Page 153 - 《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 149

0.4λ p )， 阵 元 间 距 分 别 为 0.6 mm (约 0.5λ p ) 和
1.2 mm (约 λ p )。如图 11(b) 所示，可以证明在瞬 4 结论
态声场中，即使阵元间距大于半波长，也不会形成栅 传统的相控阵研究多数基于稳态流体模型，忽
瓣，否则成像图中将会出现较强的噪声、伪像等；其 略了相控阵在固体内的瞬态表现。为此，利用弹性
次，对比图 11(a)、图 11(b) 的成像结果，可以证明增 动力学理论，将相控阵聚焦声场视为独立阵元的瞬
大阵元间距可以显著提高缺陷的周向分辨能力；并 态辐射声场之和，建立了相控阵的纵波瞬态聚焦声
且，随着偏转角的增大，缺陷的分辨能力逐渐下降， 场模型。通过数值模拟深入研究了激励脉冲宽度、
这反映了纵波声束聚焦性能的降低，无法适用于大 阵元间距、阵元宽度、偏转角对于纵波聚焦性能的
偏转角区域；最后，对比两个图中的成像点最大幅
影响。结果表明，激励脉冲宽度对于聚焦性能具有
值，可以发现随着阵元间距的增大，成像点处的幅值
重要影响，短脉冲激励可以使得纵横波在聚焦区域
有所下降，这反映出聚焦能量的减弱。
内完全分离，从而获取理想的纵波聚焦性能；而且，
10 当阵元被短时脉冲激励时，声波的干涉条件极为严
ᄱ଍᫼
0 格，因此瞬态声场中不会形成栅瓣，从而阵元间距
-10 60° 50 mm
48° 不会再受到栅瓣的限制。并且，增大阵元间距可以
z/mm -20 φ  φ  克服焦点偏移，并显著改善声束聚焦性能，但会导
8°
-30
致聚焦能量的下降。综合考虑多方面后，最佳的阵
-40
元间距为一个波长左右。此外，受固体中纵波的激
-50
发、传播特性的影响，阵列的纵波聚焦成像只能够
-60
在小偏转角范围内获得理想的聚焦性能。最后，分
-60 -40 -20 0 20 40 60
x/mm 别采用不同阵元间距的相控阵对定制试块进行成
像实验，可以观察到具有较大阵元间距的阵列可以
图 10 实验试块结构示意图
显著提高缺陷成像分辨率，从而验证了理论分析的
Fig. 10 Schematic diagram of structure of the test
block 结果。本文的研究揭示了相控阵在固体内的瞬态声
波聚焦特性，并为阵列的实际设计提供了重要的理
0 T10 7 论依据。
10 15
20
z/mm 30 10
40
5 参 考 文 献
50
60 0
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 [1] Xie Z L, Zhou H, Zheng Y F. Simulation of the acoustic
x/mm field emitted from medical linear transducer in a heteroge-
(a) a⊳λ p/⊲֒ d⊳λ p/⊲ neous tissue[J]. Chinese Journal of Acoustics, 2014, 33(2):
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0
10 15 [2] Hou T, Wang Y Y, Guo Y. Speckle reduction for medi-
cal ultrasound images with an expectation-maximization
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z/mm 30 framework[J]. Chinese Journal of Acoustics, 2011, 30(4):
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40
50 5 [3] Wu W, Pu J, Lyu Y. Medical ultrasound imaging method
60 0
combining minimum variance beamforming and general
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 coherence factor[J]. Chinese Journal of Acoustics, 2012,
x/mm 31(2): 133–143.
(b) a⊳λ p /⊲֒ d⊳λ p /⊲ [4] 周正干, 李洋, 周文彬. 相控阵超声后处理成像技术研究、应用
和发展 [J]. 机械工程学报, 2016, 52(6): 1–11.
图 11 不同阵元间距的相控阵列对试块的扇扫成像图
Zhou Zhenggan, Li Yang, Zhou Wenbin. Ultrasonic
Fig. 11 The sector scanning image of test block for phased array post-processing imaging techniques: a re-
phased arrays with different inter-element spacing view[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2016, 52(6):
1–11.