CN101672824A

CN101672824A - 不规则表面线性相控阵换能器声场计算方法

Info

Publication number: CN101672824A
Application number: CN200910157666A
Authority: CN
Inventors: 徐春广; 赵新玉; 李爽; 肖定国; 周世圆; 王立久; 徐圆飞; 郝娟
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2009-07-23
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2010-03-17

Abstract

本发明提供了一种不规则表面线性相控阵换能器声场计算方法，包括换能器声场计算、波束聚焦控制算法和结构参数对声场特性的影响。不规则表面线性相控阵换能器的形状非常复杂，为了确定每个阵元的中心位置，假设该换能器由多个圆弧阵元组成，在这样的前提下，推导波束聚焦控制算法和计算换能器的声场，并在此基础上分析结构参数对换能器声场特性的影响。利用瑞利积分和非近轴近似模型对上述方法进行了验证，理论计算结果非常吻合，说明所述方法是合理的，对于设计和优化换能器是非常有益处的。

Description

不规则表面线性相控阵换能器声场计算方法

一、技术领域

本发明涉及的是一种不规则表面线性相控阵换能器声场计算，包括声场计算方法、波束控制聚焦算法和结构参数对换能器性能的影响。

二、技术背景

自20世纪80年代起，超声相控阵技术以其灵活的波束偏转和聚焦性能越来越引起人们的重视，具有检测速度快、灵敏度高等优点。目前，线性相控阵换能器由于结构简单、制作方便等原因广泛应用在工业无损检测中。但是，当被测物体表面为非平面或非直线时，采用接触式线性相控阵换能器检测，就不能与被测物体表面接触良好，导致检测灵敏度降低，无法对缺陷进行有效定位。为了克服这些缺点，法国原子能协会提出了柔性相控阵换能器的新概念，而且研制了柔性相控阵系统。该系统能够根据被测物体的表面形状，优化波束控制算法，提高检测灵敏度和定位精度。但是，国内在此方面的研究还比较落后，因此，对特殊形状的相控阵换能器进行理论分析，是设计和优化换能器的基础。随着计算机技术的发展，建模和仿真分析是一种非常有效的方法，为了解其特性提供直观的图像和数据信息，便于进行更加深入的研究，同时缩短设计周期。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种不规则表面线性相控阵换能器的设计方法，为设计新型换能器提供理论参考。

本发明的目的是这样实现的：它包括不规则表面线性相控阵换能器的声场计算方法、波束聚焦控制算法和结构参数对换能器特性的影响。

不规则表面线性相控阵换能器的形状是非常特殊的，为了计算换能器的声场和推导波束聚焦控制算法，首先要确定每个阵元的中心位置。由于不规则表面线性相控阵换能器的形状特殊，假设该换能器由多个圆弧阵元组成，这样就可以确定每个阵元中心的位置和相应的信息，为声场计算和研究波束聚焦控制算法提供确定的信息。在计算单个圆弧阵元的声场时，采用坐标变换和矩形元近似的方法，并利用瑞利积分和非近轴近似高斯模型对该方法进行了验证，计算结果非常吻合。最后，根据上述方法，分析了阵元尺寸和偏转角对声场的影响，为换能器优化设计提供了一种有效的方法。

由于本发明采用了以上的技术方案，能够从理论上了解换能器单阵元的声场特性和结构参数对其影响，为设计和优化换能器提供可靠的参考依据。

四、附图说明

图1是局部坐标系和全局坐标系

图2是单阵元声场计算结果

图3是阵元宽度对声场的影响

图4偏转角对声场的影响

五、具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

不规则表面线性相控阵换能器具有复杂的几何轮廓，为了研究其聚焦规律和声场特性，需要采用新的方法。在研究不规则(任意)表面线性相控阵的聚焦算法和声场时，关键问题是如何确定不规则表面线性相控阵每个阵元的位置和结构参数。

假设不规则表面线性相控阵是由许多圆弧阵元组成的，在这个前提下确定每个阵元中心的位置和相关参数。在xoz平面内，圆的方程为

(x-x₀)²+(z-z₀)²＝R² (1)

其中x₀、z₀为圆的中心坐标，R为圆的半径。

下面结合一个实例进行说明。假设第i个圆弧阵元上三个点的坐标分别为P₁(-5，10)、P₂(-4，6)和P₃(-3，5)时，代入方程(1)解得圆的方程为

x₀＝0.1667，z₀＝9.1667，R＝5.2334

因此，圆的方程为

(x-0.1667)²+(z-9.1667)²＝5.2334² (2)

圆弧阵元宽度所对应的圆心角为

θ_{a} = 2 \times \arcsin \frac{| P_{1} P_{3} |}{2 R} = 2 \times \arcsin \frac{\sqrt{29}}{2 \times 5.2334}

圆弧两个端点的角平分线方程为

4x-10z+91＝0 (4)

把公式(4)代入公式(2)得到圆弧阵元中心的坐标为x_i＝-4.69275，z_i＝7.2229。

根据方程(4)，圆弧阵元中心轴线与z轴的夹角

θ_i＝arctan(-5/2)＝-68.1986°

相控阵换能器波束的聚焦算法，首先要确定每个阵元中心的坐标，然后根据阵元中心与空间场点的位置来确定每个阵元的延迟值。

假设阵列换能器位于xoy平面内，成像平面为xoz面。从第i个阵元中心(x_i，z_i)发射的超声波传播到空间一点P(x_p，z_p)的时间t_i为

t_{i} = \sqrt{{(x_{i} - x_{p})}^{2} + {(z_{i} - z_{p})}^{2}} / c - - - (5)

其中第i个阵元中心的位置根据前面介绍的研究方法确定，c为超声波在介质中的速度。

取t_i中的最大值记作t_max，因此每个阵元的延迟时间τ_i为

τ_i＝t_max-t_i (6)

结合图1，为了便于研究，采用局部坐标系和全局坐标系相结合的方法，在局部坐标系下进行求解，在全局坐标下进行显示。采用坐标变换法，以阵元中心为坐标原点，阵元中心所在的轴线为η轴，建立局部坐标系ξo′η。

结合图2，根据前面的计算结果，利用RSI和NMG两种模型分别计算单阵元二维声场。两种方法的计算结果基本吻合，说明该研究方法是可行的。

结合图3，在曲率半径一定的情况下，分析阵元宽度对单阵元声场的影响。由于阵元宽度与它所对应的圆心角直接相关，因此主要分析θ_a对声场的影响。随着θ_a的减小，单阵元辐射声压逐渐减小。

为了研究方便，在下面的讨论中，以阵元中心在原点为例，分析偏转角对离轴方向声压和二维声场的影响。

结合图4，声压与阵元中心的轴线呈对称分布，对于正的偏转角，随着偏转角度的增加声压逐渐减小，当达到40°左右时，声压达到最小；偏转角继续增加，声压有所增加，但是声压的能量主要集中在阵元中心的轴线上。

Claims

1、一种不规则表面线性相控阵换能器声场计算方法，它包括换能器声场计算方法、波束聚焦控制算法和结构参数对换能器声场特性的影响。

2、如权利要求1所述的不规则表面线性相控阵换能器设计方法，其特征在于，假设该换能器由多个圆弧阵元组成。

3、如权利要求1和2所述的不规则表面线性相控阵换能器设计方法，其特征在于，单阵元的声场采用坐标变换和矩形元近似相结合的方法。

4、如权利要求1所述的不规则表面线性相控阵换能器设计方法，其特征在于，分析阵元宽度和偏转角对换能器声场的影响。