Page 39 - 应用声学2019年第5期

第 38 卷 第 5 期 郭忠存等： 多层介质中超声相控阵声场仿真 791

为实现相控阵声场的偏转与聚焦，需提前计算 为了更好地观察声场分布效果，对计算结果进行
出每个阵元的时间延迟。以聚焦声场为例，首先利 了对数处理。另外，本文仅针对纵波声场进行模拟
用上述方法计算出每个阵元中心到聚焦点的传播 计算，其他模式的声场仿真研究将在以后的工作中
展开。
路径，然后根据介质声速，计算出相应的传播时间t j
(j = 1, 2, · · · , N, N 为阵元数目)。最后，第j 个阵元
2.2 仿真结果与分析
的时间延迟∆t j 为
首先，为验证本文中方法的有效性，将相控阵
∆t j = max (t j ) − t j . (8) 在楔块 -钢两层介质中的辐射声场计算结果与瑞利

结合式 (7) 与式 (8)，超声相控阵在第 M+1 层 积分法所得到的结果进行了对比。图4 显示了上述
介质中的质点速度幅值表示为 两种方法的计算结果。对比结果可发现，两种方法
N 计算出的主声束几乎相同，表明本文采用的方法在
∑ γ M+1 ;n
v γ M+1 = v M+1 exp (iω∆t j ) . (9) 相控阵声场计算上的有效性。另一方面，瑞利积分
M+1
n=1
法由于计算速度慢，在计算大范围内多层介质的二
2 仿真与分析 维或三维空间中的声场分布时难以实施下去，而本
文方法计算速度快，具有明显的技术优势。
2.1 计算模型
图 3 为本文中所使用的仿真模型，一维线型  ഀڱ -30
超声相控阵在楔块 -铝 -黄铜 -钢四层介质中辐射  ᨂ -40
声波。换能器阵元宽度为 0.2 mm，阵元中心间距 
-50
0.3 mm，阵元总数 64 个，频率 5 MHz，楔块中的 z⊳mm 
倾斜角度为 12.48 。介质参数如表 1 所示。式 (1)、  -60
◦
式 (6) 中的高斯系数 A、B 采用文献 [13] 中的数值，  -70

分别取10.51+9.11i，96.67−111.50i (i 为虚数单位)。 -80

    
ᄱ଍᫼ѵ x⊳mm
ഀڱ (a) ᰴளܦౌ኎஍གູข

ᨸ -30
 
z⊳mm  ᳧ᨷ  -40
-50

ᨂ -60
 
     z⊳mm
x⊳mm  -70
图 3 楔块 -铝 -黄铜 -钢四层介质中的相控阵声场仿  -80
真模型  -90
Fig. 3 Simulation model of acoustic fields gener-      
ated by phased array in wedge-aluminum-brass- x⊳mm
(b) ၌ѾሥѬข
steel 4-layer structure
表 1 介质参数 图 4 高斯声束等效点源法和瑞利积分法的仿真对比
Fig. 4 Comparison of results using Gaussian beam
Table 1 Medium parameters
equivalent point source model and Rayleigh integral
介质 密度/(kg·m −3 ) 纵波速度/(m·s −1 ) 横波速度/(m·s −1 ) method
楔块 1190 2680 1100 图 5 为相控阵在楔块 -铝 -黄铜 -钢分层结构中
铝 2700 6198 3122
的偏转声场分布情况。声束在楔块中的偏转角分别
黄铜 8540 4640 2050
为−12.48 、0 、9.51 以及13.52 ，因此在楔块-铝界
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◦
◦
钢 7850 5778 3200
面处的入射角分别为 0 、12.48 、21.99 以及 26 ，从
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