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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。

相控阵探头组成示意图

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。

模拟激发16和32晶片声场聚焦仿真结果

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。

阵元宽度对超声波声场的影响

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。

 

 阵元中心距与激发阵元数量对超声波声场的影响

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。

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。

偏转角度的公式

公式 [2]

应用数据处理软件计算公式[2],通过控制单一变量法绘制主瓣与频率、偏转角度、阵元数量的关系图,具体处理结果图6所示。

主瓣与频率、偏转角度、阵元数量的关系

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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