超声换能器阵列的多路激发电路设计

　　0 引言

　　超声相控阵列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组成阵列,每个晶片称为一个单元,按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个单元,使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面。同样,在反射波的接收过程中,按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成,再将合成结果以适当形式显示。

　　由其原理可知,相控阵列换能器最显著的特点是可以灵活、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。

　　超声相控阵列技术特别适合航空、航天、船舶、兵器和核工业等行业中普遍大量存在的异型复杂构件的无损检测。

　　如目前对于厚壁工件、粗晶材料和复杂形状工件以及设备和管道中某些焊缝因检测的可达性及可检性差而多数申请免检,如果采用相控阵列技术就可以扩大超声检测应用范围,提高检测可达性,将品质风险降到最低。

　　1 相控发射的原理

　　发射相控波束形成是基于相位补偿原理的。如图1等间距线性换能器阵列12个换能器基元加上同频、同相并且幅度相同的电信号时,由波束形成理论可知,在换能器的中心工作频率上,基阵法线方向上的任意观测点(满足远场条件)各换能器基元接收到的声信号将会同相迭加,声压值最大。而在其他方向上由于有声程差,不可能进行同相迭加,因而声压值较小。若希望主瓣出现在A1方向上,则基阵中各发射换能器基元发出的声波,在A1方向上应产生声压的同相迭加。由图1可以看出,在A1方向远场观测点处,从各个基元发出的信号间出现了声程差,可以表示为相应的时间差或相位差。

　　若以第12号基元为参考基元,则声程差分别为li(i =1,2,,,11),表示到达第号基元的信号比到达基元12的信号少走的路程。对于单频信号来说,可将声程差转换成各个基元间的相位差;第i号基元和参考基元间的相位差为:

　　式中:li—第i号基元发出的声波比第12号基元发出声波少走的路程;

　　Si—第i号基元发出的声波比第12号基元发出声波少用的时间;

　　Φi—第i号基元发出的声波比第12号基元发出声波超前的相位角;

　　d—两相邻基元之间的距离。

　　假设我们能够采用一定的措施,在激励信号上补偿上述声程差,依次使第i号基元滞后于第12号基元一个相位差

　　2 发射波形的产生

　　发射电路的任务就是产生一定形式的大功率电信号。波形产生器的任务是产生具有一定的重复周期、脉冲宽度和填充频率的信号。如要产生频率编码信号或调频信号,就要求信号频率按一定的规律变化。也就是说,发射电路设计任务的第一步是产生发射波形信号。这种信号可以用模拟电路来产生,也可以用数字电路来产生。而现代技术的趋势是用微计算机或DSP控制下的硬件电路产生,如采用直接频率合成器技术,通过读取事先存放在EPROM或RAM之中的波形数据来产生发射信号波形。