超声相控阵探头的模型研究与参数优化

　　超声相控阵技术发展有近三十年历史, 初期因技术复杂及成本原因主要应用于医学超声成像诊断[ 1] , 随着电子技术和计算机技术的快速发展, 超声相控阵技术才逐渐应用于工业无损检测[ 2] 。

　　近年来国外的相控阵检测技术发展迅速, R /DTECH、SIMENS、Technology Design 和IMASON IC 等一些公司推出了商品化的相控阵超声工业检测系统。而国内超声相控阵技术在工业无损检测方面应用的研究起步晚、技术相对薄弱, 总体上研究落后于应用, 设备主要依赖进口。因此现阶段开展相控阵超声检测技术研究具有非常重大的意义。

　　1 超声相控阵探头工作原理[ 3 ]

　　大部分传统超声检测使用单晶片探头, 如图1( a)所示。超声场以单一的角度沿声轴传播, 当被测试件中有微裂纹时, 声束产生偏转, 形成一个发现并定位微小裂纹的/附加0角度[ 4] 。

　　把单晶片探头分割成许多独立小单元, 每一个单元的宽度都远远小于自身长度, 则每一个小单元可以被理解为一个发射柱面波的单一线源。采用电脑控制激励的方法对每一个晶元的延时、相位和振幅和进行独立控制, 使各个独立波阵面产生干涉并形成聚焦波束, 就是超声相控阵探头, 如图1( b)所示。

　　超声相控阵检测的优势在于, 通过软件还可控制聚焦声束的角度、聚焦距离以及焦点大小, 同时由于扫描的声束是聚焦产生的, 所以能够检测到分散在不同角度的裂纹, 而且能够在探头不移动或少移动情况下进行快速扫查, 提高检测速度。

　　2 超声相控阵探头模型设计与仿真[ 5- 6]

　　相控阵探头是把传统单晶体切割成许多独立的相控阵单元, 简称阵元, 每一个阵元宽度w ( w idth)远小于自身长度h, 如图2所示。这些小阵元可被看作独立声源。

　　( 1)简单线元

　　简单线源可被定义为由径向振动产生柱面波的一个无限长的圆柱。根据声学理论建立波动方程,可以解得简单线元以时间t和同一水平面内坐标轴到水平声场中任意点距离r 为参数的声场分布函数p ( r, t), 如式( 1)。

　　单一阵元被理解为由许多单一线源组成, 因此式( 1)做为以下分析的基础。

　　( 2)单一阵元模型

　　具有一定宽度w 的单一晶体阵元是由无限多的简单线源在宽度方向(x 轴)积分而成, 根据图3及式( 1), 单一阵元声场分布积分微元为:

　　对其进行Matlab仿真, 可以看出单一阵元的声场呈发散性分布(图略), 含有大量的旁瓣和栅瓣,而且宽度越大, 旁瓣、栅瓣越多。

　　( 3)多维线性相控阵模型