声学成像技术及工程应用.pdf

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1、 国际信息工程先进技术译丛 声学成像技术及工程应用 （新加坡） Woon Siong Gan 编著 李 平 吴文焘 李 虹 王玲芳 等译 机 械 工 业 出 版 社 本书首先介绍了声学和声成像的基本理论和原则， 随后探讨了声成像技术在 各方面的应用， 如无损检测、 医学成像、 水下声学成像和声纳及地球物理勘探。 本书将不同技术集合起来， 重点讨论声学领域和常规理论的相似性。 除此以外， 还提到一些领先的话题， 如无损测试的非线性声学成像和应用， 声学成像混沌理 论的应用， 声学成像和负折射的统计处理等。 本书的主要特点是全面性地概括了 声学成像的重点应用； 介绍了声学运动方程的规范不变性； 包

2、含了对声传播最新 理论的处理方法。 本书适合声学、 材料、 无损检测和医疗声学相关专业本科高年级、 研究生， 和声学相关专业的工程技术人员、 研究人员。 Copyright John Wiley & Sons， Ltd. 2012. All Rights Reserved-This Translation published under License. Authorized translation from the English Language edition， Acoustical Imaging Techniques and Application for Engineers， IS

3、BN 978-0-470-6616-0-4， Woon Siong Gan， Pub- lished by John Wiley & Sons. No part of this book may be reprocluced in any form without the written permission of the original copyrights holder. 本书原版由 Wiley 公司出版， 并经授权翻译出版。 版权所有， 侵权必究。 本书中文简体翻译出版授权机械工业出版社独家出版， 并限定在中国大陆地 区销售。 未经出版者书面许可， 不得以任何方式复制或发行本书的任何部

4、分。 本书封面贴有 Wiley 的防伪标签， 无标签者不得销售。 本书版权登记号： 图字 01-2013-1405 号。 图书在版编目 （CIP） 数据 声学成像技术及工程应用/ （新加坡） 颜允祥编著； 李平等译 . 北京： 机械工 业出版社， 2013. 10 （国际信息工程先进技术译丛） 书名原文： Acoustical Imaging； Techniques and Applications for Engineers ISBN 978- 7- 111- 43877- 9 . 声 . 颜李 . 声学成像 . 0426. 2 中国版本图书馆 CIP 数据核字 （2013） 第 20464

5、8 号 机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037） 策划编辑： 张俊红 责任编辑： 赵玲丽 版式设计： 纪 敬 封面设计： 常天培 责任校对 赵颖喆 责任印制 2014 年 1 月第 1 版第 1 次印刷 169mm 239mm22. 75 印张509 千字 00012500 册 标准书号： ISBN 978- 7- 111- 43877- 9 定价：99.80 元 凡购本书， 如有缺页、 倒页、 脱页， 由本社发行部调换 电话服务 社 服 务 中 心：（010）88361066 销 售 一 部：（010）68326294 销 售 二 部：（010）88379649

6、读者购书热线：（010）88379203 网络服务 教 材 网：http：/ / www. cmpedu. com 机工官网：http：/ / www. cmpbook. com 机工官博：http：/ / weibo. com/ cmp1952 封面无防伪标均为盗版 李 洋 北京宝昌彩色印刷有限公司印刷 译 者 序 声学成像利用声波获取、 记录和重现被成像目标的某种特征。 声学成像涉及众多 学科， 但主要建立在深入理解介质中声波传播规律的基础之上， 并得益于现代声学材 料和元件及电子技术的进步而得到快速发展和广泛应用。 与其他众多成像手段相比， 声学成像有其自身的特点， 声波既可以穿透不透明

7、介质对其内部结构成像， 又是一种 没有危害的安全成像方式。 目前声学成像最典型的应用包括无损检测、 水下成像、 地 球物理探测和医学成像等， 尤其是超声医学成像几乎人所共知。 作为声学领域的工作者， 译者对声学成像的几个领域都有一定程度的涉及， 因而 对声学成像的理论、 方法、 技术和应用都充满兴趣并给予特别关注。 今年初偶然发现 了这本去年刚刚出版的有关声学成像的书， 当时还只能在互联网上看到书名、 目录和 简单的介绍， 但强烈的好奇心和对该领域信息的敏感性使我们产生了一 “读” 为快的 渴望。 也许是机缘的巧合， 又是偶然的机会获悉机械工业出版社正在筹划翻译出版该 书的中文版， 于是几乎未

8、加思索地欣然承担了此书的翻译任务。 当时的想法主要有两 点： 一是希望通过自己的工作为一部分读者提供阅读的方便， 二是也想将翻译过程作 为一次再学习、 充实和提高的机会。 如前所述， 领命之时对本书的了解还仅限于书名和目录。 现在， 经过几个月的艰 辛努力， 译稿终于得以完成。 译者最初所期望一次再学习过程也已经完成， 此时可以 说对本书也有了一个比较全面、 深入、 透彻的了解， 于是可以简要地总结一点翻译的 体会和阅读的建议与读者共享。 本书的最大特点是涵盖范围十分广泛， 有关声学成像的所有方方面面几乎都有不 同程度的涉及， 具体体现如下： 1） 从理论到实践的广泛覆盖， 对于某些声学成像，

9、 给出了从物理方程到成像方法 甚至到仪器设备的全面介绍； 2） 声学成像形式的广泛覆盖， 涉及目前声学成像系统的 3 种主要类型： 脉冲回 波型 （B 型超声是典型代表）、 相位幅度型 （声全息术） 和幅度映射型 （声学显微 镜）； 3） 多个应用领域的广泛覆盖， 从小尺度的医学成像和无损检测到大尺度的地球物 理探测和水下声学成像； 4） 技术发展角度的广泛覆盖， 除了传统、 经典的声学成像， 还包含了该领域的新 发明和比较前沿的研究进展， 如弹性成像、 非线性成像、 时间反转、 随机和统计处理、 混沌理论和负折射的应用等。 基于上述特点， 译者认为本书是声学成像领域的一部比较广泛的综述书籍。

10、 但要在这样一本篇幅有限的书里完美地容纳如此繁多的内容并非易事。 作为综述， 书中的主要内容大多来自所列的参考文献， 如何在浩繁的资料中取其精华成书而又不 失完整性、 系统性、 连贯性和统一性是一个巨大的挑战。 译者在在翻译过程中力求遵 从忠实原文、 如实翻译的原则， 但发现原书存在不少必须指出或纠正的错误， 既有公 式、 符号表述也有文字叙述方面的。 为此译者一方面查阅了大量原始参考文献， 另一 方面对部分公式重复进行了推导。 因此读者今天所看到的， 已经不仅仅是原书的文字 翻译， 还包含了很多对原文的重新校对和修正。 其中， 为避免过于繁琐， 对于可以明 确判断为排版印刷问题和明显笔误的简

11、单错误， 直接进行了改正而未做说明， 但对于 那些比较重要的修改则以注释的形式予以说明并给出原文的表述， 这样做也是为了便 于读者进行甄别。 另外， 为了读者阅读方便， 译者还针对个别内容增加了少量注释。 中国有句成语叫做 “瑕不掩瑜”。 译者认为， 那些具有一定理论和实践基础， 从事 声学成像领域或者想要了解这一领域的读者在阅读本书以后， 对于拓展视野定会有所 裨益。 正如本书的序中所言， 对本书的期望是它将引导广大读者更好地了解和更广地 应用声学成像的丰富资源。 本书的序言部分、 第 1 4 章、 第 9 11 章由李平译， 第 5 8 章由吴文焘译， 第 12 15 章由李虹译， 王玲芳

12、统稿并校对。 在翻译过程中， 王弟英、 游庆珍、 李传经、 吴昊、 李睿、 吴秋义、 李冬梅、 潘东升、 吴璟、 郝惠宁、 李小翠、 张鑫、 李秋蒴、 张 平、 黄琳、 芦苏华等同志参加了部分的翻译工作， 在此表示感谢。 同时感谢机械工业 出版社， 感谢出版社的编辑和相关同志。 最后， 译者期望实现当初翻译本书的另一个初衷， 就是期望通过自己的工作为一 部分读者提供阅读的方便。 不过， 需要指出的是， 本书的内容仅代表作者个人的观点 和见解， 并不代表译者及其所在单位的观点。 另外， 由于翻译时间比较仓促， 疏漏错 误之处在所难免， 敬请读者原谅和指正。 译者 声学成像技术及工程应用 原 书

13、序 声波提供了与可见光非常不同的成像形式。 声波像 X 射线一样可以穿透不透明的 介质， 这正是其在医学和无损检测中得到应用的原因。 声波具有很宽的频率范围。 人 眼能看到的可见光的频谱范围只有一个倍频程， 但人耳能听到的声音频率范围却可达 到 8 个倍频程以上， 而超声波还可以一直扩展到更高的频率范围。 通常声波比电磁波 的传播速度要慢 5 个数量级， 这意味着获得亚微米量级的波长需要用几个吉赫 （GHz） 频率的声波。 换能器可以将电信号转换为声波， 反之亦然， 电信号的产生和处理可以 用全数字技术实现。 声波具有丰富而复杂的传播形态。 在液体中除了极短距离以外声波几乎都是纵波。 在固体中

14、则还可以存在正交振动的剪切波。 在接近固体表面处会具有剪切波与纵波组 合的传播， 并且可以耦合到与固体表面接触的液体中。 对于像水晶或某些复合物等各 向异性固体， 它们会呈现非常丰富的声学现象， 如波束偏转 波的传播方向并不垂 直于波阵面。 不同介质之间的声学特性差异巨大， 由此可导致强烈的声散射， 如固体 中的微小裂痕就是如此。 声波不仅可以对物体的几何形状成像， 还可以探查它们的力 学特性。 很多物质在实验所达到的声波振幅下就会呈现出非线性特性。 对声波的传播规律有了深入了解， 同时有了设计精巧、 复杂的仪器来产生和检测 声波， 由此便开启了令人兴奋的各种应用。 例如， 原子力显微镜能够通

15、过点与面之间 的非线性相互作用以纳米的分辨率探测声场； 扫描透镜和阵列可以用于获得衍射极限 的图像， 其分辨率从声学显微镜中的微米到医学成像和无损检测中的毫米量级， 直到 声纳和地球物理探测中更大的范围都有应用。 所有这些都需要建立在深入理解液体和固体中声波传播规律的基础之上， 并且得 益于发展先进的仪器设备。 Gan 博士的著作针对上述需求作了全面阐述。 我对本书的 期望是它将引导广大读者更好地了解和更广地应用声学成像的丰富资源。 G. A. D. Briggs 于牛津大学 关 于 作 者 Woon Siong Gan 博士毕业于英国伦敦皇家学院 （Imperial College （Lon

16、don） 物理 系， 1965 年获得物理学理学学士学位， 1967 年 5 月获得声学与振动科学高等毕业证 书， 1969 年 2 月获得声学专业博士学位。 其后， 他先后在伦敦皇家学院、 伦敦切尔西 学院 （Chelsea College （London） 和意大利的里雅斯特理论物理国际中心 （Internation- al Centre for Theoretical Physics （Trieste， Italy） 从事博士后工作。 他现任 IEEE 终身高 级会员、 英国工程技术研究所 （Institute of Engineering and Technology （UK） 研究员

17、、 英国声学研究所 （Institute of Acoustics （UK） 研究员、 南非声学研究所 （Southern Af- rican Acoustics Institute） 研究员、 新加坡工程师协会 （Institution of Engineers， Singa- pore） 会员、 美国医学超声学会 （American Institute of Ultrasound in Medicine） 高级会 员， 自 1969 年起为美国声学学会 （Acoustical Society of America） 会员。 他于 1989 年创建了新加坡声学学会 （Society of A

18、coustics （Singapore） 并担任理事 长， 并且是国际声学与振动研究所 （International Institute of Acoustics and Vibration， II- AV） 的前所长。 他还是 IEEE 信号处理新加坡分会 （Signal Processing Singapore Chapter of the Institu- te of Electrical and Electronics Engineers （USA） 的创始人， 1970 1979 年曾任新加坡 南洋大学 （Nanyang University （Singapore） 物理系副教授，

19、1979 1989 年担任声学顾 问。 他于 1989 年创办了新加坡声学技术私营有限公司 （Acoustical Technologies Singa- pore Pte Ltd）， 这是一家从事超声技术研发的公司， 曾研发出扫描声学显微镜和声表面 波器件并获得专利。 到目前为止， 该公司是新加坡唯一的一家超声技术公司， 主要从 事超声成像业务。 他同时致力于理论研究， 在声学成像、 有源噪声抵消和规范不变性在声学中的应 用方面发表过若干论文。 2007 年他发表了 Gauge Invariance of Acoustic Fields （声场的规范不变性） 的论 文， 论文的观点通过声学超

20、材料的制作得到了实验验证， 结果表明声场的不变性同时 等价于负质量密度和负体积模量。 这些成果在理想声透镜的负折射中得到了应用。 作 者所获得的重要发现是， 负折射是声学隐身中常用的坐标变换 （规范不变性） 的特殊 情况， 即奇偶性或方向余弦行列式或变换矩阵等于 -1 的情况。 他当前正致力于开拓一 个基于声学超材料的称为 “新声学” 的新领域。 这意味着， 当负质量密度和负压缩性 取代了正质量密度和正压缩性， 以及基于声子晶体的能带隙特性， 声学波动方程将会 得到不同以往的解。 融合声波传播过程中的折射、 衍射和散射 3 种基本机制， 使得我 们可以随意掌控声波在固体中的传播方向， 从而引发

21、出新奇的声学现象和新颖声学装 置的应用， 这正是作者将其称为 “新声学” 的缘由。 目 录 译者序 原书序 关于作者 第 1 章 绪言1 参考文献3 第 2 章 声学及其成像的物理基础4 2. 1 引言4 2. 2 声在固体中的传播4 2. 2. 1 线性波动方程的导出及其解4 2. 2. 2 线性声学波动方程和新应力场方程中的对称性5 2. 3 应用规范位势理论求解波动方程6 2. 4 有限振幅声波在固体中的传播7 2. 4. 1 高阶弹性理论7 2. 4. 2 非线性效应8 2. 4. 3 非线性声学运动方程的导出8 2. 4. 4 高阶声学运动方程的解9 2. 5 能量吸收引起的非线性效

22、应9 2. 5. 1 热传导引起的能量吸收9 2. 5. 2 位错引起的能量吸收9 2. 6 固体中声传播的规范理论表述10 2. 6. 1 无穷小振幅声波动方程中的协变导数11 2. 6. 2 大振幅声波动方程的协变导数11 参考文献11 第 3 章 信号处理12 3. 1 信号处理和图像处理中的数学工具12 3. 1. 1 矩阵理论12 3. 1. 2 矩阵的一些性质12 3. 1. 3 傅里叶变换14 3. 1. 4 Z 变换18 3. 2 图像增强18 3. 2. 1 空间低通、 高通和带通滤波18 3. 2. 2 放大与内插19 3. 2. 3 复制19 3. 2. 4 线性内插19

23、 3. 2. 5 图像变换20 3. 3 图像采样和量化21 3. 3. 1 采样与复制21 3. 3. 2 从样本重建图像21 3. 3. 3 奈奎斯特频率22 3. 3. 4 采样定理22 3. 3. 5 二维采样理论应用实例22 3. 3. 6 用于随机场的采样定理22 3. 3. 7 采样和重建的实际限制23 3. 3. 8 图像量化23 3. 4 图像的随机建模23 3. 4. 1 自回归模型24 3. 4. 2 自回归模型的特性24 3. 4. 3 滑动平均模型24 3. 5 波束形成25 3. 5. 1 波束形成原理25 3. 5. 2 声纳波束形成的要求26 3. 6 有限元法

24、26 3. 6. 1 引言26 3. 6. 2 应用27 3. 7 边界元法28 参考文献29 第 4 章 声学成像的常用方法30 4. 1 引言30 4. 2 层析术30 4. 2. 1 玻恩近似34 4. 2. 2 利托夫近似35 4. 2. 3 傅里叶衍射定理36 4. 2. 4 重建和反向传播算法36 4. 3 全息术41 4. 4 脉冲回波模式和透射模式44 4. 4. 1 C 型扫描法44 4. 4. 2 B 型扫描法46 4. 5 声学显微镜方法49 参考文献50 第 5 章 时间反转声学和超分辨技术52 5. 1 引言52 声学成像技术及工程应用 5. 2 时间反转声学理论52

25、 5. 3 时间反转声学在医学超声成像中的应用58 5. 4 时间反转声学在超声无损检测中的应用59 5. 4. 1 液固界面上的时间反转声学理论60 5. 4. 2 无损检测中的 TRM 实验实现61 5. 4. 3 非相干求和63 5. 4. 4 来自于斑噪声区域的时间反转信号63 5. 4. 5 迭代技术63 5. 4. 6 包含硬 区域的迭代处理64 5. 4. 7 纯斑噪声区域的迭代处理64 5. 5 TRA 在地雷或埋入体探测中的应用66 5. 5. 1 引言66 5. 5. 2 理论67 5. 5. 3 实验过程68 5. 5. 4 实验设置69 5. 5. 5 Wiener 滤

26、波器69 5. 5. 6 实验结果70 5. 6 时间反转声学在水声中的应用71 参考文献71 第 6 章 非线性声学成像73 6. 1 混沌理论在声学成像中的应用73 6. 1. 1 衍射层析成像中遇到的非线性问题73 6. 1. 2 混沌的定义和历史73 6. 1. 3 分形的定义74 6. 1. 4 混沌和分形的联系75 6. 1. 5 乳腺癌的分形性质75 6. 1. 6 分形的类型76 6. 1. 7 分形近似78 6. 1. 8 扩散限制凝聚78 6. 1. 9 生长区概率分布 GSPD79 6. 1. 10 使用 GSPD 近似散射场80 6. 1. 11 离散赫姆霍兹波动方程8

27、1 6. 1. 12 Kaczmarz 算法81 6. 1. 13 Hounsfield 法83 6. 1. 14 在 Kaczmarz 算法中使用 GSPD84 6. 1. 15 应用频域内插的分形算法84 6. 1. 16 频域内插分形算法最终方程的导出84 6. 1. 17 仿真结果85 目 录 6. 1. 18 Born 近似和分形近似的对比87 6. 2 非经典非线性声学成像88 6. 2. 1 引言88 6. 2. 2 由 CAN 产生谐波的机制89 6. 2. 3 非线性共振模态91 6. 2. 4 非经典 CAN 谱的实验研究92 6. 2. 5 CAN 在非线性声学成像和无损

28、检测中的应用93 6. 2. 6 结论95 6. 3 非线性声学成像的调制法96 6. 3. 1 引言96 6. 3. 2 调制声学方法的原理96 6. 3. 3 裂缝位置的调制模态法97 6. 3. 4 用于 NDT 调制方法的实验步骤98 6. 3. 5 调制模态系统的实验步骤98 6. 3. 6 结论100 6. 4 谐波成像101 参考文献101 第 7 章 高频声学成像103 7. 1 引言103 7. 2 换能器103 7. 3 电子电路104 7. 4 软件105 7. 5 高频超声成像的应用106 7. 6 皮肤科和眼科 150MHz 超声成像系统106 7. 7 150MHz

29、 系统的信号处理106 7. 8 声学显微镜的电子电路111 7. 8. 1 门控信号及其在声学显微镜中的应用111 7. 8. 2 准单频系统113 7. 8. 3 甚短脉冲技术114 参考文献115 第 8 章 声学成像的统计处理116 8. 1 引言116 8. 2 非均匀性散射117 8. 3 波场的统计特性研究118 8. 3. 1 菲涅尔近似或近场近似120 8. 3. 2 远场成像条件 （夫琅和费近似）121 8. 3. 3 起伏的互相关性125 8. 3. 4 准静态条件128 声学成像技术及工程应用 8. 3. 5 幅度起伏的时间自相关129 8. 3. 6 实验验证131

30、8. 3. 7 起伏理论在聚焦系统衍射图像中的应用134 8. 3. 8 结论134 8. 4 统计处理的连续介质方法134 8. 4. 1 引言134 8. 4. 2 抛物线方程理论134 8. 4. 3 折射率起伏假设135 8. 4. 4 平均场方程和通解135 参考文献138 第 9 章 无损检测139 9. 1 缺陷检测的特点139 9. 2 自动化超声检测141 9. 2. 1 引言141 9. 2. 2 检测过程142 9. 2. 3 AUT 系统实例142 9. 2. 4 AUT 中的信号处理和缺陷特征的自动化增强143 9. 3 导波用于 NDT 声学成像146 9. 4 应

31、力测量和材料研究中的超声技术148 9. 4. 1 引言148 9. 4. 2 内部应力测量149 9. 4. 3 “吻粘接” 评价中的 V （z） 曲线技术151 9. 5 干接触或非接触换能器153 9. 5. 1 缺陷深度、 尺度和特征153 9. 5. 2 一发一收扫频法153 9. 5. 3 一发一收冲激法153 9. 5. 4 机械阻抗分析法153 9. 6 相控阵换能器154 9. 6. 1 引言154 9. 6. 2 相控阵的意义155 9. 6. 3 超声相控阵技术的原理156 9. 6. 4 聚焦法则158 9. 6. 5 基本扫描和成像158 9. 6. 6 相控阵检测相对常规超声检测的优势159 参考文献160 第 10 章 医学超声成像161 10. 1 引言161 10. 2 声传播的物理原理161 目 录 10. 2. 1 声波在固体中的传播161 10. 2. 2 对比度163 10. 3 成像模式163 10. 3. 1 B 型扫描163 10. 3. 2 C 型扫描169 10. 4 B 型扫描仪器171 10. 4. 1 手动系统171 10. 4. 2 实时系统173 10. 4. 3 机械扫描174 10. 4. 4 电子扫描175 10. 5 C 型扫描仪器179