海底管道检测用线聚焦超声探头声场研究

    海底管道超声自动检测系统,又称智能猪,是用于检测管道中缺陷的一种智能装置。其中,超声传感器阵列是其核心部件。它由多个传感器组成。而传感器的结构特点和性能是保证缺陷检出率的关键因素。通过对普通平直探头、斜探头、点聚焦探头[1]、电磁超声探头和线聚焦脉冲探头的结构和性能特点分析后,发现普通平直探头虽扫查面积大,但能量不够集中,对缺陷的探测灵敏度偏低;斜探头由声楔产生的横波不能在液体中传播。而且,管道在运行一段时间后,内表面工况会变得较复杂,也不可能使传感器紧贴管壁进行测量;点聚焦探头虽然能量集中,但扫查面积较小,扫查整个管道所需传感器数目较大,成本和技术实现难度会增加;电磁超声探头尽管有很多优点[2],但由于管道内表面不光滑,很难激发出稳定的超声波,所以也不便采用。只有线聚焦脉冲超声探头是较理想的选择。它的声束扫查面积较大,能量相对集中。它可以离开管道内表面实现检测,以减小智能猪前进阻力和对传感器表面的磨损。它可采用垂直入射或斜入射方式实现管道中缺陷的检测,使缺陷的检出率提高[3]。

    在实际检测过程中,线聚焦探头声束轴线上的声压分布与焦距,对检测结果会产生很大的影响[425],同时也是探头阵列设计的理论依据。为此,论文推导了这种线聚焦脉冲超声探头的声场模型。并针对特定水浸聚焦探头,进行了数值模拟,得到了其声束轴线上的声压分布与焦距,与实测结果相符。

    1　数学模型

    超声传感器采用平面型矩形压电晶片,由柱形曲面声透镜聚焦声束。为了方便其声场数学模型的建立,采用图1所示的两套坐标系。直角坐标系原点在声透镜背面中心上(见图1(a)),x、y轴分别为透镜长度和高度方向,z轴垂直于透镜背平面(xoy面)。图中a、b分别为压电晶片的长度和宽度;柱面坐标系是取透镜内表面的圆柱体几何中心作为原点,r是透镜的曲率半径,θ是透镜曲面上的点在yoz平面上的投影与z轴正方向的夹角。

    假设晶片由一系列点源组成,每个点源向外发射单一频率的球面波,设球面波声压为P1,不考虑点源之间的相互干涉,且假设到达声透镜背面(xoy面)的时间相同。则

        P₁=p0exp(jω0t)            (1)

式中p0为原始声信号幅值;ω0为超声波中心频率。声束到达透镜后,由于在透镜中的声程不同,声波出现相位上的变化,此时透镜的作用相当于相位变换器,假设声波在透镜中按球面波衰减,则到达透镜曲面上的声压P2为

式中c1为透镜材料中的声速。把透镜曲面上的点作为二次点源,向外发射球面波,不考虑它们间的相互干涉,则空间一点M(x,y,z)处,由透镜曲面上一点发射到该点的声压P3为