.Yu.Maeva, A.A.Denisov, Bulk and subsurface structure analysis of the 319 Aluminum casting using acoustic microscopy methods. Journal for material characterization, 2001, v.46, №2, 326331.

19. Денисова Л.А., Маев Р.Г., Денисов-Николь-ский Ю.И., Матвейчук И.В., Денисов А.А., Основы применения акусти-ческой миикроскопии в медикобиологических иссле-дованиях. Учебное пособие. Москва, Изд-во НИЦ БМТ, 2002, 64 стр.

20. Zheng J.P., Maeva E.Yu., Denisov A.A., Maev R.G., Ultrasound imaging of human teeth using desktop scanning acoustic microscope Proceeding of 24th Int. Symp. on Acoustic Imaging, Santa Barbara, USA, 1998, 77-85.

21. R.G.Maev, A.A.Ptchelintsev, A.A.Denisov, Ultrasonic imaging using various 2D matrix transducer technologies. Proc. of the 25th International Acoustical Imaging Symposium, Bristol, UK, UK, 2001, v.25, 501-506.

22. Zheng J.P., Maeva E.Yu., Denisov A.A., Maev R.G., Ultrasound imaging of human teeth using desktop scanning acoustic microscope Abstracts of 24th Int. Symp. On Acoustic Imaging, Santa Barbara, USA, 1998, 74-74

23. Денисов А. А., Маева Е.Ю., Л.А.Денисова, Р.Г.Маев, Ультразвуковая визуализация тканей зуба человека при помощи сканирующего акустического микроскопа. Тезисы II Съезда биофизиков России, Москва, Россия, 1999, т.2, 668-669.

24. R.G. Maev, A.Ptchelintsev, A.Denisov, Acoustic imaging using matrix of piezoelectric transducers for nondestructive evaluation of plastic composites. Abstr. 6th Intern. Conf. of Composites Engineering, Orlando, USA, June 1999, 17-17.

25. R.G. Maev, A.Ptchelintsev, A.Denisov, Acoustic imaging using matrix of piezoelectric transducers for nondestructive evaluation of plastic composites. Proc. 6th Intern. Conf. of Composites Engineering, Orlando, USA, 1999, pp.665668.

26. R.G.Maev, A.A.Ptchelintsev, A.A.Denisov, Ultrasonic imaging using various 2D matrix transducer technologies. Abstr. of the 25th International Acoustical Imaging Symposium, Bristol, UK, 2000,

27. R.G.Maev, L.A.Denisova, E.Yu.Maeva, A.A.Denisov, A.A.Ptchelintsev Quantitative evaluation of human tooth microstructure in acoustic images. Abstr. of the Medical Imaging 2000, California, USA, 3982, 14-14.