超声相控阵近场偏转与聚焦离散点源声场仿真

　　引言

　　在工业检测中，由于近场区声场分布不均匀，声轴上的声压幅值随距离变化出现多个极大极小值，因而传统非聚焦超声检测总是尽量避免在近场区对缺陷定量[1]。超声相控阵技术是在传统超声技术基础上提出来的，其优势在于能在不移动探头的情况下实现声束的偏转和聚焦，并且结合计算机技术可以实现电子扫查、扇形扫查和动态聚焦。因此理论上可以在近场区运用聚焦的方法来降低声压极小值的影响，从而提高检测灵敏度，避免发生缺陷误判。瑞利积分法是主要的声场计算方法之一，但它大多数情况下没有解析形式的解[2]。除了远场可以用近似方法求得解析解[3-6]外，对于近场，声场分布一般用数值逐点积分或级数展开方法来计算，但当计算精度较高时会降低计算效率。基于近轴近似的多高斯声束叠加法提高了计算率，可用于计算近场声压，但计算超声相控阵的偏转声场时会产生失真[7-9]。以上均是研究声场计算方法，而分析超声相控阵偏转、聚焦对近场的影响，以优化参数，从而改善检测效果方面的研究暂时还没有。

　　针对换能器近场区存在的必然性，本文对超声相控阵近场声场进行仿真分析。首先，基于瑞利积分法，建立一维线型超声相控阵的辐射声场模型，并进行模型化简，进而应用离散点源法进行数值计算。然后，通过仿真探讨超声相控阵偏转、聚焦特性与近场的关系，从而为使用超声相控阵技术在近场区进行检测时的缺陷分析奠定了基础。

　　1 基础理论

　　1.1 超声相控阵近场偏转和聚焦特性

　　超声相控阵换能器是由多个相互独立的压电晶片组成的阵列，其中每个晶片称为一个阵元。每个阵元可独立地被电子元件驱动，发射、接收超声波，形成一个超声通道。超声相控阵换能器的工作原理是基于惠更斯-菲涅耳原理，当各阵元被同一频率的脉冲信号激励时，空间中的超声波会发生干涉叠加，形成一个超声声场。如果改变单个阵元的激励时间，按照一定的延时规则发射，则各阵元发射的超声波会叠加形成新的波阵面，使发射声束具有偏转或聚焦特性。

　　1.2 近场

　　根据叠加原理，声场中任一点的声压等于声源上各点辐射声压在该点的叠加。距声源较近处的声场干涉效应较明显，在此区域内声压分布会呈现出极大极小值的现象，这样的区域称为近场区。

　　图1为普通圆形超声换能器的声束中心轴线上的声压分布图，可见在距离小于Nd的区域内，声压出现了多个极大极小值，当距离大于Nd时，声压值随距离的增大单调递减，因此最后一个极大值点距声源的距离Nd，被称为近场长度。一维线型超声相控阵换能器由于外型为矩形，中心轴上声压分布与图1有所差别，声压起伏不会这么明显，但仍然符合上述规律，只有超出近场区之外的声压幅值才会随距离单调递减。当换能器孔径D远大于波长λ时，可用(1)式计算近场长度：