Page 151 - 《应用声学》2022年第1期

第 41 卷 第 1 期 戴宇翔等： 固体中线性相控阵列的瞬态聚焦特性 147

象称之为 “焦点偏移”，Azar 等 [18] 在此前的研究中 1.0
0.9 a⊳λ p =0.1
同样发现了该现象，并将其解释为阵列的衍射效应 a⊳λ p =0.3
0.8
所导致的。“焦点偏移现象”会对成像结果带来极大 0.7 a⊳λ p=0.5
a⊳λ p =0.7
的影响，一方面使得焦点处的聚焦能量减弱，另一方 0.6 a⊳λ p =0.9
面，如果 “伪焦点” 处存在缺陷，则会在回波信号中 ॆʷӑࣨϙ 0.5
产生干扰信号，甚至在成像结果中形成伪像，这是应 0.4
0.3
当避免的。然而，在此前的研究中，由于阵元间距受 0.2
制于栅瓣，因此无法从根本上克服焦点偏移。值得 0.1
0
注意的是，如图 4(b) 所示，在阵元间距不小于一个 -90 -60 -30 0 30 60 90
波长的情况下，焦点偏移现象被完全克服，即预定焦 θ/(°)
(a) ཥᡰܫᄊևՔܦڤѬ࣋
点处的聚焦能量最强。
1.00
虽然，增大阵元间距可以改善声束聚焦性能，
0.95
但是过大的阵元间距也会带来某些负面影响。对于 0.90
不同的阵元间距，可以根据聚焦声场表达式 (8) 计 0.85
算得到对应情况下的焦点处的聚焦能量U f (r f , θ f )， ॆʷӑࣨϙ 0.80
0.75
并归一化处理后取对数以分贝值显示于图 5 中。可 0.70
以发现，过大的阵元间距将会导致聚焦能量呈现下 0.65
降的趋势，这不利于检测成像。并且，间距的增大必 0.60
0.55
然导致阵列总体尺寸的增大，导致其无法在空间狭
0.50
小的构件中使用。因此，最佳的阵元间距应该选择 30 35 40 45 50
r/mm
在一个波长左右。 (b) ෹ᅌϠᣁᝈᄊጫՔܦڤѬ࣋
图 6 阵元宽度对声束聚焦性能的影响 (d/λ p = 1,
0
θ f = 30 , r f = 40 mm)
◦
-1
Fig. 6 The influence of element width on the
-2
ཥགܫᄊᐑཥᑟ᧚/dB -3 r f = 40 mm)
beam focusing performance (d/λ p = 1, θ f = 30 ,
◦
-4
另一方面，由于压电晶片受到均匀力的激励，阵
-5
-6
所示，随着阵元宽度的增大，焦点处的聚焦能量显著
-7 元宽度的增加必然会导致聚焦能量的增强。如图 7
-8 提高，这有利于提高回波信噪比。在实际应用中，阵
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
元宽度通常受到加工工艺的限制，过宽的阵元会使
d⊳λ p
得相邻阵元间隙减小，从而引发阵间串扰等问题，因
图 5 焦点处的聚焦能量随着阵元间距的变化关系
(2a/λ p = 0.2, θ f = 30 , r f = 40 mm) 此最佳阵元尺寸应视具体情况而定。
◦
Fig. 5 The relationship between the focusing en-
2.3 偏转角
ergy and the inter-element spacing (2a/λ p = 0.2,
如前所述，单阵元在固体内激励产生的纵波具
θ f = 30 , r f = 40 mm)
◦
有明显的指向性，这使得聚焦声束在不同的偏转角
2.2 阵元宽度 下具有不同的聚焦性能。图 8 给出了在不同偏转角
另一个重要的阵列设计参数是阵元宽度，其 下的声束聚焦能量的变化情况，可以发现，随着偏
对声束聚焦性能的影响展示于图 6 中。如图 6(a)、 转角的增大，聚焦能量逐渐下降，这表明纵波声束
图 6(b)所示，阵元宽度对于聚焦性能几乎没有影响， 聚焦不适用于对位于大偏转角处的缺陷进行检测
随着阵元宽度的增大，只有旁瓣幅值具有较为明显 成像。这主要是由纵波的激发、传播特性所导致的，
的下降趋势。 单阵元激励产生的纵波主要沿着激励方向传播，从