超声波相控阵探头晶片参数对波束聚焦指向性的影响

超声波相控阵探头（换能器）是相控阵检测系统核心部位之一，探头晶片种类繁多，可分为一维线形、一维环形、二维面形等，目前多采用一维线性阵列式探头。相控阵探头晶片可视为，由一个长方形晶片被切割成许多个小晶片，形成一维线性阵列探头，每个小晶片形成一个单独的激发通道。

图1 相控阵探头晶片类型

相控阵探头晶片参数是影响超声波声场特性的重要因素，如下图2所示，晶片的参数包括：晶片宽度a、晶片长度b、晶片间距c、晶片间隙d、晶片数量n、激发孔径L（激发晶片总长L=n×c-d）等。

图2 相控阵探头晶片尺寸参数

本文根据“詹湘琳”博士论文《超声相控阵油气管道环焊缝缺陷检测技术的研究》中的声场仿真内容，总结相控阵探头晶片宽度a、晶片长度b、晶片间隙d、晶片数量n、聚焦深度F等参数，对超声波声场特性及旁瓣、栅瓣影响的结论。

1、晶片宽度a：一个单元晶片的矩形短边

晶片宽度a是晶片尺寸的一个重要参数，其对聚焦性能的影响结果如图3。曲线a：a=0.1λ，曲线b：a=0.2λ，曲线c：a=0.5λ，曲线d：a=0.75λ。

图3 晶片宽度a对波束聚焦指向性的影响

图中激发晶片数量n=32，设置聚焦深度F=40mm，晶片间距c=λ/2，声束在焊缝中的偏转角度为45°。晶片宽度a对主瓣没有太大的影响。随着a的增加，栅瓣的幅度逐渐减小，有利于聚焦性能的改善。所以，在探头尺寸一定的情况下，应尽可能地增加阵元宽度。但同时要满足晶片宽度a＜晶片间距c，这样才能构成相控阵系统。但是，晶片宽度a过大，会影响单个晶片的声束扩散角，从而影响整个相控阵系统声束的极限偏转角度。一般晶片宽度值略小于阵元间距即可。

2、晶片长度b：一个单元晶片的矩形长边。

当超声波束偏转角度为45°时，阵元长度b取b=2a，4a，8a，16a，32a，64a时相控阵聚焦指向性三维仿真图4：

图4 晶片长度b对波束聚焦指向性的影响

晶片长度b的增加使主瓣和栅瓣的宽度减小，但b的变化没有改变或减小栅瓣的幅度。晶片长度b是宽度a的2倍时，相控线阵的聚焦指向性极差。而当b=16a时，波束具有良好的指向性和聚焦性。但当b继续增加时，波束的形状没有改变，波束的能量强度却有所减弱。所以，取b≥16a效果最佳。

3、晶片间距c：两个单元晶片之间的中心距

当晶片间距c取c=0.1λ，0.2λ，0.3λ，0.4λ，0.5λ，0.6λ，声束的偏转角度为45°时，波束聚焦指向性如图5所示。

图5 晶片间距c对波束聚焦指向性的影响

当c=3.0λ时，波束的指向性较差，主瓣的范围很宽，不利于检测。随着晶片间距的增加，主瓣宽度逐渐变窄，波束的指向性增强，特别是c=5.0λ时，主瓣的质量明显得到改善。但若继续增加阵元间距，当c=0.6λ时，主瓣开始变形，同时出现了栅瓣，波束的质量变差。

4、激发晶片数量n

当激发晶片数量n分别4，16，32，128，声束的偏转角度45°时，波束聚焦指向性如图6所示。

图6 激发晶片数量n对波束聚焦指向性的影响

当晶片n=4时，波束无法聚焦，旁瓣很大。随着晶片数量的增加，主瓣宽度逐渐变窄，波束聚焦指向性得到逐渐改善，旁瓣幅值逐渐减小。但是随着n的增加，系统的通道数量也随之增加，从而增加了系统的复杂性和成本，一般可取n≥16。

改变激发晶片数量n时，超声波声束聚焦指向性如图7所示。曲线e代表n=8，曲线f代表n=16，曲线g代表n=32，曲线h代表n=64。

图7 激发晶片数量n对波束聚焦指向性的影响

5、聚焦深度F

虽然焦距F不是相控阵换能器的几何参数，但是，由于换能器存在近场区域，会影响声束的聚焦效果。所以，焦距F的选择也会影响检测质量。当焦距F为5mm，10mm，15mm，27mm，50mm，100mm，声束的聚焦指向性如图8所示。此时，n=32，角度45度，a=λ/4，c=λ/2，f=7.5MHz。近场区计算公式：

超声相控阵探头近场区计算公式

图8 聚焦深度F对波束聚焦指向性影响

可计算出换能器的近场区长度约27mm，由图8可知，当聚焦区域在5mm处时，声束无法聚焦，出现分叉。随着聚焦深度的增加，声束的指向性逐步改善，尤其当焦距为15mm时，约为近场长度的三分之二处，波束质量得到明显改善。当焦距位于远场区域的时候，F的增加对声束的改善作用很小。所以，在工业探伤时，应使检测区域至少位于2/3倍近场以外。

6、总结

（1）增加晶片宽度a，主瓣没有太大的影响，但栅瓣的幅度逐渐减小，有利于聚焦性能的改善。

（2）增加晶片长度b，主瓣和栅瓣的宽度减小，但未改变或减小栅瓣的幅度，取b≥16a效果最佳。

（3）增加晶片间距c，主瓣宽度逐渐变窄，波束的指向性增强，增加到一定值后会使主瓣开始变形，同时出现了栅瓣，波束的质量变差。

（4）增加晶片数量n，主瓣宽度逐渐变窄，波束聚焦指向性得到逐渐改善，旁瓣幅值逐渐减小。

（5）增加聚焦深度F，声束的指向性逐部改善，检测区域至少位于2/3倍近场以外。

• 责任编辑：曹智
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