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第 37 卷 第 6 期 姜雪娇等： 微纳相控线阵超声换能器参数的理论分析 883

1 引言 2 线 性 相 控 阵 换 能 器 在 理 想 介 质 中 的
辐射声场

微纳线性相控阵超声换能器是一种传统平面
均匀流体中矩形阵元的辐射声场可以采用
超声相控阵工艺和微加工工艺相结合的用于微尺
Ocheltree等 [4] 提出的快速算法进行数值计算，其坐
度特征超声检测的超声线性相控阵换能器，分辨
标系统如图 1。矩形阵元被分割成一系列的矩形微
率可达十到百微米量级，工作频率可达十到百兆
元，这些微元相对于点源来说足够大，但又足够小以
赫兹量级。采用压电陶瓷材料作为换能器功能性
致可以利用下面的算法大大简化积分计算。将矩形
材料，借助刀片或激光切割等方式分割出多个相互
阵元分割以后，其声压分布为各个矩形子阵元的声
独立、横向尺寸在十到百微米量级的矩形压电晶片
压叠加之和，即
阵列。按一定的规则和时序用信号发生系统控制 N
iωρ ∑ exp(ikr)
激发各个晶片单元，来调整焦点的位置和聚焦的方 p(x, w) ≈ − u n ∆s, (1)
2π r
向 [1] ，由其原理可知，相控阵换能器可以灵活有效 n=1
其中，ω 为角频率，ρ 为液体密度，r 为空间中某点到
地控制声束，生成可控的聚焦深度及理想的声束聚
子阵元中心的距离，k 是波数，s 是矩形阵元的面积，
焦，使得聚焦区域的实际声场强度远大于使用常规
N 为矩形微元数，u n 是第 n 个矩形子阵元的振动速
的超声波技术，从而实现精确检测。此外，本文研
度，对于受同一激励的矩形阵元来说，所有子阵元的
究的微纳换能器主要用于微尺度特征事物的超声
振动速度都是相同的。
检测，检测分辨率高、探测深度大，检测精度不受
y
污垢、油脂以及汗水的影响，不但可以对微结构表
面，还可以对亚表面和次表面的 3D 特征进行检测，
在医疗、工业、生物特征识别等领域有广阔的发展
x
前景。 r
微纳相控阵换能器的声场特性是能否获得并
x
有效利用被检测区域的回波信息，实现高分辨率、
大探测深度的决定因素，也是换能器优化设计的主 z
要依据 [2] 。其横向声场特性主要受换能器阵元参数
(包括阵元数目、宽度和间距) 的影响，参数设计不 图 1 快速算法坐标系统
Fig. 1 Fast algorithm coordinate system
当，对横向声场中的主瓣宽度、主瓣强度、旁瓣及栅
瓣均会产生不利影响，导致检测成像时易产生分辨 线性相控阵列是由若干个独立的矩形阵元按
性伪像、栅瓣效应伪像和旁瓣效应伪像 [3] ，分辨率、 照一定的形状和尺寸组合而成，其中每个阵元都有
信噪比、缺陷检出率等性能都会受到不利影响，因 自己独立的发射和接收电路，其成像检测技术是通

此，对换能器阵元参数进行优化分析至关重要。以 过控制超声换能器中各个阵元激励脉冲的时间延
往的参数设计研究中，主要针对的线性阵元尺寸大 迟，改变各阵元发射声波到达被检测结构内部某点
多都在毫米量级，均是探讨阵元参数对声场指向性 的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完
的影响，而本文针对的是阵元尺寸在微米量级的线 成相控波束合成，形成扫描成像技术 [5] 。其精确的
性相控阵，探讨的是相控阵的横向声场，从阵元数 时延设计直接影响聚焦效果，也关系到检测性能和
目、阵元间距、阵元宽度三个方面，总结理想介质中 成像分辨率等。基于惠更斯原理，阵列的辐射声场
可通过每个阵元的辐射声场经适当延时叠加而成，
这些参数与阵列横向声场分布中主瓣强度、−3 dB
即 [6]
主瓣宽度、一级旁瓣以及栅瓣之间的规律性，为微纳
N m
线性相控阵换能器的优化设计与制备提供理论参 ∑ jωt d (m)
P = p(x, ω) e , (2)
考。横向声场较指向性而言更直观，方便后续的实验 m=1
研究。 其中，第m个阵元的时延函数公式为