声学成像技术及工程应用

作者简介

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。

书籍目录

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

3.1.4Z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

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

4.4.1C型扫描法44

4.4.2B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

5.2时间反转声学理论52

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α区域的迭代处理64

5.4.7纯斑噪声区域的迭代处理64

5.5TRA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

5.5.5Wiener滤波器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81

6.1.12Kaczmarz算法81

6.1.13Hounsfield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

6.1.18Born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

6.2.5CAN在非线性声学成像和无损检测中的应用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

7.7150MHz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

8.3.5幅度起伏的时间自相关129

8.3.6实验验证131

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

9.2.3AUT系统实例142

9.2.4AUT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

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

10.3.1B型扫描163

10.3.2C型扫描169

10.4B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

10.5C型扫描仪器179

10.5.1Sokolov管179

10.5.2超声全息术179

10.6组织谐波成像181

10.6.1引言181

10.6.2组织谐波成像的原理182

10.6.3组织谐波图像的形成185

10.6.4组织谐波成像的特点186

10.6.5一些商用系统188

10.7弹性成像188

10.7.1引言188

10.7.2人工触诊和弹性成像的对比188

10.7.3激励作用力和成像形式的选择191

10.7.4弹性成像的物理基础192

10.7.5图像形成算法195

10.7.6一些商用系统198

10.8彩色多普勒成像203

10.8.1多普勒超声203

10.8.2脉冲（门控）多普勒和频谱多普勒204

10.8.3量化多普勒技术205

10.8.4速度测量205

10.8.5谱多普勒波形测量205

10.8.6血流量测量206

10.8.7彩色多普勒206

10.8.8新兴技术207

10.9超声造影208

10.9.1引言208

10.9.2气泡超声心动图208

10.9.3微泡造影剂208

10.9.4工作过程210

10.9.5应用210

10.103D医学超声成像211

10.10.1引言211

10.10.2可选3D超声212

10.10.33D超声的风险降低213

10.10.4未来发展213

10.10.5局部麻醉214

10.11发展趋势214

参考文献215

第11章水下声学成像219

11.1引言219

11.2水下声学成像系统原理219

11.2.1扩展损失220

11.2.2衰减损失220

11.2.3传播理论220

11.2.4海面的反射和散射221

11.2.5海底的反射和散射222

11.2.6海底反射损失222

11.2.7声道223

11.3部分水下声学成像系统的工作原理225

11.4水下声学成像系统的特点227

11.5成像形式230

11.5.1声纳声学成像230

11.5.2正视声学成像232

11.6几个有代表性的水下声学成像系统233

11.6.1聚焦声学成像系统233

11.6.2电子波束聚焦水下声学成像系统234

11.6.3全息声学成像237

11.7机器人技术在水下声学成像中的应用240

参考文献241

第12章地质勘探242

12.1引言242

12.2声学全息术应用到地震成像243

12.3现场试验范例243

12.3.1一维全息图阵列243

12.3.2二维全息阵列244

12.4实验室建模249

12.5图像处理和增强技术249

12.5.1弱信号增强249

12.5.2相位对比增强技术249

12.6计算机重建250

12.6.1共轭图像的去除250

12.6.2傅里叶变换全息图250

12.6.3计算机重建范例251

12.6.4横波传播或频率域偏移253

12.6.5相关全息图253

12.7地震全息术的其他应用253

12.8地震全息术中的信号处理254

12.8.1速率过滤254

12.8.2二维傅里叶变换技术255

12.8.3Taup变换（倾斜叠加）255

12.8.4Taup反变换256

12.8.5kω和Taup变换的范例258

12.9将衍射X线体层照相术应用到地震成像261

12.9.1重建算法267

12.9.2VSP情形的计算机仿真270

12.10小结271

参考文献272

第13章量子声学成像274

13.1引言274

13.2将光学压电换能器用于产生纳米声波274

13.3纳米波的光学方向277

13.4纳米成像/量子声学成像277

13.5太赫兹声波的产生和放大281

13.6在有源SL中由光泵浦产生的电子逆转和声子放大理论283

13.7量子声学成像的源285

13.8量子声学成像的光子纠缠285

13.9量子声学成像的应用286

参考文献287

第14章负折射、声学超材料和声学隐身289

14.1引言289

14.2Veselago理论的限制289

14.2.1引言289

14.2.2齐次电磁波方程的规范不变性290

14.2.3声场方程的规范不变性291

14.2.4声学隐身291

14.2.5非线性齐次声波动方程的规范不变性292

14.2.6我对负折射的重要发现，是坐标变换或负折射和隐身统一理论的一个特例292

14.2.7结论293

14.3完美声学透镜的多散射方法293

14.4声学隐身298

14.4.1引言298

14.4.2换能声学的求导299

14.4.3应用到一个特例302

14.5具有联立负质量密度和负体积模量的声学超材料303

14.6依据非线性坐标变换的声学隐身306

14.7水下物体的声学隐身310

14.8将双重负性扩展到非线性声学310

参考文献310

第15章基于超材料的新声学312

15.1引言312

15.2新声学和声学成像313

15.3声子晶体的基底313

15.4声子晶体理论——多散射理论314

15.4.1计算细节317

15.4.2结果讨论317

15.5由规范不变性（坐标变换）推导得到的负折射——另一种负折射理论318

15.5.1作为负折射和隐身统一理论的规范不变性318

15.5.2曲线坐标广义形式的Snell定律320

15.5.3使用坐标变换设计一个完美透镜320

15.5.4一种通用的隐身透镜321

15.6在具有不同宇称的两种介质界面处声波的反射和传递321

15.7负包含的衍射理论322

15.7.1衍射X线体层照相术前向问题的形式化322

15.7.2对一种负介质中衍射过程的建模326

15.7.3数值仿真的结果327

15.7.4在数值仿真中要注意的要点332

15.8通过操作声音传播的预定方向，以包括质量密度和体积模量的广义形式，扩展到衍射理论333

15.9衍射理论的一种新方法——基于材料参数的一种严格理论334

15.10由反射不变量推导负折射（左右对称性）——负折射的一种新方法334

15.11各向同性不变性、时间反向不变性和折射不变性的统一理论336

15.12将新声学应用到声学波导336

15.13新的弹性性质337

15.14基于超材料的非线性声学337

15.14.1原理337

15.14.2声音衰减应用的非线性声学超材料339

15.15声学超材料中的超声衰减339

15.15.1能量传递和波衰减的机制340

15.15.2应用340

15.16声子晶体器件的应用341

15.17规范理论和MST在超材料中扮演角色的重要性比较——超材料理论的总结342

15.18相比于非线性声学，新声学的影响342

15.19结论342

参考文献343

第16章未来方向和未来技术345

参考文献345

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