超声相控阵探头参数对声场（主瓣、旁瓣、栅瓣等）的影响

超声波相控阵检测技术逐步应用于工业无损检测领域，得益于电子技术与计算机技术的快速发展。超声相控阵是超声波技术的一种全新的技术，相控阵可以同时激发多个通道作用于独立的晶片，通过控制激发晶片的时间延迟，实现声束偏转与聚焦。

相控阵探头与常规超声波探头不同，相控阵探头可以看做传统超声波探头切割成多个独立的小晶片单元，每个独立的小晶片单元称作一个阵元，单独的阵元可以看作为一个独立声源。阵元的参数是影响相控阵超声声场特性的重要因素，也是关系到相控阵探头性能的决定性的因素。

图1. 相控阵探头组成示意图

一、单一阵元对超声波声场的影响

根据相关研究表明，激发单一的阵元产生的超声波声场呈发散性分布，超声波声场中包含大量的旁瓣波与栅瓣波，阵元宽度w越宽，旁瓣与栅瓣越多。

二、多阵元对超声波声场的影响

某实验通过仿真模拟软件控制单一变量法，仿真控制激发16个阵元，改变聚焦深度，研究聚焦深度对超声波声场的影响；仿真控制相同的聚焦深度，改变阵元数量和阵元宽度对超声波声场的影响。

图2. 模拟激发16晶片声场聚焦仿真结果       图3. 模拟激发32晶片声场聚焦仿真结果

软件模拟结果如图2、图3所示，激发探头阵元数量越多，阵元宽度越大，聚焦效果越好，但是栅瓣和旁瓣反而增多。焦点离探头越远，孔径变大，聚焦效果变差，同时栅瓣和旁瓣干扰更加 明显。

多元阵列探头声场分布情况远远优越于单一阵元。多元阵列探头主声束轴线上的能量较大，但是也出现能量集中旁瓣与栅瓣的。旁瓣与栅瓣的出现会影响测试的结果，特别是栅瓣的影响更大。

三、仿真研究多阵元探头参数对旁瓣与栅瓣的影响

1、阵元宽度、阵元中心距对旁瓣与栅瓣的影响

研究参数包括：（a）超声波的频率、声速、波长，（b）阵元宽度，（c）阵元数，（d）阵元间距，（e）声轴允许偏转角度。

图4所示，为仿真激发相同阵元的前提下改变阵元宽度，研究相控阵探头的阵元宽度对超声波声场的影响。

仿真结果表明：阵元宽度越大超声波声束能量越集中，主瓣宽度越小。但是出现了较多的旁瓣与栅瓣，与图2、图3仿真结构相同。

图4 阵元宽度对超声波声场的影响

图5所示，通过控制单一变量的方法，仿真控制激发16个阵元，改变阵元中心距，研究相控阵探头的阵元中心间距对超声波声场的影响；以及仿真控制相同的阵元中心间距，改变激发阵元数量，研究相控阵探头的激发阵元数量对超声波声场的影响。

仿真结果表明：（1）阵元中心距越宽，对主瓣以外的栅瓣旁瓣抑制效果更好。（2）激发阵元数量越多，主声束能量越集中，主瓣和栅瓣宽度均较小。（3）相邻阵元间隙越大，栅瓣出现的越多。相邻阵元间隙一定时，阵元宽度决定了相邻两阵元间距。所以，阵元宽度宽度应该尽量大，相邻阵元间隙尽量小。

图5. 阵元中心距与激发阵元数量对超声波声场的影响

2、探头频率、偏转角度对旁瓣与栅瓣的影响

（1）为了消除栅瓣的影响，通过相关数据推导出阵元间距的公式。

公式 [1]

• d——阵元中心距
• N——阵元数量
• λ——超声波波长
• θ0——偏转角度

公式[1]可知，阵元中心距与波长成正比，与偏转角度有反比的关系。要获得较大的偏转角度，应减小阵元中心距。

（2）保证栅瓣不出现，通过相关数据可推导出偏转角度的公式，其中Δθ为主瓣宽度。

公式 [2]

图6. 主瓣与频率、偏转角度、阵元数量的关系

四、总结

（1）主瓣宽度与频率成正比，频率越高，主瓣宽度越大，主瓣能量越不集中。反之，主瓣能量越集中。因此，选择较低的频率优化主瓣的能量，但是频率越低超声波声束指向性越差。

（2）阵元中心距越大，主瓣宽度越小，能量越集中，但是最大偏转角受到阵元中心距的影响。

（3）阵元数量越多，主瓣宽度越小，能量越集中，超声波声束指向性越好，聚焦效果越明显，但是增加阵元数量会提高成本。

（4）阵元宽度越大超声波声束能量越集中，主瓣宽度越小，能量越集中，而阵元中心间距越大阵元宽度越大超声波声束能量越集中，主瓣宽度越小，但是出现了较多的旁瓣与栅瓣。（学习笔记）

参考文献：《超声相控阵探头的模型研究与参数优化》

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