超声相控阵发射声场的计算与分析研究.pdfVIP

超声相控 阵发射声场 的计算与分析研究 口 杨 萍 口 周经纤 口 荆 戈 口 夏 平 兰州理工大学 机 电工程学 院 兰州 730050 摘 要 ：建立 了单探头和相控阵的发射声场计算模型，并 以线性相控阵为例 ，讨论 了相控阵探头的各种参数对相控 阵发射声场的影响，对定量研究超声相控阵和超声相控阵技术 的应用奠定了理论基础。 关键词 ：超声相控阵 发射声场 计算与分析 中图分类号：TB552 文献标识码 ：A 文章编号：1000—4998f2013)06—0014—03 超 声波 检测 因具有 检 测对 象范 围广 、检测 深 度大 、 对 裂 纹 类 缺 陷敏 感 、灵敏 度 高 、成 本 低 、对人 体 无 害 以 及 便 于现 场使 用等 特 点 ，成 为工 业无 损 检测 中应用 最 为广泛 的一种 方法 …。作 为超 声检 测 的重要 7Y~t：L-- ， 超 声相 控 阵技 术 以其独 特 的优 势得 到 了广泛 的应 用 。 超 声 相控 阵 检测 的发 展 方 向必然 是 以定 量 化 和提 高检 测 可靠性 为 目标 ，因此要 从 超声 传 播理 论入 手 ，研 究 声 场 在 介 质 中 的传 播 及 声 场 与 缺 陷相 互 作 用 的规 律 ，建立 超声 检测 系 统模 型 ，探 索正 确 的缺 陷识 别 与定 位定 量 方法 。所 以基 于 超声 传播 理 论 的超 声相 控 阵检 测声 场计 算 与分 析 ．具有 理论 和 工程 应用 意义 。 1 超声相控阵原理 1．1 相 控 阵 发 射 超 声 阵列换 能 器是 由多个 压 电 晶片按 一 定形 状 和 尺寸排 列 构成 ，可 以按照 不 同 的规则 激 发所 有 晶片或 部 分 晶片 ，达 到分 别调 整 每个 阵元 发 射信 号 的波 形 、幅 度和 相位 延迟 的效 果 ，使 各 阵元 发射 的超 声子 波束 在 空间叠加合成 ，从而形成发射 聚焦和声束偏转 等效果 。 相控 阵 发射 聚焦 与发 射偏 转 如 图 1所 示 。 的基础 。本 文 先基 于 瑞利 积分 和 Peneil法 建 立单 探 头 1．2 相 控 阵 接 收 的声 场 计 算模 型_5]，然 后 根 据 相 控 阵各 阵元 发 射 的超 超声 阵列换 能 器发 射 的超 声波 遇 到 目标 后会 产 生 声 子波 束在 空 间叠加 合 成 的原 理 ，编 程计 算 相控 阵超 回波信 号 ，回波信 号 到达 各 阵元 的时 间存 在差 异 。按 照 声 的发 射声 场 。 回波到 达各 阵元 的 时 间差 对各 阵元 接 收信 号 进行 延 时 2．1 单探 头 的 声场模 型 补 偿 ．然后 相加 合成 ．就能将 特 定方 向的 回波 信号 叠加 空 间中任 意点 速度 势 的瑞 利积分 表 达式 为 ： 增 强 ，而其 它方 向的 回波信 号 减 弱甚 至抵 消 。 同时 ，通 过各 阵元 的相 位 、幅度 控 制 以及声 束 形成 等 方法 ，形 成 = 』 dLs(rD) (1) 聚焦 、变 孔 径 、变 迹等 多种 相控 效 果_4]。相 控 阵接 收聚 式 中 ： (r，t)为工 件 中 点 r在 时 刻 t的速 度 势 ；r。为 探 焦 与接 收偏转 如 图 2所示 。 头表面 的点源位 置 ； 为探 头表面 点源在 时刻 t的振 动速度 ；c为声速 ；dS(rD)为探头点源 r的面积 ；『卜rDI 2 超声相控阵发射声场计算分析 为 从点 源 到工件 中点 r处 的距离 。 正确 计 算探 头发射 声场 是 定量 研究超 声传 播 过 程 引入振 幅衰 减 和透射 系 数 D 对式 (1)进 行