Page 152 - 《应用声学》2022年第1期

148 2022 年 1 月

而使得阵列的纵波声束聚焦能量主要集中在小偏 其中：l cr 是临界传播距离。用以上参数计算，此
转角处。 处的临界传播距离约为 5.2 mm，如图 9 所示，当
r f = 5 mm 时，焦点在临界传播距离内，此时纵横
0
波相互影响，使得主瓣较宽、旁瓣幅值极高，聚焦
-5
能量严重泄漏，从而导致聚焦性能极差；反之，当
ཥགܫᄊᐑཥᑟ᧚/dB -15 离外，此时的聚焦性能有了极大的改善。这表明横
-10
r f = 20 mm 和 r f = 40 mm 时，焦点在临界传播距
波会对纵波聚焦性能产生很大的影响，因此为了获
-20
取良好的纵波聚焦性能，聚焦扫描时的焦距应大于
-25
l cr ，即激励脉冲时间宽度不宜过长。
-30
1.0
-35 r f=5 mm
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.9
r f=20 mm
a⊳λ p 0.8
r f=40 mm
图 7 焦点处的聚焦能量随着阵元宽度的变化关系 0.7
(d/λ p = 1, θ f = 30 , r f = 40 mm) 0.6
◦
Fig. 7 The relationship between the focusing en- ॆʷӑࣨϙ 0.5
◦
ergy and the element width (d/λ p = 1, θ f = 30 , 0.4
0.3
r f = 40 mm)
0.2
0.1
0
0
-90 -60 -30 0 30 60 90
θ/(°)
ཥགܫᄊᐑཥᑟ᧚/dB Fig. 9 The influence of shear waves on beam fo-
横波对纵波聚焦性能的影响 (2a/λ p = 1,
图 9
-5
d/λ p = 1, θ f = 0 )
◦
cusing of compressional waves (2a/λ p = 1, d/λ p =
-10
1, θ f = 0 )
◦
3 实验结果分析
-15
0 15 30 45 60 75
θ f/(O)
本节通过实验验证理论分析结果的正确性，实
图 8 焦点处的聚焦能量随着偏转角的变化关系 验中采用Verasonics Vantage 可编程多通道相控阵
(2a/λ p = 1, d/λ p = 1, r f = 40 mm)
平台实现纵波声束聚焦。如图 10 所示，在实验中
Fig. 8 The relationship between the focusing en-
使用无损检测定制试块作为被检对象，其基本材料
ergy and the steering angle (2a/λ p = 1, d/λ p = 1,
#
为20 碳钢，其纵横波传播速度分别为 5930 m/s 和
r f = 40 mm)
3240 m/s。实验试块中包含两种尺寸的圆形通孔缺
2.4 脉冲宽度 陷，其直径分别为 1 mm 和 2 mm，缺陷分布位置如
由于固体中还存在着横波的传播，在传播过程 图10所示。
中，纵横波会随着传播距离的增加而逐渐分离，因此 实验中选取了两个不同阵元间距的相控阵列
为了获得良好的聚焦性能，需要保证在预定焦点处 对试块进行聚焦扫描、成像，换能器的中心频率 f 0
两种波已经完全分离。显然，使得纵横波完全分离 为 5 MHz，激励信号脉冲宽度为 2/f 0 ，对应的纵波
的临界传播距离与激励信号脉冲宽度有关，并满足 波长约为 1.18 mm。实验中所用相控阵分别采用由
如下关系式： 河北奥索电子科技有限公司生产的 5L32-0.6×10-
c 2 p U11-P-2.0-Hy 型号和 5L32-1.2×10-U2-P-2.0-Hy 型
l cr = t c , (10) 号的阵列换能器，其阵元宽度均为 0.5 mm (约
c p − c s