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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。

相控阵探头晶片类型

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。

相控阵探头晶片尺寸参数

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。

 晶片宽度a对波束聚焦指向性的影响

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:

 晶片长度b对波束聚焦指向性的影响

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。

晶片间距c对波束聚焦指向性的影响

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。

 激发晶片数量n对波束聚焦指向性的影响

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。

激发晶片数量n对波束聚焦指向性的影响

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

超声相控阵探头近场区计算公式

 聚焦深度F对波束聚焦指向性影响

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。


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