约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法及系统，方法包括：计算超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场；计算超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延；根据超声阵列辐射器发出的声波的波长和超声阵列辐射器各阵元的宽度计算超声阵列辐射器各阵元的约束角；根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场、所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延以及所述超声阵列辐射器各阵元的约束角计算约束条件下超声阵列辐射器在介质中的辐射声场。本发明专利技术在计算辐射声场时加入了各阵元的约束条件，使得计算出的辐射声场与实际声场更为接近，提高了计算准确度。提高了计算准确度。提高了计算准确度。

【技术实现步骤摘要】
约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法及系统


[0001]本专利技术涉及超声阵列辐射器辐射声场计算
，特别是涉及一种约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法及系统。

技术介绍

[0002]随着计算机和电子等技术的发展，超声相控阵捡测技术在近几年取得了快速的发展和应用，超声相控阵检测技术具有传统超声波探伤无法比拟的检测优势。其采用超声阵列辐射器，可通过控制各阵元的时延实现声束在任意方向及位置的偏转和聚焦，从而实现在检测区域多角度大范围的扫查。超声阵列参数一旦确定，其辐射声场也随之确定，辐射声场将直接影响待测构件的检测过程及结果。超声阵列辐射声场的特性研究对于阵列的优化设计、选取及检测过程的预测评估具有重要意义。
[0003]在超声阵列辐射器声场特性研究中，目前的研究主要集中在建立阵列声场模型，研究不同阵列参数对声场偏转聚焦性能的影响，但是在建立超声阵列辐射声场模型及数值模拟中，通常设定每个阵列辐射器单元在空间辐射声波是阵元下方空间全角度声覆盖，从而可控制阵列辐射器实现声束任意方向任意位置的偏转及聚焦。但通过研究发现阵列中单个线源的声辐射在不同参数下具有不同的指向性，即超声阵列参数及检测参数的不同导致各阵元声覆盖角度有很大不同，直接影响整体阵列声波束的调控效果。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法及系统，在计算辐射声场时加入各阵元的约束条件，使得计算出的辐射声场与实际声场更为接近，提高计算准确度。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法，包括：
[0007]计算超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场；
[0008]计算超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延；
[0009]根据超声阵列辐射器发出的声波的波长和超声阵列辐射器各阵元的宽度计算超声阵列辐射器各阵元的约束角；
[0010]根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场、所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延以及所述超声阵列辐射器各阵元的约束角计算约束条件下超声阵列辐射器在介质中的辐射声场。
[0011]可选地，所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场的计算公式为：
[0012][0013]其中，p1为超声阵列辐射器各阵元在单层介质中的辐射声场，j为复数，ρ0和c0为介质常量，λ为超声阵列辐射器发出的声波的波长，u
a
为垂直于面源表面的质点振动速度，w为面源的振动角频率，t为时间，a为面源的初始相位，S为辐射面源的面积，k＝2π/λ，k为波数，R为振动质点到辐射声场测试点间的距离，ds为第一积分符号，p2为超声阵列辐射器各阵元在双层介质中的辐射声场，ρ1为双层介质中第一层介质的密度，c1为双层介质中第一层介质中的声速，k1为双层介质中第一层介质的波数，b为1/2超声阵列辐射器阵元宽度，T
p
为界面处的平面波透射系数，r1为声波在双层介质中第一层介质中传播的路程，r2为声波在双层介质中第二层介质中传播的路程，k2为双层介质中第二层介质的波数，c2为双层介质中第二层介质中的声速，θ1为声波在双层介质中第一层介质的入射角，θ2为声波在双层介质中第二层介质层的折射角，dx为第二积分符号。
[0014]可选地，所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算公式为：
[0015][0016]其中，t1为超声阵列辐射器各阵元在单层介质中偏转聚焦所施加的时延，c为单层介质中的声速，F为超声阵列辐射器中心阵元到聚焦点的距离，d为超声阵列辐射器各阵元间的间距，θ为超声阵列辐射器中心阵元到聚焦点声线与聚焦点纵坐标所在坐标轴的夹角，N为超声阵列辐射器阵元数量，T0为避免产生负时延而加入的常数，t2为超声阵列辐射器各阵元在双层介质中偏转聚焦所施加的时延，T
n
为超声阵列辐射器第n个阵元到聚焦点的传播时间，T1为超声阵列辐射器第1个阵元到聚焦点的传播时间。
[0017]可选地，所述超声阵列辐射器各阵元的约束角的计算公式为：
[0018]θ3＝sin
‑1[0.3λ/σ][0019]其中，θ3为超声阵列辐射器各阵元的约束角，λ为超声阵列辐射器发出的声波的波长，σ为超声阵列辐射器各阵元的宽度。
[0020]可选地，所述约束条件下超声阵列辐射器在介质中的辐射声场包括约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场和约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场。
[0021]可选地，所述约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场的计算方法为：
[0022]根据约束条件下超声阵列辐射器各阵元的位置和聚焦点的位置建立平面坐标系；
[0023]根据聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到聚焦点对应的超声阵列辐射器阵元，
获得第一阵元；
[0024]根据所述超声阵列辐射器各阵元的约束角和聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到约束条件下超声阵列辐射器的第一边界对应的阵元，获得第二阵元；
[0025]获取所述第二阵元以所述第一阵元为中心镜像对称的阵元，获得第三阵元；所述第三阵元为约束条件下超声阵列辐射器的第二边界对应的阵元；
[0026]判断所述第三阵元的坐标是否大于约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元的坐标；
[0027]若是，则以所述第二阵元和所述约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场；
[0028]若否，则以所述第二阵元和所述第三阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场。
[0029]可选地，所述约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场的计算方法为：
[0030]根据约束条件下超声阵列辐射器各阵元的位置和聚焦点的位置建立平面坐标系；
[0031]根据聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到聚焦点对应的超声阵列辐射器阵元，获得第四阵元；
[0032]根据所述超声阵列辐射器各阵元的约束角和聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到约束条件下超声阵列辐射器的第三边界对应的初始阵元，获得第五阵元；
[0033]根据所述第五阵元邻近阵元的声扩散角度和所述超声阵列辐射器各阵元的约束角得到约束条件下超声阵列辐射器的第三边界对应的确定阵元，获得第六阵元；
[0034]获取所述第六阵元以所述第四阵元为中心镜像对称的阵元，获得第七阵元；所述第七阵元为约束条件下超声阵列辐射器的第四边界对应的阵元；
[0035]判断第七阵元的坐标是否大于约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元的坐标；
[0036]若是，则以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法，其特征在于，包括：计算超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场；计算超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延；根据超声阵列辐射器发出的声波的波长和超声阵列辐射器各阵元的宽度计算超声阵列辐射器各阵元的约束角；根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场、所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延以及所述超声阵列辐射器各阵元的约束角计算约束条件下超声阵列辐射器在介质中的辐射声场。2.根据权利要求1所述的约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法，其特征在于，所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场的计算公式为：其中，p1为超声阵列辐射器各阵元在单层介质中的辐射声场，j为复数，ρ0和c0为介质常量，λ为超声阵列辐射器发出的声波的波长，u
a
为垂直于面源表面的质点振动速度，w为面源的振动角频率，t为时间，a为面源的初始相位，S为辐射面源的面积，k＝2π/λ，k为波数，R为振动质点到辐射声场测试点间的距离，ds为第一积分符号，p2为超声阵列辐射器各阵元在双层介质中的辐射声场，ρ1为双层介质中第一层介质的密度，c1为双层介质中第一层介质中的声速，k1为双层介质中第一层介质的波数，b为1/2超声阵列辐射器阵元宽度，T
p
为界面处的平面波透射系数，r1为声波在双层介质中第一层介质中传播的路程，r2为声波在双层介质中第二层介质中传播的路程，k2为双层介质中第二层介质的波数，c2为双层介质中第二层介质中的声速，θ1为声波在双层介质中第一层介质的入射角，θ2为声波在双层介质中第二层介质层的折射角，dx为第二积分符号。3.根据权利要求1所述的约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法，其特征在于，所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算公式为：其中，t1为超声阵列辐射器各阵元在单层介质中偏转聚焦所施加的时延，c为单层介质中的声速，F为超声阵列辐射器中心阵元到聚焦点的距离，d为超声阵列辐射器各阵元间的间距，θ为超声阵列辐射器中心阵元到聚焦点声线与聚焦点纵坐标所在坐标轴的夹角，N为超声阵列辐射器阵元数量，T0为避免产生负时延而加入的常数，t2为超声阵列辐射器各阵元在双层介质中偏转聚焦所施加的时延，T
n
为超声阵列辐射器第n个阵元到聚焦点的传播时间，T1为超声阵列辐射器第1个阵元到聚焦点的传播时间。
4.根据权利要求1所述的约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法，其特征在于，所述超声阵列辐射器各阵元的约束角的计算公式为：θ3＝sin
‑1[0.3λ/σ]其中，θ3为超声阵列辐射器各阵元的约束角，λ为超声阵列辐射器发出的声波的波长，σ为超声阵列辐射器各阵元的宽度。5.根据权利要求1所述的约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法，其特征在于，所述约束条件下超声阵列辐射器在介质中的辐射声场包括约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场和约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场。6.根据权利要求5所述的约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法，其特征在于，所述约束条件下超声阵列辐射...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵霞，刘宾，王召巴，陈友兴，金永，王伟，吴其洲，杨凌，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：