CN113049092B - 约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法及系统，方法包括：计算超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场；计算超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延；根据超声阵列辐射器发出的声波的波长和超声阵列辐射器各阵元的宽度计算超声阵列辐射器各阵元的约束角；根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场、所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延以及所述超声阵列辐射器各阵元的约束角计算约束条件下超声阵列辐射器在介质中的辐射声场。本发明在计算辐射声场时加入了各阵元的约束条件，使得计算出的辐射声场与实际声场更为接近，提高了计算准确度。

Description

约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法及系统

技术领域

本发明涉及超声阵列辐射器辐射声场计算技术领域，特别是涉及一种约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法及系统。

背景技术

随着计算机和电子等技术的发展，超声相控阵捡测技术在近几年取得了快速的发展和应用，超声相控阵检测技术具有传统超声波探伤无法比拟的检测优势。其采用超声阵列辐射器，可通过控制各阵元的时延实现声束在任意方向及位置的偏转和聚焦，从而实现在检测区域多角度大范围的扫查。超声阵列参数一旦确定，其辐射声场也随之确定，辐射声场将直接影响待测构件的检测过程及结果。超声阵列辐射声场的特性研究对于阵列的优化设计、选取及检测过程的预测评估具有重要意义。

在超声阵列辐射器声场特性研究中，目前的研究主要集中在建立阵列声场模型，研究不同阵列参数对声场偏转聚焦性能的影响，但是在建立超声阵列辐射声场模型及数值模拟中，通常设定每个阵列辐射器单元在空间辐射声波是阵元下方空间全角度声覆盖，从而可控制阵列辐射器实现声束任意方向任意位置的偏转及聚焦。但通过研究发现阵列中单个线源的声辐射在不同参数下具有不同的指向性，即超声阵列参数及检测参数的不同导致各阵元声覆盖角度有很大不同，直接影响整体阵列声波束的调控效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法及系统，在计算辐射声场时加入各阵元的约束条件，使得计算出的辐射声场与实际声场更为接近，提高计算准确度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法，包括：

计算超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场；

计算超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延；

根据超声阵列辐射器发出的声波的波长和超声阵列辐射器各阵元的宽度计算超声阵列辐射器各阵元的约束角；

根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场、所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延以及所述超声阵列辐射器各阵元的约束角计算约束条件下超声阵列辐射器在介质中的辐射声场。

可选地，所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场的计算公式为：

其中，p₁为超声阵列辐射器各阵元在单层介质中的辐射声场，j为复数，ρ₀和c₀为介质常量，λ为超声阵列辐射器发出的声波的波长，u_a为垂直于面源表面的质点振动速度，w为面源的振动角频率，t为时间，a为面源的初始相位，S为辐射面源的面积，k＝2π/λ，k为波数，R为振动质点到辐射声场测试点间的距离，ds为第一积分符号，p₂为超声阵列辐射器各阵元在双层介质中的辐射声场，ρ₁为双层介质中第一层介质的密度，c₁为双层介质中第一层介质中的声速，k₁为双层介质中第一层介质的波数，b为1/2超声阵列辐射器阵元宽度，T_p为界面处的平面波透射系数，r₁为声波在双层介质中第一层介质中传播的路程，r₂为声波在双层介质中第二层介质中传播的路程，k₂为双层介质中第二层介质的波数，c₂为双层介质中第二层介质中的声速，θ₁为声波在双层介质中第一层介质的入射角，θ₂为声波在双层介质中第二层介质层的折射角，dx为第二积分符号。

可选地，所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算公式为：

其中，t₁为超声阵列辐射器各阵元在单层介质中偏转聚焦所施加的时延，c为单层介质中的声速，F为超声阵列辐射器中心阵元到聚焦点的距离，d为超声阵列辐射器各阵元间的间距，θ为超声阵列辐射器中心阵元到聚焦点声线与聚焦点纵坐标所在坐标轴的夹角，N为超声阵列辐射器阵元数量，T₀为避免产生负时延而加入的常数，t₂为超声阵列辐射器各阵元在双层介质中偏转聚焦所施加的时延，T_n为超声阵列辐射器第n个阵元到聚焦点的传播时间，T₁为超声阵列辐射器第1个阵元到聚焦点的传播时间。

可选地，所述超声阵列辐射器各阵元的约束角的计算公式为：

θ₃＝sin^-1[0.3λ/σ]

其中，θ₃为超声阵列辐射器各阵元的约束角，λ为超声阵列辐射器发出的声波的波长，σ为超声阵列辐射器各阵元的宽度。

可选地，所述约束条件下超声阵列辐射器在介质中的辐射声场包括约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场和约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场。

可选地，所述约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场的计算方法为：

根据约束条件下超声阵列辐射器各阵元的位置和聚焦点的位置建立平面坐标系；

根据聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到聚焦点对应的超声阵列辐射器阵元，获得第一阵元；

根据所述超声阵列辐射器各阵元的约束角和聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到约束条件下超声阵列辐射器的第一边界对应的阵元，获得第二阵元；

获取所述第二阵元以所述第一阵元为中心镜像对称的阵元，获得第三阵元；所述第三阵元为约束条件下超声阵列辐射器的第二边界对应的阵元；

判断所述第三阵元的坐标是否大于约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元的坐标；

若是，则以所述第二阵元和所述约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场；

若否，则以所述第二阵元和所述第三阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场。

可选地，所述约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场的计算方法为：

根据约束条件下超声阵列辐射器各阵元的位置和聚焦点的位置建立平面坐标系；

根据聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到聚焦点对应的超声阵列辐射器阵元，获得第四阵元；

根据所述超声阵列辐射器各阵元的约束角和聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到约束条件下超声阵列辐射器的第三边界对应的初始阵元，获得第五阵元；

根据所述第五阵元邻近阵元的声扩散角度和所述超声阵列辐射器各阵元的约束角得到约束条件下超声阵列辐射器的第三边界对应的确定阵元，获得第六阵元；

获取所述第六阵元以所述第四阵元为中心镜像对称的阵元，获得第七阵元；所述第七阵元为约束条件下超声阵列辐射器的第四边界对应的阵元；

判断第七阵元的坐标是否大于约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元的坐标；

若是，则以所述第六阵元和所述约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场；

若否，则以所述第六阵元和所述第七阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场。

一种约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算系统，包括：

第一计算模块，用于计算超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场；

第二计算模块，用于计算超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延；

第三计算模块，用于根据超声阵列辐射器发出的声波的波长和超声阵列辐射器各阵元的宽度计算超声阵列辐射器各阵元的约束角；

第四计算模块，用于根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场、所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延以及所述超声阵列辐射器各阵元的约束角计算约束条件下超声阵列辐射器在介质中的辐射声场。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法及系统，方法包括：计算超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场；计算超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延；根据超声阵列辐射器发出的声波的波长和超声阵列辐射器各阵元的宽度计算超声阵列辐射器各阵元的约束角；根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场、所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延以及所述超声阵列辐射器各阵元的约束角计算约束条件下超声阵列辐射器在介质中的辐射声场。本发明在计算辐射声场时加入了各阵元的约束条件，使得计算出的辐射声场与实际声场更为接近，提高了计算准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法流程图；

图2为本发明实施例提供的超声阵列辐射器在多层介质中的折射声场示意图；

图3为本发明实施例提供的超声阵列辐射器在单层介质中的声束偏转聚焦时延示意图；

图4为本发明实施例提供的超声阵列辐射器在双层介质中的声束偏转聚焦时延示意图；

图5为本发明实施例提供的一维线源声辐射约束示意图；

图6为本发明实施例提供的约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场计算示意图；

图7为本发明实施例提供的约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场计算示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法及系统，在计算辐射声场时加入各阵元的约束条件，使得计算出的辐射声场与实际声场更为接近，提高计算准确度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法包括：

步骤101：计算超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场。其中，所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场的计算公式为：

其中，p₁为超声阵列辐射器各阵元在单层介质中的辐射声场，j为复数，ρ₀和c₀为介质常量，λ为超声阵列辐射器发出的声波的波长，u_a为垂直于面源表面的质点振动速度，w为面源的振动角频率，t为时间，a为面源的初始相位，S为辐射面源的面积，k＝2π/λ，k为波数，R为振动质点到辐射声场测试点间的距离，ds为第一积分符号，p₂为超声阵列辐射器各阵元在双层介质中的辐射声场，ρ₁为双层介质中第一层介质的密度，c₁为双层介质中第一层介质中的声速，k₁为双层介质中第一层介质的波数，b为1/2超声阵列辐射器阵元宽度，T_p为界面处的平面波透射系数，r₁为声波在双层介质中第一层介质中传播的路程，r₂为声波在双层介质中第二层介质中传播的路程，k₂为双层介质中第二层介质的波数，c₂为双层介质中第二层介质中的声速，θ₁为声波在双层介质中第一层介质的入射角，θ₂为声波在双层介质中第二层介质层的折射角，dx为第二积分符号。

步骤101原理为：

计算在单层介质中的辐射声场时，根据瑞利-索末菲理论，将超声阵列辐射器表面分成无限多个小面源，每个面源各点的振动可看成是均匀的，根据叠加原理，在超声阵列辐射器辐射的空间中任意点的总声场为平面声源中所有面源在该点产生的声场总和，即声场总和p₀为：

设超声阵列辐射是活塞式声源，则面源上各点的振动幅值和相位是相同的，因此活塞式辐射器在空间中任意位置点的声场，也就是超声阵列辐射器各阵元在单层介质中的辐射声场p₁为：

计算在双层介质中的辐射声场时，超声阵列辐射器通过界面辐射声波到达第二层介质，根据射线理论，如图2所示，从单位面声源上的一个点x′开始传播，声束沿着一束射线从x′传播到界面上，经界面折射到达二界面的点x，路径在界面处必须满足斯奈尔定律，可得到声束传输到达x处的声场，也就是超声阵列辐射器各阵元在双层介质中的辐射声场p₂为：

步骤102：计算超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延。其中，所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算公式为：

其中，t₁为超声阵列辐射器各阵元在单层介质中偏转聚焦所施加的时延，c为单层介质中的声速，F为超声阵列辐射器中心阵元到聚焦点的距离，d为超声阵列辐射器各阵元间的间距，θ为超声阵列辐射器中心阵元到聚焦点声线与聚焦点纵坐标所在坐标轴的夹角，N为超声阵列辐射器阵元数量，T₀为避免产生负时延而加入的常数，t₂为超声阵列辐射器各阵元在双层介质中偏转聚焦所施加的时延，T_n为超声阵列辐射器第n个阵元到聚焦点的传播时间，T₁为超声阵列辐射器第1个阵元到聚焦点的传播时间。

步骤102原理为：

计算在单层介质中偏转聚焦所施加的时延时，如图3所示，超声阵列辐射器阵元数为N，以阵列右偏聚焦为例，聚焦点坐标为(x₁,z₁)，d为超声阵列辐射器各阵元间的间距，c为介质中的声速，l_n、l₁分别为第n个阵元、第1个阵元到聚焦点(x₁,z₁)的距离，F为中心阵元到聚焦点(x₁,z₁)的距离，θ′为中心阵元到聚焦点(x₁,z₁)声线与z轴的夹角。为使声束偏转聚焦于(x₁,z₁)点，各阵元偏转聚焦所施加的时延，也就是超声阵列辐射器各阵元在单层介质中偏转聚焦所施加的时延t₁为:

计算在双层介质中偏转聚焦所施加的时延时，如图4所示，聚焦位置为第二层介质中的聚焦点(x₂,y₂)，为使所有阵元发射的声波同时到达(x₂,y₂)点，需计算得到每个阵元间的延时差，以阵元1为例，阵元1距坐标0点位置距离为q₁，在界面处入射角为θ₄，折射角为θ₅，第一层介质厚度为D，阵元1到界面M点的横向距离为q₂，其中x₂，y₂，q₁，D为已知，根据斯涅尔定律，有

反解上式，可求出q₂的值，从而得到阵元1到聚焦点(x₂,y₂)的路程D₁+D₂以及传播时间T₁，其中，

同理可求出阵元n到聚焦点(x₂,y₂)的传播时间T_n，从而可得到为使声束偏转聚焦于第二层介质中的聚焦点(x₂,y₂)时，各阵元在双层介质中偏转聚焦所施加的时延t₂，t₂＝T_n-T₁+T₀。

步骤103：根据超声阵列辐射器发出的声波的波长和超声阵列辐射器各阵元的宽度计算超声阵列辐射器各阵元的约束角。

从超声阵列辐射器中取出单个阵元，单个阵元作为一维线源，线源前方辐射区域可看作是轴对称的，采用圆柱坐标系描述其波动方程。如图5所示，设σ为线阵元宽度，G₁和G₂分别表示介质中点p(r,θ)到线阵源上端和线阵源上无穷小单元G_x的距离。设定线阵元宽度σ远小于距离G₁，则无穷小单元在点p(r,θ)处的声场为：

其中，函数

从而推导出线阵元在辐射空间远场的声场

从而得到线源的约束条件为，

从而得到线源的约束角θ₃＝sin^-1[0.3λ/σ]。其中，θ₃为超声阵列辐射器各阵元的约束角，λ为超声阵列辐射器发出的声波的波长，σ为超声阵列辐射器各阵元的宽度。

步骤104：根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场、所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延以及所述超声阵列辐射器各阵元的约束角计算约束条件下超声阵列辐射器在介质中的辐射声场。其中，所述约束条件下超声阵列辐射器在介质中的辐射声场包括约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场和约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场。

在本实施例中，所述约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场的计算方法为：

根据约束条件下超声阵列辐射器各阵元的位置和聚焦点的位置建立平面坐标系。

根据聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到聚焦点对应的超声阵列辐射器阵元，获得第一阵元。

根据所述超声阵列辐射器各阵元的约束角和聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到约束条件下超声阵列辐射器的第一边界对应的阵元，获得第二阵元。

获取所述第二阵元以所述第一阵元为中心镜像对称的阵元，获得第三阵元；所述第三阵元为约束条件下超声阵列辐射器的第二边界对应的阵元。

判断所述第三阵元的坐标是否大于约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元的坐标。

若是，则以所述第二阵元和所述约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场。

若否，则以所述第二阵元和所述第三阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场。

如图6所示，建立声场计算坐标系，阵元数量为N，以声束相对于阵列中心阵元右偏聚焦为例，为使超声阵列偏转聚焦到点(x₃,y₃)，根据约束角θ以及x₃的值找到其正对应的M1号阵元，根据M1号阵元找到其以M号阵元为中心镜像对称的右边界N1号阵元，如果N1＞N，即N1号阵元在N号阵元的右侧，则将M1号阵元作为左边界，N号阵元作为右边界。如果N1≤N，即N1号阵元在N号阵元的左侧或N1号阵元就是N号阵元，则将M1号阵元作为左边界，N1号阵元作为右边界。约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场计算公式为：

其中，p₁(x，y)为超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场，q₁为左边界对应的阵元在超声阵列辐射器阵元中的位置数，q₂为右边界对应的阵元在超声阵列辐射器阵元中的位置数。

在本实施例中，所述约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场的计算方法为：

根据约束条件下超声阵列辐射器各阵元的位置和聚焦点的位置建立平面坐标系。

根据聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到聚焦点对应的超声阵列辐射器阵元，获得第四阵元。

根据所述超声阵列辐射器各阵元的约束角和聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到约束条件下超声阵列辐射器的第三边界对应的初始阵元，获得第五阵元。

根据所述第五阵元邻近阵元的声扩散角度和所述超声阵列辐射器各阵元的约束角得到约束条件下超声阵列辐射器的第三边界对应的确定阵元，获得第六阵元。

获取所述第六阵元以所述第四阵元为中心镜像对称的阵元，获得第七阵元；所述第七阵元为约束条件下超声阵列辐射器的第四边界对应的阵元。

判断第七阵元的坐标是否大于约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元的坐标。

若是，则以所述第六阵元和所述约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场。

若否，则以所述第六阵元和所述第七阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场。

如图7所示，建立声场计算坐标系，阵元数量为N。以声束相对于阵列中心阵元右偏聚焦为例，为使超声阵列偏转聚焦到第二层介质中的点(x₄,y₄)，根据x₄的值找到其正对的超声阵列中的M号阵元，根据约束角θ及y₄的值，找到其正对应的左边界M1号阵元，由于声波在多层介质传播中倾斜入射界面时存在折射定律，因此M1号阵元实际声传播路径及声扩散角度

要小于θ，因此直接计算M1号阵元左侧第一个阵元，即M2号阵元的声扩散角度

，如果

，则直接确定左边界为M2号阵元，如果

，则计算M2号阵元左侧第一个阵元的扩算角度，直到找到扩算角度大于等于约束角的阵元，进而确定左边界的阵元。根据搜索得到的左边界阵元找到其以M号阵元为中心镜像对称的右边界N1号阵元，确定右边界阵元的方式和计算单层介质中的辐射声场时一样。约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场计算公式为：

其中，p₂(x，y)为超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场，q₁为左边界对应的阵元在超声阵列辐射器阵元中的位置数，q₂为右边界对应的阵元在超声阵列辐射器阵元中的位置数。

本实施例还提供了一种约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算系统，包括：

第一计算模块，用于计算超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场；

第二计算模块，用于计算超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延；

第三计算模块，用于根据超声阵列辐射器发出的声波的波长和超声阵列辐射器各阵元的宽度计算超声阵列辐射器各阵元的约束角；

第四计算模块，用于根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场、所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延以及所述超声阵列辐射器各阵元的约束角计算约束条件下超声阵列辐射器在介质中的辐射声场。

本发明在计算超声阵列辐射声场时加入了各阵元的约束性条件，使得数值模拟得到的超声阵列声场与实际声场更为接近，提高了声场计算对实际检测应用的指导作用。

本发明在计算约束性声场时采用了快速搜索计算方法，提高了声场计算效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法，其特征在于，包括：

计算超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场；

计算超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延；

根据超声阵列辐射器发出的声波的波长和超声阵列辐射器各阵元的宽度计算超声阵列辐射器各阵元的约束角；

根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场、所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延以及所述超声阵列辐射器各阵元的约束角计算约束条件下超声阵列辐射器在介质中的辐射声场；所述约束条件下超声阵列辐射器在介质中的辐射声场包括约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场和约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场；

所述约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场的计算方法为：

根据约束条件下超声阵列辐射器各阵元的位置和聚焦点的位置建立平面坐标系；

根据聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到聚焦点对应的超声阵列辐射器阵元，获得第一阵元；

根据所述超声阵列辐射器各阵元的约束角和聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到约束条件下超声阵列辐射器的第一边界对应的阵元，获得第二阵元；

获取所述第二阵元以所述第一阵元为中心镜像对称的阵元，获得第三阵元；所述第三阵元为约束条件下超声阵列辐射器的第二边界对应的阵元；

判断所述第三阵元的坐标是否大于约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元的坐标；

若是，则以所述第二阵元和所述约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场；

若否，则以所述第二阵元和所述第三阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场；

所述约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场的计算方法为：

根据约束条件下超声阵列辐射器各阵元的位置和聚焦点的位置建立平面坐标系；

根据聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到聚焦点对应的超声阵列辐射器阵元，获得第四阵元；

根据所述超声阵列辐射器各阵元的约束角和聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到约束条件下超声阵列辐射器的第三边界对应的初始阵元，获得第五阵元；

根据所述第五阵元邻近阵元的声扩散角度和所述超声阵列辐射器各阵元的约束角得到约束条件下超声阵列辐射器的第三边界对应的确定阵元，获得第六阵元；

获取所述第六阵元以所述第四阵元为中心镜像对称的阵元，获得第七阵元；所述第七阵元为约束条件下超声阵列辐射器的第四边界对应的阵元；

判断第七阵元的坐标是否大于约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元的坐标；

若是，则以所述第六阵元和所述约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场；

若否，则以所述第六阵元和所述第七阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场。

2.根据权利要求1所述的约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法，其特征在于，所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场的计算公式为：

其中，p₁为超声阵列辐射器各阵元在单层介质中的辐射声场，j为复数，ρ₀和c₀为介质常量，λ为超声阵列辐射器发出的声波的波长，u_a为垂直于面源表面的质点振动速度，w为面源的振动角频率，t为时间，a为面源的初始相位，S为辐射面源的面积，k＝2π/λ，k为波数，R为振动质点到辐射声场测试点间的距离，ds为第一积分符号，p₂为超声阵列辐射器各阵元在双层介质中的辐射声场，ρ₁为双层介质中第一层介质的密度，c₁为双层介质中第一层介质中的声速，k₁为双层介质中第一层介质的波数，b为1/2超声阵列辐射器阵元宽度，T_p为界面处的平面波透射系数，r₁为声波在双层介质中第一层介质中传播的路程，r₂为声波在双层介质中第二层介质中传播的路程，k₂为双层介质中第二层介质的波数，c₂为双层介质中第二层介质中的声速，θ₁为声波在双层介质中第一层介质的入射角，θ₂为声波在双层介质中第二层介质层的折射角，dx为第二积分符号。

3.根据权利要求1所述的约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法，其特征在于，所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算公式为：

其中，t₁为超声阵列辐射器各阵元在单层介质中偏转聚焦所施加的时延，c为单层介质中的声速，F为超声阵列辐射器中心阵元到聚焦点的距离，d为超声阵列辐射器各阵元间的间距，θ为超声阵列辐射器中心阵元到聚焦点声线与聚焦点纵坐标所在坐标轴的夹角，N为超声阵列辐射器阵元数量，T₀为避免产生负时延而加入的常数，t₂为超声阵列辐射器各阵元在双层介质中偏转聚焦所施加的时延，T_n为超声阵列辐射器第n个阵元到聚焦点的传播时间，T₁为超声阵列辐射器第1个阵元到聚焦点的传播时间。

4.根据权利要求1所述的约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算方法，其特征在于，所述超声阵列辐射器各阵元的约束角的计算公式为：

θ₃＝sin^-1[0.3λ/σ]

其中，θ₃为超声阵列辐射器各阵元的约束角，λ为超声阵列辐射器发出的声波的波长，σ为超声阵列辐射器各阵元的宽度。

5.一种约束条件下超声阵列辐射器辐射声场的计算系统，其特征在于，包括：

第一计算模块，用于计算超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场；

第二计算模块，用于计算超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延；

第三计算模块，用于根据超声阵列辐射器发出的声波的波长和超声阵列辐射器各阵元的宽度计算超声阵列辐射器各阵元的约束角；

第四计算模块，用于根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场、所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延以及所述超声阵列辐射器各阵元的约束角计算约束条件下超声阵列辐射器在介质中的辐射声场；所述约束条件下超声阵列辐射器在介质中的辐射声场包括约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场和约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场；

所述约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场的计算方法为：

根据约束条件下超声阵列辐射器各阵元的位置和聚焦点的位置建立平面坐标系；

根据聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到聚焦点对应的超声阵列辐射器阵元，获得第一阵元；

根据所述超声阵列辐射器各阵元的约束角和聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到约束条件下超声阵列辐射器的第一边界对应的阵元，获得第二阵元；

获取所述第二阵元以所述第一阵元为中心镜像对称的阵元，获得第三阵元；所述第三阵元为约束条件下超声阵列辐射器的第二边界对应的阵元；

判断所述第三阵元的坐标是否大于约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元的坐标；

若是，则以所述第二阵元和所述约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场；

若否，则以所述第二阵元和所述第三阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在单层介质中的辐射声场；

所述约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场的计算方法为：

根据约束条件下超声阵列辐射器各阵元的位置和聚焦点的位置建立平面坐标系；

根据聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到聚焦点对应的超声阵列辐射器阵元，获得第四阵元；

根据所述超声阵列辐射器各阵元的约束角和聚焦点在所述平面坐标系中的坐标得到约束条件下超声阵列辐射器的第三边界对应的初始阵元，获得第五阵元；

根据所述第五阵元邻近阵元的声扩散角度和所述超声阵列辐射器各阵元的约束角得到约束条件下超声阵列辐射器的第三边界对应的确定阵元，获得第六阵元；

获取所述第六阵元以所述第四阵元为中心镜像对称的阵元，获得第七阵元；所述第七阵元为约束条件下超声阵列辐射器的第四边界对应的阵元；

判断第七阵元的坐标是否大于约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元的坐标；

若是，则以所述第六阵元和所述约束条件下超声阵列辐射器坐标最大的阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场；

若否，则以所述第六阵元和所述第七阵元为边界，根据所述超声阵列辐射器各阵元在介质中的辐射声场以及所述超声阵列辐射器各阵元在介质中偏转聚焦所施加的时延计算约束条件下超声阵列辐射器在双层介质中的辐射声场。

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