线形超声相控阵换能器的阵列设计

　　0 引言

　　超声检测是一种重要的无损检测技术,由于它的穿透能力强、设备简单、使用方便和安全性好,已广泛应用于工业及高技术产业中。随着人们对材料性能和产品质量的日益关注,对检测准确度以及可靠性的要求越来越高,传统A型脉冲反射式超声探伤仪受到探伤结果不直观、数据无法记录存储、存在主观漏检等瓶颈制约,难以对缺陷做出客观的定性、定量、定位分析评价。近来的研究应用表明,将相控阵技术与成像技术相结合的B型超声成像系统,对构件内部具有极好的实时成像能力,可准确检测出物体中的缺陷,并确定其位置、大小和性质,而且相控阵检测系统可以实现形状复杂构件及复杂焊接件焊缝的检测。因此,超声相控阵检测技术成为现代定量无损检测中一种令人瞩目的新技术,有着非常广阔的发展前景。阵列换能器是超声相控阵检测系统中实现电-声转换的传感器件,是超声成像提高质量的关键因素。本文从平面矩形活塞阵元的辐射声场出发,分析了平面线阵换能器的辐射声场,进而讨论了相控阵换能器设计中需要考虑的几个主要问题,并对采用相控阵超声换能器与常规超声换能器探测人工缺陷时的扫查波形进行了比较。

　　1 线阵换能器的设计

　　1.1 超声相控阵工作原理

　　超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。换能器由多个相互独立的压电晶片在空间按一定方式排列组成一个阵列,每个晶片称为一个阵元,当各阵元以同一频率的信号进行激励时,它们所发出的声波是相干的,这些声波在空间干涉后就形成一特定的指向性或聚焦特性。运用电子技术,按一定的规则和时序控制激发各个阵元,使阵列中各阵元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面,在效果上相当于改变了换能器的空间排列形式,从而能够改变换能器阵所辐射的波束形式。同样,在反射波的接收过程中,按一定规则和时序控制接收阵元的接收并进行信号合成,再将合成结果以适当形式显示[1]。

　　由于实现了超声波声束的角度、焦距、焦点尺寸的计算机软件控制和电子控制,可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布,其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调,而且探头内可快速平移声束。

　　1.2 矩形换能器的辐射声场

　　均匀无损耗介质中,嵌在无限大、硬障板内表面积为S的平面换能器,当法向振速分布均匀时,辐射面S所激发的声压场p(r,t)(单位:Pa)可通过Rayleigh积分表示为

　　式中,

　　ρ是介质的密度,kg/m3;

　　c是介质中的声速,m/s;

　　r是换能器上的面积微元ds与场点之间的距离,m;