超声相控线阵探头线列参数对波束指向性的影响

波束指向性是探头的重要技术指标,其优劣决定了超声波的传播方向和能量集中程度,对检测能力有重要的影响。通过线列参数对相控阵探头波束指向性影响的分析,得到参数与指向性之间的关系,为超声相控线阵探头的设计优化提供了依据,从而提高相控阵检测系统的性能。

1　波束指向性

阵的指向性是指其发射响应(电压响应或功率响应)或接收响应(声压灵敏度或功率灵敏度)的幅值随方位角变化的一种特性。通常,它在某个方向上有一个极大值。根据声场理论,发射阵响应指向性的形成是由于其各阵元发射的声波在自由场中干涉叠加的结果。若阵元换能器都是互易的,根据互易性可以证明:一个阵的发射指向性图和接收指向性图是相同的。线列超声相控阵的各个阵元为互易换能器,所以,发射指向性图和接收指向性图是相同的,只需要分析发射指向性就可以了[1]。

超声相控阵波束指向性也称为指向性函数,其定义为:在任意角度θ上的复声压p(r,θ,t)的幅值与偏转角θs上的声压p(r,θs,t)幅值的归一化比值,即:

式中θs为偏转角度;r为半径;t为时间。典型的相控线阵指向性图如图1所示(8阵元,θs= 30°)。

参数对指向性的影响是指指向性函数的指向性参量随参数的变化情况。指向性参量包括主瓣角宽度、旁瓣级和有无栅瓣(图1)。超声相控线阵的线列参数主要有阵元数N、阵元间距d和阵元宽度a(图2)。

2　线列参数对指向性的影响

根据乘积定理,N=N1N2个阵元组成复合阵,其中N2个具有相同结构的子阵,每个子阵又由N1个相同阵元构成,则复合阵的指向性函数为[1]:

其中N为阵元数;d为阵元间距;θs为偏转角;λ为波长;θ为任意方向角。

2.1　阵元数对波束指向性的影响

图3为随着阵元数N变化,指向性的变化图。由图可以看出,随着N的增大,主瓣角宽度变窄,旁瓣降低。由文献[1],旁瓣级的声强(dB)为:

由式(4)可知旁瓣级的大小只与N有关。图4为旁瓣级随N的变化曲线,当N从0增大时,旁瓣级急剧减小;当N>16并继续增大时,旁瓣级趋于-13.5 dB的极限值。可见,N对旁瓣级的抑制作用非常明显,当设计超声相控阵探头对旁瓣级有严格要求时,应首先考虑增加阵元数N。

主瓣与横坐标相交两点之间的距离Δθm可以定义为主瓣角宽度。它是衡量主瓣锐利程度的指标。把H(θ)=0代入式(3),得:

据式(7),d/λ取0.5,偏转角取30°,将主瓣角宽度Δθm作为N的函数,可得到图5,即阵元数N对主瓣角宽度的影响曲线。由图5可知,随着N的增大,主瓣角宽度减小的趋势十分明显。