相控阵声束焦距及换能器孔径综合优化的实验研究

　　相控阵超声声束的聚焦技术具有常规超声无法比拟的独特优势,其焦点尺寸和聚焦位置连续动态可调,从而无需频繁更换换能器即可在较大范围内保证一致的检测灵敏度和分辨力,提高了检测效率和精度。研究表明[1-2],聚焦效果的好坏是影响检测效果的主要因素,只有使相控阵超声声束实现最佳聚焦才能充分发挥其优势。然而,换能器频率、孔径、阵元尺寸、焦距、扫查角度等诸多参数均对声束的聚焦造成影响[3],且这些参数之间往往具有复杂的相互关联和制约关系,给实际检测中参数的选取和设置带来很大困难。其中,焦距和换能器孔径是最具代表性且相互关联的两个参数,对聚焦效果的影响尤为显著[4-9]。明确二者之间的相互关联和制约关系以及优化原则,为相控阵超声检测的参数选取和设置提供参考,具有重要意义。

　　针对上述问题,本文在深入研究相控阵超声的声束形成和声束聚焦原理的基础上,采用实验方法研究了聚焦对成像质量的影响,并测定不同深度<3横通孔的A扫描回波幅度,分析讨论了声束的焦距和换能器孔径这两个关联性参数的最佳匹配方式,以期为相控阵超声检测技术的工程应用提供参考。

　　1 基本原理

　　1.1 相控阵超声声束形成原理

　　相控阵超声检测技术通过控制阵列换能器中每个阵元发射(或接收)脉冲的时间延迟,从而改变由各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)物体内某点时的相位,实现声束的聚焦、偏转等效果,并形成相控声束。图1是一维线型阵列换能器通过时间延迟控制实现声束聚焦的示意图。在发射聚焦时,两端阵元最先激励,逐渐向中间阵元加大延迟,最终各阵元的波阵面在介质内合成一个新的波阵面,并指向一个曲率中心即焦点P处实现声束的聚焦。在P点声波同相叠加而增强,在P点以外则因异相叠加而减弱,甚至抵消。

　　设阵元间距为d,阵列换能器孔径为D,焦距为F,媒质声速为c。以阵列中心为参考点,根据几何声程差可计算出为使各阵元发射的声波在P点聚焦,所要求的激励信号时间延迟[10]

　　式中,t0是一个足够大的时间常数,以避免Sfi出现负的延迟时间;第i个阵元到阵列中心的距离Bi=|[i-(N+1)/2]d |,i=1,2...N。

　　τfi为发射聚焦延迟,可通过改变Sfi来改变焦距F。接收聚焦是一个与发射聚焦互逆的过程,同样遵循几何聚焦延迟规律。各阵元接收到回波信号后,按设计的聚焦延迟量延迟后相加。

　　1.2 相控阵超声聚焦声束特性

　　在采用相控阵超声检测技术进行检测时,焦点处通常具有最大的声强和最窄的主声束宽度,因此,利用聚焦技术可以较好地控制声束能量位置,并提高检测分辨力。