超声相控阵探头声场特性仿真分析

　　超声相控阵探头是把若干个独立的压电晶片单元按照一定的组合方式排成一个阵列,通过控制压电晶片的激励顺序和信号延时,达到对声束方向、焦点位置与大小等声场特性控制的目的。超声相控阵探头的问世虽然已经有20多年的时间,但最早它只被用在医学领域[1]。随着微电子技术与计算机技术的飞速发展以及一些工业部门对无损检测技术的要求不断提高,超声相控阵探头日益受到人们的重视,在工业领域得到了广泛的应用。本文从理论上分析了具有代表性的超声线阵探头的声场特性,并提出优化声场的措施。

　　1　超声波声场的数学模型

　　图1所示为一个具有N个晶片的线阵,各个晶片的间距为δ,第v个晶片的激励电流为Iv,相邻晶片的相位差为ΔB。压电晶片所产生超声波的强度与激励电流成正比,其比例系数为Kv,每个压电晶片的方向图函数为v(θ,φ),第v个晶片与考察方向上的观察点Π的距离为ρv。第v个压电晶片所发射的超声波在Π点的强度Av可以表示为

　　考虑到实际探头各压电晶片的特性相同,Kv与v(θ,φ)为常数,故得Π点的合成声强度为

　　相控阵超声探头压电晶片间距δ<<ρv(v= 0,1,2, …,N- 1)。故可用ρ0代替式(2)右端分母中的ρv。但若把分子中的ρv也用ρ0代替,则它对相邻压电晶片所发射超声波相位差的影响便无法忽略不计。由图1可知

　　而cosαψ= sinθsinφ,若不考虑幅度和相位中的常数项, 则合成声强度A仅是表征波束方向的参数θ、φ的函数。

　　以上结论是把超声波束放在一个三维空间中考查而得到的,为了简便起见,把声束放在一个平面内进行考查,式 (4)可进一步的简化。当波束在ψζ平面上时,φ=π/2。将压电晶片视为一个点声源,则v(θ,φ) = 1,假定激励各个压电晶片的电流大小相等,且取单位值。只考虑式(4)中影响声场强度的量而忽略不影响声场强度的量,便可得到声场的方向图函数

　　2　超声波声场仿真分析

　　为了研究相控阵超声探头声场的特性,我们对影响声场分布的参数:压电晶片数量与间距、超声波的波长、激励电流的相位差取不同的具体值,用Matlab对超声场进行仿真,从而得出相控阵探头声场的特性。

　　2.1　声束主瓣

　　图2是一个用Matlab仿真的相控阵探头声场强度典型分布,在声场中存在一个强度最大的声束瓣,这个声束瓣被称为主瓣。主瓣的宽度Δθ在图中标出。

　　声束主瓣宽度满足以下条件