基于阵列指向性分析的超声阵列设计

　　与传统的超声检测相比，超声相控阵可以软件控制其声束角度、聚焦范围和聚焦尺寸;操作简单便捷，仅用一小型电子控制的多晶阵列探头即可实现多角度扫查[1];对复杂几何形状材料的检测具有很大的灵活性。所以超声相控阵技术在无损检测中具有不可替代的地位[2]。超声相控阵技术中其声场指向性是研究的重点，本文就是以如何提高相控阵的指向性为主要内容进行研究的。

　　1圆形换能器的指向性

　　圆形换能器的指向性函数[3]为：

　　2圆形阵列的指向性

　　圆形阵列的指向性函数[5]为：

　　根据式2以Matlab为环境编程模拟仿真圆环形换能器阵列的指向性。

　　换能器半径a=0.009m，频率f=40000Hz，c=340，圆环阵列半径R=0.03m。出于试验工艺水平的考虑，每两个换能器之间的间隙大约为2mm，则假设阵元个数为N。存在：2×π×0.03>(0.018+0.002)×N，得N≤9改变N的值，做指向性图：

　　分析上述仿真二维指向性图得，θ从0°向两侧偏移时，首先在θ约为±10°时出现跟主瓣比值小于0.4的旁瓣;当θ约为±20°时，出现跟主瓣比值约为0.3的旁瓣，θ再向外偏移，旁瓣值变小。

　　从N=5到N=9可以看出，旁瓣随着阵元个数的增加而迅速的降低;从N=7到N=9可以看出一旦N增加到某一值，增加N已经不能使旁瓣有显著的减小。

　　3矩形阵列的指向性

　　矩形阵列的指向性函数为：

　　根据式子3以Matlab为环境编程模拟仿真矩形换能器阵列的指向性。

　　换能器半径a=0.009m，频率f=40000Hz，c=340，出于试验工艺水平的考虑，每两个换能器之间的间隙大约为2mm。改变m和d的值，研究其指向性。

　　由上述指向性图分析可得，当m一定时，旁瓣幅度随着d的增加而增大，旁瓣数目不变，但是旁瓣宽度变窄。当d一定时，主瓣和旁瓣的宽度都变大，但旁瓣个数减少。

　　比较圆形阵列和矩形阵列的指向性图可得，相似面积大小、相似换能器个数的圆形阵列和矩形阵列，虽然圆环换能器阵具有较尖锐的主瓣，但矩形阵的旁瓣值明显小于环形阵，且矩形阵的旁瓣可以得到完全的收敛，当θ≈±45°时，旁瓣便趋于0，而圆环换能器阵的旁瓣始终存在。

　　比较指向性图，得到矩形阵列中M=2，d=0.02时指向性比较好。所以本系统采用的圆形换能器相控阵阵列设计为：2*3分布的六个探头组成矩形阵列。超声相控阵技术广泛的应用于无损检测、医学诊断、超声成像以及目标定位中。

　　但国内目前对超声相控阵的应用，主要是在医疗成像诊断领域;在超声检测方面的研究还属于探索阶段，与国外相比还非常落后，特别是一些检测设备还依赖进口。因此，现阶段开展相控阵超声检测技术的研究有利于自主科技创新，紧跟国际学术前沿，并在国民生活和工业发展中产生巨大的社会效益和经济效益。