超声传播与成像

课程编码：070200M02039H 英文名称：Ultrasonic Waves Propagation and Imaging 课时：50 学分：3.00 课程属性：一级学科普及课 主讲教师：张碧星等

本课程为声学专业研究生的专业课。本课程主要讲授和超声传播与成像相关的基本概念、超声传播与激发的基本特性、超声成像原理、主要成像方法及应用、以及超声传播与成像的最新研究进展等。

高等数学、数学物理方法、普通物理、声学基础

第一章 绪论 3学时
第1节 超声传播与成像的基本原理及发展现状
第2节 超声传播的基本方程与通解
第二章 固体中的声波 3学时
第1节 固体中的应力应变关系及弹性常数矩阵
第2节 固体中声波的波动方程、边界条件及求解方法
第3节 声波在界面上的反射和折射、Snell定律及波型转换
第三章 平面分层介质中的导波 3学时
第1节 平面分层介质中的声传播方程
第2节 兰姆波频散方程及频散特性
第3节 斯东利波频散方程及频散特性
第4节 瑞利波频散方程及频散特性
第5节 拉夫波频散方程及频散特性
第四章 柱面分层介质中的导波 3学时
第1节 柱面分层介质中的声传播方程
第2节 流体圆柱和固体圆柱中的导波特性
第3节 柱状多层介质中对称导波的频散方程及频散特性
第4节 柱状多层介质中非对称导波频散方程及频散特性
第五章 各向异性介质中的声波 3学时
第1节 各向异性介质中的波动方程
第2节 克利斯托费尔方程
第3节 典型晶系结构中的准纵波、准横波和纯横波
第4节 慢度表面、径向表面和法向表面
第六章 压电介质中的声波 3学时
第1节 压电介质的基本特征与本构关系
第2节 压电介质中的克利斯托费尔方程
第3节 压电增劲常数及机电耦合系数
第4节 典型晶系结构中的超声波
第七章 压电换能器及振动模式 3学时
第1节 压电换能器结构和特征
第2节 厚度振动模式、长度振动模式和厚度切变振动模式
第3节 压电换能器输出阻抗及等效电路
第八章 超声波的激发 3学时
第1节 超声换能器在流体介质中的辐射声场及瑞利积分
第2节 圆形活塞、凹面碗形活塞、矩形活塞和条形晶片在流体介质中的辐射声场
第3节 条形晶片在半无界固体表面激发的声波场
第九章 超声聚焦与扫描 3学时
第1节 超声聚焦与扫描基本原理
第2节 超声探头与聚焦及成像分辨率
第3节 超声扫描及图像显示方式
第4节 扫描成像的图像偏差及矫正
第十章 传统超声成像方法 6学时
第1节 常规超声成像方法的基本原理
第2节 ALOK法、衍射时差法、施利伦法和光弹法
第3节 超声全息法、超声相机、超声显微镜法
第4节 基于磁致伸缩和洛仑磁力的电磁超声、激光超声、空耦法）
第十一章 超声成像检测 3学时
第1节 缺陷的定位和定量
第2节 管材超声成像检测
第3节 棒材超声成像检测
第4节 板材超声成像检测
第十二章 超声走时层析成像 3学时
第1节 走时层析成像原理与射线追踪
第2节 连续图像重建
第3节 离散图像重建
第十三章 超声衍射层析成像 3学时
第1节 衍射层析成像原理及波动方程积分形式
第2节 Born近似和Rytov近似
第3节 完全投影下的衍射层析成像
第4节 不完全投影下的衍射层析成像
第十四章 声波时间反转成像 3学时
第1节 声波时间反转成像的基本原理和方法
第2节 时间反转腔、时间反转镜和相位共轭镜
第3节 声波时间反转技术在无损检测中的应用
第十五章 超声阵列成像 5学时
第1节 超声阵列成像原理
第2节 超声合成孔径成像方法
第3节 超声相控阵成像方法
第4节 超声相控阵换能器及其辐射声场
第5节 超声全聚焦成像方法
第6节 超声相控阵技术在无损检测中的应用

张碧星，男，1963年8月生，中共党员，博士生导师。中国科学院特聘研究员、中国科学院声学研究所二级研究员、中国科学院大学岗位教授。美国声学学会会员、中国声学学会理事、中国无损检测学会副理事长、中国声学学会物理声学分会副主任、北京无损检测学会委员、全国试验机标准化技术委员会委员。《中国物理快报》、《物理学报》和《声学学报》特约评审员。
张碧星同志多年来一直从事声波激发和传播机理、超声成像理论和方法、超声无损检测方法与应用等领域的科学研究工作。在分层介质、孔隙介质、各向异性介质、非均匀介质、粘弾介质等复杂介质和结构中，对声学时间反转聚焦与成像、超声阵列检测与成像等方面取得了很多原创性科研成果，其中多项属于国际领先成果，例如：所提出的多模式声表面波反演与成像理论受到了国际同行的高度评价和广泛引用；率先开展的各向异性声波时间反转成像理论及在保密通信中的开拓应用等受到了时间反转法创始人Fink教授的多次称赞和业界推崇。在仪器研制方面，研制出世界上第一套石油套管井中超声相控阵井壁成像系统，研制出超声相控阵管棒材在线检测与成像系统和小口径薄壁管材探头旋转式超声在线检测系统，并应用于相关企业和部门。
张碧星同志主持了国家自然科学基金2项重点项目和7项面上项目，主持完成了1项国家863计划重点项目、主持完成了2项科技部仪器研制项目、主持完成了1项中科院装备研制项目、主持1项国家重大科学仪器设备开发专项、主持1项GF科技创新项目、主持完成了多项横向项目。获北京市科学技术2项（2013年和2018年，均排名第一），获吉林省1997年科学技术一等奖（排名第二），获福建省2016年科学技术一等奖（排名第四），获湖北省2000年科学技术二等奖。在国内外重要刊物上发表论文200多篇，其中SCI论文和EI论文各50多篇。
张碧星同志曾为中科院声学所博士生开设过《超声传播与成像》和《超声检测原理》等所级专业课，并为中国科学院大学电子学院开设过《超声传播与成像》的前沿讲座课，曾为中南大学研究生主讲过《地震勘探与成像技术》和《测井理论与方法》等专业课。