超聲相控陣探頭指向性優(yōu)化算法研究
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鄭浩鑫1,2，鄭智貞2，劉杏娟3，黃明輝1，湛利華1，朱自清3，劉立達(dá)4
(1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙410083；2．中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原030051；3．中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051；4．豫西工業(yè)集團(tuán)有限公司，河南 南陽 471002)
摘要：以典型的超聲相控一維陣列探頭為研究對象，從其聲束指向性函數(shù)入手，分析了超聲相控一維陣列探頭的陣元中心距在消除柵瓣方面的作用，總結(jié)了陣元中心距的最佳取值范圍，為相控陣探頭的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供了依據(jù)和參考。
關(guān)鍵詞：超聲相控陣；聲學(xué)指向性；一維陣列探頭；參數(shù)優(yōu)化
中圖分類號：TN919. 6+3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
●引言
陣列式超聲探頭又稱為超聲相控陣探頭，是根據(jù)三電晶體的逆向壓電效應(yīng)原理，將一系列壓電元件按一定規(guī)則排成一個(gè)陣列，它不僅可增強(qiáng)超聲波的輻射強(qiáng)度．更重要的是可結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)以及FPGA技術(shù)等進(jìn)行相位控制，進(jìn)而改變指向特性，更好地實(shí)現(xiàn)“精確聚焦”[1]。
本文將從一維陣列聲場空間的聲束指向性公式人手．對超聲陣列探頭中的聲束指向性參數(shù)進(jìn)行研究，為篁雜相控陣探頭的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供相關(guān)依據(jù)和參考。
1-維線性陣列超聲相控陣探頭的指向性函數(shù)
多個(gè)壓電晶片按一定模式組成一體，按其陣列結(jié)構(gòu)的不同，超聲相控陣探頭可分為一維陣列、二維陣列、環(huán)形陣列等類型[2]，如圖1所示。
一維陣列相比二維陣列、環(huán)形陣列和扇形陣列，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的特點(diǎn)，同時(shí)不失典型性[3]，所以本文從一維線性陣列超聲相控陣探頭的指向性函數(shù)人手．分析其聲場特性[4]。
本文研究時(shí)不考慮陣列位置的影響。假設(shè)有N個(gè)筒諧點(diǎn)聲源（陣元），其幅度A、角頻率c均相同，相位差占逐次增加。當(dāng)這N個(gè)點(diǎn)聲源同時(shí)作用于空間中某點(diǎn)時(shí)，根據(jù)惠更斯原理，各聲源將在這點(diǎn)疊加，形成干涉效應(yīng)，在這點(diǎn)處產(chǎn)生的聲壓P可表示為：
柵瓣的出現(xiàn)意味著聲波在除了控制角方向上的其他地方也有傳播，即聲能有泄漏。柵瓣的存在，因其幅值幾乎和主瓣相同從而會產(chǎn)生誤判，因此必須準(zhǔn)確定位柵瓣的位置并盡量消除柵瓣，從而達(dá)到聲束指向性優(yōu)化的目的。
2探頭的聲束指向性參數(shù)優(yōu)化
衡量超聲相控陣探頭指向性好壞的主要標(biāo)準(zhǔn)為主瓣寬度、有無柵瓣和旁瓣幅度[8]。聲束指向性優(yōu)化主要指減小主瓣寬度、消除柵瓣和使旁瓣幅度最小化。
故陣元間距d在式(11)范圍內(nèi)取值可消除柵瓣。
3結(jié)束語
分析研究了探頭的陣元中心間距d和偏轉(zhuǎn)角度口對一維超聲相控陣探頭聲束指向性的影響，主要探討了這些參數(shù)對消除柵瓣的影響，為超聲相控陣探頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。在超聲相控陣探頭設(shè)計(jì)時(shí)除考慮壓電材料、阻尼材料和吸聲材料的選擇以外，還需綜合考慮陣元各參數(shù)的相互影響，以獲得最佳的聲束指向性。
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