（信号与信息处理专业论文）超声相控阵技术的声场模拟和实验系统研究.pdfVIP

单位代码 10445 学 号 2008020912 分 类 号 tp302.1 硕 士 学 位 论 文 论论 文文 题题 目目: :超声相控阵技术的声场模拟和实验系统超声相控阵技术的声场模拟和实验系统 研究研究 学科专业名称: 信号与信息处理 申请人姓 名: 李雯雯 导 师 姓 名: 杨济民 教授 论文提交时间: 2011 年 4 月 8 日 独 创 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 (注：如没有其他需要 特别声明的，本栏可空)或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 导师签字： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 学校学校 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 学校学校 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权 书) 学位论文作者签名： 导师签字： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 山东师范大学硕士学位论文山东师范大学硕士学位论文 i 目录 摘 要 . i abstract . iii 第一章 绪论 . 1 1.1 课题研究背景及意义 . 1 1.2 超声相控阵技术的优势 . 1 1.3 超声相控阵技术的发展和应用 . 2 1.3.1 超声相控阵技术在医疗中的应用 . 3 1.3.2 超声相控阵技术在超声检测中的应用 . 4 1.4 论文主要研究内容与章节安排 . 5 1.5 论文的主要创新点 . 5 第二章 超声相控阵原理及系统关键技术 . 7 2.1 超声波声场 . 7 2.1.1 超声波声学基础知识 . 7 2.1.2 描述超声波声场的物理量 . 7 2.2 超声相控阵的基本原理 . 9 2.2.1 相控阵发射 . 9 2.2.2 相控阵接收 . 10 2.3 系统关键技术研究 . 10 2.3.1 电子聚焦原理 . 10 2.3.2 相控聚焦延时计算 . 11 2.4 本章小结 . 11 第三章 超声相控阵声场及其指向性分析 . 13 3.1 声场计算的基本理论 . 13 3.1.1 单源换能器的辐射声场 . 13 3.1.2 圆形换能器的远场分析 . 14 3.2 相控阵换能器的指向性 . 15 3.2.1 指向性 . 15 3.2.2 指向性函数 . 15 3.2.3 指向性图 . 16 山东师范大学硕士学位论文 ii 3.2.4 阵列的指向性函数 . 17 3.2.5 圆形阵列的指向性 . 18 3.2.6 矩形阵列的指向性 . 27 3.3 换能器参数对声束主瓣、旁瓣和栅瓣的影响 . 31 3.3.1 探头参数对主瓣的影响 . 32 3.3.2 探头参数对栅瓣的影响 . 32 3.3.3 探头参数对旁瓣的影响 . 33 3.4 本章小结 . 33 第四章 相控阵超声实验系统 . 35 4.1 实验系统方案概述 . 35 4.2 超声阵列的排列设计 . 36 4.2.1 超声换能器 . 36 4.2.2 振元排列的设计 . 36 4.3 扫描方案 . 38 4.4 fpga 时序控制电路设计 . 40 4.4.1 fpga 模块设计 . 40 4.4.2 延迟模块 . 41 4.4.3 延时模块时序 . 41 4.5 实验结果分析 . 42 4.6 本章小结 . 43 第五章 总结与展望 . 45 参考文献 . 47 攻读硕士学位期间科研工作 . 51 发表的文章 . 51 发表的专利 . 51 致 谢 . 53 山东师范大学硕士学位论文山东师范大学硕士学位论文 i 超声相控阵技术的声场模拟和实验系统研究 摘 要 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，仅用一个小型电子控制的多晶阵列探头即可实现多角度扫 查；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。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。 本文的绪论部分首先介绍超声相控阵的研究意义及其国内外的研究现状。介绍 了超声相控阵技术在医学和超声检测中的各种应用，并给出了超声相控阵技术的优 势。得到本文所提出设计的基本思路和研究方向。 接着文中介绍了超声声场的基本概念和描述声场的物理量。介绍了相控阵技术 聚焦和偏转原理，并给出了相控阵延迟时间的计算公式，给接下来的工作打下了理 论基础。 本文的第三部分介绍了超声相控阵声场的计算方法，给出了圆形换能器的声场 描述，重点对圆形阵列和矩形阵列进行了指向性分析，给出了阵列换能器的排列依 据，根据这一依据，本系统采用倒车雷达等通用的超声探头为换能器，采用矩形相 控阵排列：阵列共七个探头组成，以 2*3 分布的六个探头组成矩形阵列，第七个探 头在阵列外。本系统采用多发单收形式，以阵列的六个探头作相控阵发射，第七个 探头作单探头接收。可以得到正前方一定距离的平面内 m*n 个点的精确聚焦。实验 证明，该阵列换能器个数少，聚焦精确，能够满足超声避障的要求。 本文的第四章介绍了实验系统的硬件构建，给出了系统工作的基本流程和实现 空间扫描的方法。本文提出的尾链式扫描方法是使 5*5 个点的回波信号以间隔一个 时间窗的时间逐次回到接收探头，以此接收时间为基准控制每个聚焦目标点的发射 时间。这个 5*5 个点的最优扫描顺序为：以发射并接收过程中用时最少的目标点为 先，用时多的为后进行排序。对一个目标点的聚焦超声波发射后，以下一点和此点 的用时差加上一定的延时等于一个时间窗的标准进行下一个点的延时发射。这种方 法大大提升了扫描速度，应用到本系统可比逐点扫描节约时间 90%，实现快速高精 聚焦。本部分主要对 pfga 的时序电路进行了设计，使之能够可以同时提供 1 路同 山东师范大学硕士学位论文 ii 步脉冲和 6 路脉冲，并且 6 路脉冲相对于同步脉冲的延迟时间可调。 最后对本文做了总结和下一步工作的展望。 关键词：关键词：相控阵，避障，聚焦，指向性，fpga 分类号：分类号：tp302.1 山东师范大学硕士学位论文山东师范大学硕士学位论文 iii the sound field simulation and the research on experimental system of phased array technology abstract compared with traditional ultrasonic testing，the ultrasonic phased array can control its acoustic angle, focus range and focus size by software ; operates simply, can realize multi-angle-scan only use poly probe which control by a small electronic; have very flexibility on the test of complex geometry materials. so phased array technology plays an important role in nondestructive testing. the sound field directivity pattern is the key points of phased array technology. the main contents of the thesis are how to increase the sound field directivity pattern of phased array technology. in the introductory remarks, we discuss the significance of phased array technology and the research situation. this paper introduces the applications of ultrasonic phased array technology in medicine and ultrasonic testing, and gives the advantages of ultrasonic phased array technology. then we give the basic ideas and research directions of this paper. the paper then introduces the basic concepts of ultrasonic field and the physical description of the sound field. and introduces phased array technology focusing and deflection theory, and gives the time delay phased array formula, lay a theoretical foundation to the next work. the third part of this paper describes the calculation method for sound field of ultrasound phased array, this article focuses on the directive property of circular array and rectangular array,gives the array transducer order basis, according to this basis, , the system uses ultrasonic probe which used by reversing radar for the common transducer, the system arranged in rectangular phased array: an array of seven probes were composed of the distribution of 2 * 3 rectangular array composed of the six probes, the seventh probe outside the array. the system uses multiple forms of a single collection to 山东师范大学硕士学位论文 iv the array as a phased array of six probes launched a probe for the seventh received a single probe. can get some distance in front of the plane m * n the exact focus point. experimental results show that a small number of the array transducer, focusing accuracy, to meet the requirements of ultrasonic obstacle avoidance. chapter iv of this paper describes the experimental systems hardware build, given the system the basic processes and methods of spatial scan. the end of the proposed scan chain is 5 * 5 points to the echo signal to a time window of the time interval between successive back to receive the probe in order to receive time base control objectives for each focus point of the launch time. this5 * 5 points the optimal scanning sequence is: the process used to launch and receive the least when the target point first, with more time to sort the post. a target point of focused ultrasound is fired, the following point and this point with some delay with the time difference is equal to the standards of a time window of the delay launching the next point. this approach greatly enhance the scanning speed, applied to the system to save time than that sweeps 90%, to achieve fast, high-precision focusing. this section mainly pfga timing circuit has been designed so that it can provide a way to sync pulse and 6-channel pulse and 6-channel pulse relative to the sync pulse delay time adjustable. finally, we summarized this paper and prospected the future work. key words: phased array; obstacle avoidance; focus; directionality；fpga clc number: tp302.1 山东师范大学硕士学位论文山东师范大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题研究背景及意义 超声技术是20世纪发展起来的高新技术。十九世纪末到二十世纪初，在利用电子 学技术能方便的产生超声波后， 超声技术才迅速发展和推广起来。 经过近百年的发展， 超声技术已经在国民建设和日常生活的各个行业和领域得到了广泛的应用 1 2 3，特 别是在无损检测 4 5、超声成像6 7和医学应用8等方面发挥了具大的作用。 相控阵技术是在20世纪30年代后期出现的， 当时主要应用于军事雷达技术 91011。 传统的雷达是靠机械的转动天线面来发射和接收电磁波的， 而相控阵雷达是以电子方 式控制波束，采用相控阵天线以改变雷达波相位来改变波束方向的，而且能实现波束 在空间的扫描。 相控阵技术在雷达应用中表现出了诸多优势 12， 基于相控阵雷达理论的超声相控 阵技术应运而生了。 超声相控阵是由多个相互独立的换能器阵元组成一维或者二维阵 列，利用电子技术按照一定的时序驱动各个阵元，实现扫描声束的控制，达到偏转和 聚焦的目的。 相控阵技术在国外发展十分迅速，在军事、气象探测 13和无损检测等领域的研究 十分活跃， 并已经进入实用化阶段。 而超声相控阵技术在国内的研究和发展相对落后， 在技术研究方面尚处于起步阶段，在工业应用中很多设备都依赖于进口。 鉴于这一技术的研究在国内相对薄弱这一局面，现阶段在国家自主科技研发，工 业、医学和军事等领域，展开超声相控阵技术的研究有着十分重大的意义。由于数字 电子和dsp技术的发展，压电复合材料等高端科技在相控阵中的应用，使得超声相控 阵技术的研究具备了坚实的基础。 因此， 开展相控阵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。 1.2 超声相控阵技术的优势 相控阵技术的最大的优势就是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，仅用一个小型电子控制的多晶阵列探头即可实现多角度扫查； 对复杂几何形状材料的检测具有很大的灵活性。 山东师范大学硕士学位论文 2 由超声相控阵技术的原理可知，与传统的超声检测相比，超声相控阵具有明显 的优势： （1）应用灵活，不需声透镜即可实现声束聚焦，波束指向灵活，通过电子技 术控制各个阵元相位可以控制声束指向和聚焦深度，实现空间区域扫描，可以检测 传统探头无法检测的区域。 （2）空间功率合成能力强。在相同驱动电压的作用下，超声相控阵由于在焦 点聚焦，其焦点的能量要远大于单个超声探头发射时的能量。从而使得较低驱动电 压下也能得到声场强度较大的扫描信号。 （3）抗干扰能力增强，由于超声相控阵由多个阵元组成，即使少量阵元出现 故障，系统仍然能够继续工作。 （4）采用超声相控阵技术可以大大提高系统的分辨力、信噪比 14。 （5）设备简单操作便捷，扫查装置简单。 1.3 超声相控阵技术的发展和应用 相控阵技术最初主要应用于医疗领域，例如超声医学成像和高强度超声治癌。 1954年相控阵技术用于无损检测这一想法被首次提出，但由于当时电子水平发展不 高，各种高技术难以到达等因素，还无法将此技术应用到工业领域。随着电子技术和 计算机技术的快速发展 15，二十世纪六十年代，超声相控阵技术开始应用于工业无损 检测领域。直到90年代末，超声相控阵技术开始被普遍的研究和应用。 近几年，随着数字电子和dsp技术的发展，使得精确延时越来越方便，超声相控 阵技术得到了迅猛的发展 16。特别是在试验系统设计，测试和生产应用等方面取得了 进一步的发展。其中，自适应聚焦和动态聚焦的相控阵系统、多维阵列的研发和超声 相控阵成像技术的应用成为了重点研究对象。 作为超声检测的重要方法之一， 超声相控阵技术以其独特的优势得到了广泛的应 用。相控阵技术能够简单便捷的利用软件控制其声束，将它与信号处理、成像技术等 结合起来将具有广阔的应用和发展前景。 超声相控阵技术可以多角度扫描和可以对复 杂几何形状的材料进行灵活的检测等特点可以提高检测的精确性、可靠性、实时性和 直观性，能够更好的促进无损检测的应用和发展。 山东师范大学硕士学位论文山东师范大学硕士学位论文 3 1.3.1 超声相控阵技术在医疗中的应用 超声波在医学方面的应用，主要是诊断和治疗 17。最早将超声装置用于医学诊断 是在20世纪50年代初期。 医学超声诊断技术就是向人体发射并接收超声波，来获得人体组织器官的信息， 进而对患者进行诊断。这种诊断方法方法简单、显像清晰、诊断率高，所以在医学成 像中得到了广发的应用 18。同时，此诊断方法对受检者无损伤、无痛苦，也获得了患 者的好评。医学超声最典型的应用就是超声相控阵b型诊断设备，采用了聚焦技术使 得超声成像更加清晰准确，给医生提供更加可靠的信息来准确的诊断患者病情。 图1-1超声相控阵b型扫描仪 图1-2 高能超声聚焦(hfiu)治疗装置 超声相控阵技术在医学上的另一个应用就是超声治疗 19。 超声治疗是将超声作用 于人体病变部位，利用超声波的能量改变生物组织的结构、状态和功能，达到治疗疾 病促进肌体康复的目的。超声治疗又分为超声理疗和超声手术，它们的区别就是超声 理疗师利用较低声强的温和效应来治疗某些疾病， 而超声手术室利用较强超声的剧烈 作用来治疗疾病。 高强度聚焦超声(hfiu)治疗系统则是近年来兴起的一项超声治癌新技术， 它是利 用高功率超声波束在体内聚焦，产生足够强的声强，并对目标区域内的病变组织作选 择性损坏的一种聚焦超声外科治疗技术。另外，超声外科、体外机械波碎石术等也在 医疗技术中占据着重要的位置。 山东师范大学硕士学位论文 4 1.3.2 超声相控阵技术在超声检测中的应用 随着电子技术和计算机技术的快速发展,二十世纪六十年代，超声相控阵技术开 始应用于工业无损检测领域 2021。相控阵检测是一种特殊的超声检测技术，它使用复 杂的多晶片阵列探头及功能强大的软件来操控高频声束，使其通过被检测材料，并显 示保真（或几何校正）的回波图像。所生成的材料内部结构的图像类似于医用超声波 图像。对诸如关键金属结构、管道焊接、航空航天复合材料等的检测，相控阵技术所 提供的信息是非常有用的。 相控阵超声检测最重要的用途是超声成像， 这是因为相控阵技术能够用电子技术 简单精确地控制声束，实现声束的动态聚焦和偏转，在接收回波过程中也运用相控阵 技术对信号进行多种处理，如聚焦、变孔径、变迹等，使物体的成像分辨率更高，更 清晰 22。 相控阵超声检测的另一个用途是进行目标定位，该技术广泛的应用于移动机器 人的导航设备 23和防撞系统中，用于检测前方声场内的环境，得到障碍物的信息。英 国nottingham大学研制的一套集成超声阵列技术和视觉传感器超声探测系统，综合利 用了超声阵列和视觉传感器二者各自在目标检测方面的优势，取长补短，为目标探测 提供了完整的三维信息 24。该系统能实现目标探测、目标识别、目标位置检测等一系 列的功能。 另外，相控阵超声检测还用于复杂几何形状材料的无损检测 2526。相控阵多阵元 探头可以灵活的控制声束，调节焦点位置，改变了传统单探头超声检测需要不断地更 改探头位置进行多方向扫查的诸多不便，简化了检测步骤，提高了检测可行性， 图1-3 x-32超生相控阵成像探伤系统 图1-4焊缝自动超声检测设备 山东师范大学硕士学位论文山东师范大学硕士学位论文 5 1.4 论文主要研究内容与章节安排 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 27。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。根据这种局面，现阶段开展相控阵超声检测技术的研究有着非常重大的意义。 本论文具体的章节安排如下： 第一章是绪论：介绍超声相控阵技术的研究背景、意义及发展现状，概括了本 课题所要研究的内容及所要做的工作。 第二章是超声相控阵的原理及系统关键技术：首先介绍了超声波检测的物理知 识，然后分别从发射和接收两方面阐述了超声相控阵的原理，最后给出了相控阵聚 焦延时的计算公式，为进一步的研究打下了理论基础。 第三章是超声相控阵声场的研究：首先介绍了声场计算的基本理论，给出了圆 形换能器的声场远场计算方法；然后对阵列的指向性进行了分析，重点做了圆形阵 列和矩形阵列的指向性分析，给出了阵列排列依据；最后讨论了换能器参数对声束 主瓣、旁瓣和栅瓣的影响。 第四章是实验结果及分析：首先对实验系统方案做了概述，主要对本实验采用 的矩形阵列的排列方式进行了设计，系统采用多发单收形式，以 2*3 分布的六个探 头作相控阵发射，第七个处探头作单探头接收。提出了一种新的尾链式扫描方法， 大大提升了扫描速度。然后给出了实验硬件框图，并主要对 fpga 延时电路进行了 设计，最后简单给出了实验结果和分析。 第五章是总结与展望：对论文所做的研究工作以及取得的研究成果进行总结， 并对本课题进行更深入的研究提出几点看法。 1.5 论文的主要创新点 1. 将超声相控阵技术应用到超声检测中，利用相控阵的形式实现对空间多个 点的扫描，更加精确快速。 2. 重点做了圆形阵列和矩形阵列的指向性分析，给出了阵列排列依据。分析 了阵列换能器各参数对换能器声场的影响。分析了如何设置阵列的参数， 在满足使用要求的前提下，实现最高性价比。 3. 在研究了相控阵延时聚焦原理的基础上，首次提出了一种超声检测的新方 山东师范大学硕士学位论文 6 法尾链式扫描方法。 并对实验结果与已有的逐点扫描方法进行了对比， 经比较新方法较逐点扫描方法可节约时间 90%，显著提高了扫描效率。 山东师范大学硕士学位论文山东师范大学硕士学位论文 7 第二章 超声相控阵原理及系统关键技术 本章前两节介绍了超声波声学的基础知识和超声检测的基本原理，并提出了一 种超声检测的新方法。后续两节中介绍了相控阵技术的原理，给出了聚焦延时计算 方法。 2.1 超声波声场 2.1.1 超声波声学基础知识 超声波是频率高于 20000 赫兹的声波，超声波因其频率下限大约等于人的听觉 上限而得名。它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离 远，可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、 农业上有很多的应用。 超声波的最高频率可达 25mhz， 通常用于医学诊断的超声波 频率为 15 mhz，用于工业检测的超声波工作频率为 0.510mhz。在本系统中使用 的频率为 40hz。 2.1.2 描述超声波声场的物理量 超声场是指布满超声波的空间或由超声振动产生超声波并被波及的介质空间， 它的主要特征值包括：声强、声压和声阻抗等。 （1）声强 i 在超声波传播过程中，单位时间内通过与指定方向垂直的单位面积的超声波能 量即为声强度，简称声强，声强的单位是瓦/平方米，一般用 i 表示。在超声波的传 播过程中，超声波到达处的介质随之发生变化，介质由原来的静止开始振动并发生 弹性形变，从而使其具有了动能和弹性势能，并最终形成了能量的传播。在固体均 匀介质中传播的纵向波其声强度与质点位移振幅和质点振动的角频率平方成正比。 如式 2.1 所示： 22 2 1 aci （2.1） 山东师范大学硕士学位论文 8 其中，a-质点的位移振幅； a-质点的速度振幅。 因为超声波具有很高的频率，远大于一般声音的强度，从而使超声波能用于无 损检测中。 （2）声压 p 不存在超声场的静态空间内，某一点的压强为 0 p；存在超声场时同一点的压强 为 i p，两压强之差为该点的声压 0 ppp i ，单位为帕（帕斯卡） 。在超声波的传 播过程中，随着距离和时间的不断变化，超声场中每一点的声压也随之不断变化。 声压与超声场介质的密度、质点的振动速度和频率成正比，如式 2.2 所示： v(2pfa)vcp (2.2) 其中，-介质的密度； c-波速； v-质点的振动速度； a-声压的最大幅值； f-频率。 超声检测实验中，一般用示波器所显示的波形图像的峰值来识别声压的大小， 理论上波形峰值与声压大小成正比。 （3）声阻抗 z 声阻抗通常意义上讲是媒质中声的吸收，是声波传导时介质位移需要克服的阻 力，等于某一点声压与质点流速之比。常用 z 表示，单位为 g/(cm2s)。如式 2.3 所 示： c v vc v z p (2.3) 由上式可知，声阻抗的大小等于介质的密度与波速的乘积。波速是穿过一面积 s 的介质流动速度，声阻抗越大则推动介质所需要的声压就越大，声阻抗越小则所 需声压就越小。在相同的声压下，介质的声阻抗与质点的振动速度成反比。声阻抗 值得大小和介质及波形都有关系，当超声波由一种介质向另一种介质传播，发生衍 射和反射，都和这两种介质的声阻抗有关系。 （4）声速 声速是指超声波在介质中的传播速度，常用 c 来表示。声速和特定的波形、特 山东师范大学硕士学位论文山东师范大学硕士学位论文 9 定的介质都有关系。超声波有横波、纵波、表面波等不同的波形，介质特性和介质 密度、弹性模量等物理量有关。波形不同，介质不同，其传播速度是不同的。 （5）指向性 由叠加定理可以得知，超声场中某一点的声压等于阵元上每一点作用在该点的 声压之和。 超声场主要包括主声束和副瓣声束， 其中主声束含有超声波的主要能量， 而这种声束具有集中向一个方向辐射的性质，这种性质就叫做声场的指向性。 2.2 超声相控阵的基本原理 超声相控阵是由多个相互独立的换能器阵元组成一维或者二维阵列，利用电子 技术按照一定的时序驱动各个阵元，实现检测声束的控制，达到偏转或者聚焦的目 的。具体来说，又可以分为相控阵发射和相控阵接收。下面以一维线阵讨论： 2.2.1 相控阵发射 要实现声束在空间某一点的聚焦 28 29，需要每个阵元发射的超声波同时到达焦 点，根据超声波在同一种介质中传播的速度是相同的这一原理，距离焦点远的阵元 要先发射，距离焦点近的阵元要后发射。阵元之间的发射时间间隔要根据阵元到焦 点距离而确定。这样，在特定的延时作用下，各个阵元到达焦点时相位一致，在这 一点就形成了聚焦声场，这种聚焦称作点聚焦 30。根据叠加原理，焦点的能量得到 加强，为各阵元在此处的能量之和。如图 2.1 所示： f l 延迟时间延迟时间阵元阵元 焦点焦点 图 2.1 发射聚焦 山东师范大学硕士学位论文 10 2.2.2 相控阵接收 超声相控阵的接收聚焦和发射聚焦原理相似，同样符合几何聚焦延迟规律。相 控阵的各个阵元接收到回波信号，并对回波信号进行一定的延迟，当所有回波信号 处在同一相位时就可以对回波信号送进加法器，进行叠加合成。接收聚焦 31示意图 如图 2.2 所示。 焦点f 延迟 时间 1 阵元 1 1 1 1 1 + 图 2.2 接收聚焦 2.3 系统关键技术研究 2.3.1 电子聚焦原理 对于多元阵列换能器，由于各个阵元到达聚焦点的距离不同，而超声波在同一 种介质中传播的速度是相同的，可知各个阵元发射的声波到达聚焦点的时间是不同 的。所以距离焦点远的阵元要先发射，距离焦点近的阵元要后发射。阵元之间的发 射时间间隔要根据阵元到焦点距离而确定。这样，在特定的延时作用下，各个阵元 到达焦点时相位一致，在这一点就形成了聚焦声场。 根据这一原理，只要改变阵元之间的延时，可以得到声场中任意点的聚焦。运 用现代电子技术可以精确方便的改变这一延时，从而实现动态聚焦 32。 山东师范大学硕士学位论文山东师范大学硕士学位论文 11 2.3.2 相控聚焦延时计算 以一维线阵讨论：如下 2.3 图：以检测中心为参考点，点 p 为聚焦点，振元间 距为 d，偏转角为，聚焦深度为 f，聚焦点到第 n 个振元的距离为 n l 。 f l d p 图 2.3 点聚焦 根据聚焦原理，每个阵元发射的超声波到达焦点的时间相同可知： nn nn c l c l , 1 1 （2.4） 则可推导出相邻振元的延迟时间为： 1 1, nn nn ll c （2.5） 两式中 c 指超声波在空气中的传播速度 1，在温度 0 t=273.16k,p 为 5 10pa，含 有 0.03 摩尔的二氧化碳且无水分时， 0 c=（331.450.05）m/s. 在其他条件保持 稳定时，气体的声速随温度的变化为正温度系数： 0 0 t cc t 。 2.4 本章小结 本章首先介绍了超声波检测的物理知识，然后分别从发射和接收两方面阐述了 超声相控阵的原理，最后给出了相控阵聚焦延时的计算公式，为进一步的研究打下 了理论基础。 山东师范大学硕士学位论文 12 山东师范大学硕士学位论文山东师范大学硕士学位论文 13 第三章 超声相控阵声场及其指向性分析 本章第一节介绍了声场计算的基本理论，给出了圆形换能器的声场远场计算方 法；第二节对阵列的指向性进行了分析，重点做了圆形阵列和矩形阵列的指向性分 析，给出了阵列排列依据；第三节讨论了换能器参数对声束主瓣、旁瓣和栅瓣的影 响。 3.1 声场计算的基本理论 3.1.1 单源换能器的辐射声场 由超声手册知，各种换能器的辐射声场分布均可由基尔霍夫积分定理来计算。 对于嵌于无限大障板上作单面辐射的换能器，该积分有如下形式 1 ： sd r e n2 1 jkr s s q ）（ （3.1） 其中： q ：超声场中任意点 q 处的速度势； n s ：辐射面 s 上振动速度的法向分量； s ：换能器辐射面 s 上的速度势； r：辐射面上的积分面元 ds 到超声场中点 q 的径矢； n：ds 面元的内法线； 2 k ：角波数。 式 3.1 将嵌于无限大障板上作单面辐射的换能器分割成了无限个小面元 ds，每 个小面元都可以当做一个点声源，空间任意一点的声压是各个小面元在该点的声压 之和。 由式3.1可知，只需完成下面两项内容，就可以完成积分，得到声场分布： （1）确定r和ds的表达式：根据换能器面的形状，选择直角坐标或者球坐标等合 适的坐标系， 进行必要的坐标变换， 并根据换能器面s的形状和大小确定积分上下限。 山东师范大学硕士学位论文 14 （2）确定 n s 的表达式：一般情况下采用均匀振动或者轴对称，此时，换能器 辐射面上的法向振速分布可以简单的表示为： )(qu n - 1a s r (3.2) 其中： a u 辐射面中心处的振速幅值； )( 1 rq 归一化振模函数，或称束控函数；当辐射面边沿自由，作均匀振动 时， 1)( 1 rq ， a u 也成为辐射面上所有质点的振速幅值。 3.1.2 圆形换能器的远场分析 对于本文采用的圆形换能器，也可以用上述积分方法算出其声场。 x m r ds a 图3-1 圆形换能器声场计算 由于相控阵聚焦是在远场实现的，所以我们只计算实验用到的远场声场 33。 在远场区，因为ra，换能器表面任一面元ds发射的超声波到达目标点m可近似 看做同一相位和振幅，距离都为r。则点m的声压为所有声波的叠加： )sin( sin )sin(2 2 1 2 0 rt ka kaj r au p （3.3） 由 c p i m 2 2 可知，m点的声强为： 2122 2 0 sin )sin(2 )( 8 1 ka kaj r a kacui （3.4） 其中： 0 u-活塞振动速度幅值； )()sin( 11 xjkaj-一阶贝塞尔函数： 山东师范大学硕士学位论文山东师范大学硕士学位论文 15 642422 )( 22 5 2 3 1 xxx xj （3.5） 由式3.3和式3.4，在超声远场区域内，可以得到以下两点： （1）远场内任意一点m的声压值与距离成反比，声强与距离的平方成反比。 （2）对于远场内不同的m点，当r相同，方向不同时，声压和声强会随着 的变 化而变化，当0时，声压最大。所以圆形换能器辐射的声波有着很高的指向性。 3.2 相控阵换能器的指向性 3.2.1 指向性 相控阵的指向性是其在远场中的一种属性。 指向性是指超声波定向束射和传播的 性质，也就是超声