圆弧形线性超声相控阵声场计算方法技术

本发明专利技术提供的是一种圆弧形线性超声相控阵换能器声场计算方法。它包括波束控制聚焦算法、声场计算方法和结构参数对声场特性的影响。所述的计算方法利用角度法表示换能器阵元的位置信息，从而推导出圆弧形线性相控阵换能器的波束控制聚焦算法；将圆弧阵元近似为矩形阵元，并结合坐标变换，计算圆弧形线性相控阵的声场，分别采用瑞利积分和非近轴近似多高斯模型对这种方法进行了仿真验证，结果非常吻合。而且，本发明专利技术分析了结构参数对声场特性的影响，为设计优化换能器提供了理论依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及是一种，这种方法为设计和研究特殊形状的阵列换能器提供了理论依据。二
技术介绍
在超声检测中， 一般采用接触式测量方法。当被测物体表面形状为非平面时， 如果采用线性相控阵换能器进行检测，由于接触不匹配会降低检测灵敏度，无法对缺陷 进行准确定位。在这样的情况下，有必要研制特殊形状的阵列换能器以满足复杂的检测 要求。由于计算机技术的迅速发展，建模分析和仿真计算为研制和分析换能器性能提供 了非常有效的方法，能够更加直观地反映换能器的声场特性，并且优化换能器的结构参 数。 圆弧形线性相控阵换能器是一种结构简单的曲面线性相控阵换能器，每个阵元 具有相同的曲率半径，阵元的位置信息容易表示。而不规则表面的线性相控阵换能器可 以近似为由多个圆弧阵元组成，不同的是圆弧阵元具有不同的曲率半径。因此，圆弧形 线性相控阵换能器是研究和设计复杂形状相控阵换能器的基础，具有重要的研究价值。三
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服在检测复杂表面形状的对象时，线性相控阵换能器存 在的不足，而提供一种规则表面线性相控阵换能器的声场计算方法，为设计和优化换能 器提供理论参考依据。 本专利技术的目的是这样实现的它包括圆弧形线性超声相控阵波束控制的聚焦算 法、声场计算方法和阵列参数对相控阵声场的影响；所述的圆弧形线性超声相控阵波束 控制的聚焦算法采用角度法来表示阵元的位置信息，从而推导出波束控制的聚焦定律； 所述的声场计算方法，采用圆弧阵元近似为矩形阵元和坐标变换相结合的方法，首先计 算出单个圆弧阵元的声场，然后根据惠更斯原理，相控阵换能器的声场等于多个阵元声 场的叠加；所述的阵列参数对相控阵声场的影响，主要研究阵元数、阵元宽度和阵元间 距对声场的影响。四附图说明 图1是圆弧形线性相控阵换能器结构示意图； 图2是在不同空间位置线性阵列和圆弧形线性阵列延迟时间的计算结果； 图3是坐标系变换； 图4是单个圆弧阵元的几何形状；图5是二维声场计算结果(F = 20， es = o° ); 图6是二维声场计算结果(F = 20， es = 5° ); 图7是阵元数不同时的聚焦声场3 图8是阵元宽度不同时的换能器声场； 图9是换能器偏转聚焦声场； 图10是阵元高度对声场的影响。五具体实施例方式下面结合附图举例对本专利技术作更详细的描述 结合图l，假设圆弧形线性相控阵由线性相控阵变形而成，根据等长原理，线性 阵列的孔径D等于圆弧形线性阵列的弧长L D = L = 9 C/180X Ji XR (1) 其中R为曲率半径，e。为圆弧形线性阵列的弧长所对应的圆心角。 结合图l，圆弧阵元的宽度和相邻两个阵元的间距分别用符号a。、 d。表示，它们所对应的圆心角分别定义为e,和ed，满足下面的关系式 (N-i)ed+ea= ec (2)其中N为阵元数。第i个阵元中心所对应的圆心角为—ft +12 (3)R-Rcos 9 l0在直角坐标系下，第i个阵元的中心坐标为Xl = Rsin 9 i， Zl 结合图l，依据上面的条件，在xoz平面内，每个阵元延迟时间的计算公式为=(,，- Z(Fsin《-i sinS —)2 +cos《+cos《- A)2)/c' + f=F 1 —,1 + 2J —、(1 —cos试)一2—cos《+ 2—cos说+《)c十(4)c为超声波在介质其中、为第i个阵元的延迟时间，F为焦距，9s为偏转角， 中的速度，9i为第i个阵元中心与z轴之间的夹角。 当？>>11时，、- F/c+t。 结合图l，以8个圆弧阵元组成的圆弧形线性相控阵换能器为例，根据上面的研究方法，当e。 = eo° ， ea = 4° ， ed = s°时，空间位置不同时，分别计算线性相控阵和圆弧形线性相控阵每个阵元的延迟时间。 结合图2，当阵元的形状和位置改变时，在空间某点计算得到的每个阵元的延迟 时间是不同的，所产生的聚焦效果也是不同的；当被测物体表面形状改变时，如果还是 采用传统的线性阵列换能器进行检测，就会影响实际的聚焦效果，因此应该根据被测物 体表面的情况，研究新的聚焦延迟算法以适应不同的检测要求。 由于圆弧形线性相控阵的每个阵元并不在同一个平面内，为了研究方便，在计 算每个阵元在空间点P处产生的声压时，采用坐标变换，将点P转换到新的坐标系下进行 计算。 结合图3，经过平移和旋转变换后，建立的新坐标系(^o' nj。其中坐标原点o'为第i个阵元中心，^轴为第i个阵元的中心轴线。根据几何关系，点P在新坐标系下转换公式为= (:p墜,)eo械'+ (5 一 5)sin《 ，,'=-- i )sin《+ ( -)cos《 (5) 其中(Xi， zO为第i个阵元在原坐标系的中心坐标，(lpi， n》为点P在 do' nO坐标系下的坐标。 结合图4，单个阵元经过坐标变换后，根据弦长公式，得到阵元的宽度a。和阵元 间距dc为ac = 2Rsin( 9 a/2)， dc = 2Rsin( 9 d/2)(6) 当ej艮小时，sin(9a/2) ea/2， ac R9a，即单个圆弧阵元可以近似为单个矩形阵元。 以一个曲率半径R二 20mm，圆心角e 。 = 60°圆弧形线性相控阵为例，当换能 器的中心频率f。 = 5MHz，阵元数N = 8， 9 a = 4° ， 9 d = 7° ，焦距F = 20mm，偏 转角分别为e s = 5°和e s = 0°采用瑞利积分(RSI)和非近轴近似(NMG)模型计算得到 的相控阵换能器的二维声场图。 结合图5和图6，采用RSI和NMG两种模型得到的二维声场计算结果非常吻合。 为了研究圆弧形线性相控阵阵元间距d。对声场特性的影响，取阵元宽度a。为固 定值，即93不变，通过改变阵元数N，观察阵元间距对声压和波束特性的影响。 结合图7，以9a = 3°为例，在xoz平面内，当波束在(O， 20)处聚焦时，随着 阵元数N的增大，聚焦处的声压逐渐增大，主瓣宽度变窄，栅瓣渐渐消除。因此可以通 过增加阵元数的方法，来消除栅瓣，增强主瓣的能量。 结合图8，当阵元数固定时，通过增大阵元宽度即ea，观察阵元间距和阵元宽度对波束特性和声压的影响。当N = io时，e a取不同的值时，在满足e a < e d的情况下，增加93不仅可以增加声压而且还能改变波束特性。 结合图9，当波束在(5， 0， 20)点聚焦时，波束偏转聚焦后声场能量得到了增 强；增大阵元宽度，声场能量也得到增强。通过上面分析，当9d<6°时，可以基本消除栅瓣；在阵元数一定的清况下， 可以增加阵元宽度来提高声场的能量。 根据上面的分析结果，以IO个阵元组成的圆弧形线性相控阵换能器为例，改变 阵元高度b的值，观察声场的变化情况。 结合图IO，当b不同时，采用NMG模型计算该换能器的二维声场；阵元高度对 声场的影响并不明显，可以从加工制作方面考虑选择合适的值。权利要求一种圆弧形线性超声相控阵换能器声场计算方法，它包括波束控制聚焦算法、声场计算方法和结构参数对声场的影响。其特征在于圆弧形线性超声相控阵换能器是由多个圆弧阵元组成的，每个阵元的位置并不在同一个平面内，为了推导出波束控制的聚焦算法，必须采用新的方法来表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种圆弧形线性超声相控阵换能器声场计算方法，它包括波束控制聚焦算法、声场计算方法和结构参数对声场的影响。其特征在于：圆弧形线性超声相控阵换能器是由多个圆弧阵元组成的，每个阵元的位置并不在同一个平面内，为了推导出波束控制的聚焦算法，必须采用新的方法来表示换能器阵元的位置；根据惠更斯原理，在计算圆弧形线性相控阵换能器的声场时，首先计算单个圆弧阵元的声场，然后进行相应的延迟后进行叠加；分析结构参数，包括阵元宽度、阵元间距、阵元数和阵元高度对声场的影响。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐春广，肖定国，李爽，周世圆，赵新玉，徐圆飞，王立久，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：11[]