超声相控阵探头声场优化设计仿真_施义茂

相控发射 ： 相控发射分为相控聚焦与相控偏转 ． 多 尺寸排列 ， 构成超声阵列换 个换能器阵元按一定形状 、 能器 ， 分别调整每个阵元发射信号的波形 、 幅度和相位 延迟 ， 使各阵元发射的超声子波束在空间叠加合成 ， 从 ） 而形成发射聚 焦 和 声 束 偏 转 等 效 果 ． 图 ２（ 中， 阵列 ａ 逐渐向 换能器各阵元的激励 时 序 是 两 端 阵 元 先 激 励 ， 中间阵元加大延迟 ， 使得合成的波阵面指向一个曲率 ） 中心 ， 即发射相控聚焦 ． 图 ２（ 中， 阵列换能器各阵元 ｂ 的激励时序是等间隔 增 加 发 射 延 迟 ， 使得合成波阵面
相控发射与 相 控 接 收 是 超 声 相 控 阵 检 测 系 统 过程中 ， 的核心部分 ， 在相控发射和接收过程中 ， 通过计算各阵 元所需的延迟时间来精确控制声束偏转聚焦到检测的 各个区域内 ， 从而达到对整个检测区的扫描 ． 目前很多 学者研究了换能器参 数 （ 阵 元 大 小、 阵 元 间 距、 阵元数 量、 阵元频率 ） 对换能 器 性 能 的 影 响 ， 从指向性理论出 如Ｗ 发分析 方 法 较 多 ， ｏ ｏ ｈ等 利用指向性理论分析 了超声波在空间的声 束 特 性 ， 而对聚焦性能研究的较
４］ 列［ 每个阵元有自己独立的发射和接收电路 ， 通过计 ．
相控接收 ： 换能器 发 射 的 超 声 波 遇 到 目 标 后 产 生 回波信号 ， 其到达各阵元的时间存在差异 ． 按照回波到 达各阵元的时间差 对 各 阵 元 接 收 信 号 进 行 延 时 补 偿 ， 然后相加合成 ， 就能将特定方向回波信号叠加增强 ， 而 其它方向的回波信号减弱甚至抵消 ． 同时 ， 通过各阵元 的相位 、 幅度控制以 及 声 束 形 成 等 方 法 ， 形 成 聚 焦、 变
７］ 孔径 、 变迹等多种相控效果 ［ 相控阵接收的原理如图 ．
常用 的 振 速 模 式 多 采 用 均 匀 振 动 ． 在此种情况 达式 ， 可将振模简单表示为 ： 下，
３ 所示 ．
Φｓ （ ） Ｒ ２ ＝ｕ － ｑ（ ０ １ ）， ｎ 其中 ： 做均匀振动 ； Ｒ ＝１ 即辐射面边沿自由 ， ｕ ｑ（ １） ０ 为
１］ 代的独特作用 ［ 在无损检测领域 ， 近年来的一个研究 ．
算机控制的超声系统来控制各个单元的超声发射和接
５］ ， 实现对合成声束的偏转和聚焦控制 ［ 其原理见图 收，
热点就是超声相 控 阵 检 测 技 术
［ ２］
在超声相控阵检测 ．
其中 Ｏ １， Ｐ ＣＭ 为正交异性压电复合材料 （ ｏ ｒ ｔ ｈ ｏ ｔ ｒ ｏ ｉ ｃ ｐ ） 的简称 ． ｉ ｅ ｚ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｃ ｏ ｍ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｐ ｐ
∫∫
面中心处的振速幅值 ． ， 如图 ４ 所 示） 在阵元表 ｘ ｏ ｙ 平面上的矩 形 阵 元 （ 面加一激励 ， 使阵元上各点均匀振动 ， 根据声场辐射原 理和指向 性 函 数 的 定 义 可 以 推 导 出 其 声 场 指 向 性 函
８］ ： 数为 ［
２ ． １ 单源换能器的辐射声场
各 种 换 能 器 的 辐 射 声 场 分 布 均 可 由 亥 姆 霍 兹 －基 尔霍夫积分定理来计算 ． 运用到单面辐射的换能器 ， 该
２ 阵列换能器声场辐射理论
在实际应用中 ， 声源晶片是多种多样的 ， 一些形状 不规则的声源在数学 求 解 过 程 中 比 较 困 难 ， 甚至不能 求解 ． 在理论处理时 ， 往 往 将 它 们 理 想 化， 在一定条件 下将它们近似看作平 面 的 理 想 化 声 源 ． 一个有限尺寸 根据惠更斯原理进行分析 ， 可以看 的声源的辐射声场 ， 成是无数点源的组合 ． 即辐射场中某一点声压是声源 面上所有点在该点产生的声压叠加之和 ．
因此在 声 场 中 任 一 点 Ｑ 的 声 压 可 以 由 积 分 表 达式 ：
／ ／ ｗ ｔ ｂ ｊ ｒ ｋ ２ ａ ２ － ｊ ｃ ｕ０ ｅ ｅ ρ （ ） ｄ ｘ ｄ ３ Ｐ ＝ｊ ｙ， ／ ／ ｂ ２ － ａ ２ ｒ － λ ， 其中 ： 到 点 Ｑ（ 的 距 离； ｒ 为微元 ｄ ｓ ｘ， ｚ） ｕ ｙ， ０ 为辐射
ｄｍａ ｘ ＝ ／ 对一个包含较多阵元 （ 一般大 下限分别为λ ２ ｄｍ ≤ λ， ａ ｘ≤ ） 、 ／ ， 于１ 阵元间距大于 的阵列来说 当它的扫描范围 ６ λ２ 不需要涵盖整个空间 ， 即扫描角度小于 １ 时， 仍可以 ８ ０ ° ／ 避免栅瓣的产生 ； 而当阵元间距小于λ 无论扫描 ２ 时， 范围为多少 ， 是绝对不会产生栅瓣 ． 对于包含较少阵元 ） 最大阵元间距 ｄｍ 严格确定 ， 在 的相控阵来说 ， ８ ａ ｘ 由式 （ ／ ， 一些情况下它可能小于λ 否则栅瓣就会产生 ． ２ 阵元间距是影响 主 瓣 宽 度 的 重 要 因 素 之 一 ， 随着 阵元间距的增加 ， 主瓣宽度逐渐变窄 ， 仿真结果如图６ （ ） ／ 所示 ， 图６ 的阵元间 距 为 λ 其主瓣宽度约为０ ａ ２， ． ８ 图 ６（ 的 阵 源 间 距 为 ２λ， 其主瓣宽度约为０ ｍｍ， ｂ） ． ４ ， （ ） 但是当阵 元 间 距 过 大 时 超 过 了 式 ８ 确 定 的 最 ｍｍ． 栅瓣就会出 现 ， 如 图 ６（ 所 示． 因 此， 为了避免 大值 ， ｂ） 栅瓣的产生 ， 同时为了提高阵列的横向分辨率 ， 在确定
摘要 ：超声相控阵技术是近年来无损检测领域的研 究 热 点 ． 通过对超声阵列换能器中各个阵元施加独立的相位控制，
可实现声束的偏转和聚焦 ． 它可以灵活地采用多种扫描方 式 进 行 检 测 ， 检测速度快， 灵敏度、 分 辨 力 与 信 噪 比 高， 能检测 形状复杂的物体 ． 在相控阵超声成像检测中 ， 要获得分辨率高的声聚焦和清晰的图像 ， 声场的好坏是关键 ， 而声场主要取 因此阵列换能器在相控阵超声成像 检 测 中 是 至 关 重 要 的 ． 文中以线性阵列探头为研究对象， 通 决于阵列换能器的设计 ， 过改变探头的参数进行仿真分析 ， 提出优化阵列的设计方法 ．
目前实际检测时 ， 探头多 阵成像检测中是至关重要的 ． 为均匀线阵 ． 均匀线 阵 的 主 要 参 数 包 括 ： 探 头 频 率、 探 阵元间距和阵元大小 ． 头阵元数 、
２ ． ２ 阵列换能器的辐射声场
根据乘积定理
［ １］
３ ． １ 阵元间距的分析
相控阵阵列探头的阵元间距是标定相控阵阵列探 头的关键参数之一 ， 较大的阵元间距能够提高阵列的 但阵元间距设置过大 ， 扫描时就会在实空间出 指向性 ， 栅瓣的能量很大 ， 是形成伪像的主 现不希望有的栅瓣 ， ， 要原因 ． 根据 Ｓ 在超声 ｈ ｉ Ｃ ｈ ａ ｎ Ｗ ｏ ｏ ｈ 等的研究表明 ： － ｇ 对于均匀线阵 ， 如果阵元间距与声波波 相控阵检测时 ， ） 长满足式 （ 关系 ， 那么声束 在 许 可 偏 转 范 围 内， 将不 ７
６］ 具有一个指向角 ， 就形成了发射声束相控偏转效果 ［ ．
１ 超声相控阵检测原理
超声相控阵换能 器 的 设 计 基 于 惠 更 斯 原 理 ， 换能 每个晶片称 器由多个相互独立的 压 电 晶 片 组 成 阵 列 ， 为一个阵元 ， 一般是 由 多 个 阵 元 组 成 的 一 维 或 二 维 阵
３， ６， ９］ 会出现栅瓣 ［ ．
， 如图 ５ 所示的均匀条形线阵的
辐射声场指向性函数等于单个条形矩形阵元的指向性 称为阵元 因 子 ） 与 Ｎ 个位于各阵元中心的线源 函数 （ 组成的阵的指向性函数的乘积 （ 称为阵因子 ） ．
λ ， （ ） ７ １＋ｓ ｉ ｎ θ ｍ ａ ｘ 式中 ： 单 位： 单 位： ｄ 为阵 元 间 距 ， ｍｍ； ｍｍ； λ 为 波 长，
为了完全消除栅瓣的不利影响 ， 需 仍旧不能完全消除 ．
３， ６， ９］ ） 作进一步的强化 ， 最大阵元间距为 ［ 对条件式 （ ７
当 各 阵 元 以 同 频 率、 Ｎ 个线源 组 成 的 均 匀 线 阵 ， 同 相 位、 等 振 幅 振 动 时， 其声压归一化指向性函
８］ ： 数为 ［
Ｎ －１， λ （ ） ８ １＋ｓ ｉ ｎ Ｎ θ ｍ ａ ｘ 式中 ， 当 Ｎ 较大时 ， 它的上限 和 Ｎ 为阵列的阵元数目 ．
收稿日期 ： ２ ０ １ ２ ０ ８ ０ ４ － － ａ ｅ ｏ ｌ ｕ ｓ ｍ ｕ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ ＊ 通信作者 ： ＠ｘ
第３期
施义茂等 ： 超声相控阵探头声场优化设计仿真
·３ ７ １·
图 ２ 相控发射聚焦与偏转 Ｆ ｉ ． ２ Ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ｄ ｌ ａ ｕ ｎ ｃ ｈ ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｆ ｌ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｇ
第５ ２卷 第３期 ０ １ ３年５月 ２
厦门大 学学 报 （ 自然科学版 ）
） Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｘ ｉ ａ ｍ ｅ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｙ（
Ｖ ｏ ｌ ． ５ ２ Ｎ ｏ ． ３ Ｍ ａ ２ ０ １ ３ ｙ
图 ４ 单源矩形换能器 Ｆ ｉ ． ４ Ｍ ｏ ｎ ｏ ｈ ｌ ｅ ｔ ｉ ｃ ｒ ｅ ｃ ｔ ａ ｎ ｕ ｌ ａ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ｇ ｐ ｙ ｇ
·３ ７ ２·
厦门大学学报 （ 自然科学版 ）
２ ０ １ ３年
式中 ： ｏ ｚ 平面上投影与ｚ 轴的夹角 ； θ θ １ 为ｒ 在 ｘ ２ 为ｒ 在ｙ ｋ 为 角 波 数； ａ， ｂ为 ｏ ｚ 平面上投影与ｚ 轴 的 夹 角 ； 阵元在ｘ 方向和ｙ 方向的宽度 ．
辐射面中心处的振速幅值 ． ） 从式 （ 中还可以看出 ， 空间声场的声压大小还与 １ 由于超声具有一定 Ｑ 点与辐射面振动 点 的 距 离 有 关 ， 声压还随时间不同而变化 ． 的传播速度 ，
图 ３ 相控接收器 Ｆ ｉ ． ３ Ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｒ ｅ ｃ ｅ ｉ ｖ ｅ ｒ ｇ
关键词 ： 相控阵 ； 超声检测 ； 聚焦
（ ） 中图分类号 ： Ｔ Ｂ ５ ５ ２ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： ０ ４ ３ ８ ０ ４ ７ ９ ２ ０ １ ３ ０ ３ ０ ３ ７ ０ ０ ６ － － －
已在海洋探查与开发 、 超声波作为一种检测手段 ， 工业无损检测与评价 、 医学诊断等领域发挥了不可替
： ／ ｄ ｏ ｉ １ ０． ６ ０ ４ ３ ０ ４ ７ ９． ２ ０ １ ３． ０ ３． ０ １ ６ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ０ ４ ３ ８ － ｊ
超声相控阵探头声场优化设计仿真
施 义茂 ， 张 建寰 ＊ ， 陈 仲怀 ， 张陈 涛
（ ） 厦门大学物理与机电工程学院 ， 福建 厦门 ３ ６ １ ０ ０ ５
１］ ： 积分表示如下 ［
ｋ ａ ｋ ｂ （ （ ｓ ｉ ｎ ｓ ｉ ｎ ｓ ｉ ｎ ｓ ｉ ｎ θ θ １） ２） ２ ２ ， （ ） ４ ＝ Ｄ（ θ θ １－ ２） ｋ ａ ｋ ｂ ｓ ｉ ｎ ｓ ｉ ｎ θ θ １ ２ ２ ２
Φ ｑ ＝
ｋ ｒ － ｊ １ （ ｅ Φｓ） ， ｄ ｓ － ２ ｎ ｒ π

（ ） １
Baidu Nhomakorabea式中 ： Φ Φ ｓ 为换能器辐射面 Ｓ 上的速度势 ； ｑ 为辐 射 场
Φ ｓ 中任意点 Ｑ 处 的 速 度 势 ； 为换能器辐射面上的法 ｎ
向振速分布 ； ｒ 为辐射面上某积分面 ｄ ｓ 到场 中 Ｑ 点 的 ／ 矢径 ； ｎ为ｄ ｓ 面元的内法线 ； ｋ 为角波数 ， ｋ＝２ π λ． ） 根据式 （ 看出 ， 要 得 到 积 分 计 算 值， 首先要知道 １ 换能器辐射面的形状尺寸和辐射面上法向振速分布表
［ ３］
图 １ 相控阵检测基本原理图 Ｆ ｉ ． １ Ｂ ａ ｓ ｉ ｃ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｈ ａ ｓ ｅ ｄ ａ ｒ ｒ ａ ｇ ｇ ｐ ｙ
本文在研究超声相控阵检测基本原理的基础上 ， 为 少； 对相控阵探头的各个参数 了更好地实现声束的 聚 焦 ， 进行声场仿真 ， 通过 仿 真 分 析 来 说 明 各 个 参 数 对 相 控 阵列的影响 ， 并提出优化声场的措施 ．
ｄ ≤ 单位 ： 角度 ． θ ｍ ａ ｘ为最大偏转角 ， 实际上 ， 当阵元间距小于上式中的临界值时 ， 栅瓣
图 ５ 条形线阵声场计算坐标 Ｆ ｉ ． ５ Ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ａ ｔ ｅ ｓ ｏ ｆ ｓ ｔ ｒ ｉ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｒ ａ ａ ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｇ ｐ ｙ