基于能量最低原理的超声波束合成研究

摘要

超声相控阵技术的研究是超声无损检测领域的一个热点研究方向。相控阵是由一系列的压电阵元晶片组成的阵列换能器，实现超声波束的发射和接收。通过精确控制相位的电激励电路驱动各个阵元分别产生超声波，各阵元产生超声波在空间干涉形成相控超声波束。合成的波束在空间传播，当遇到具有声阻抗差异的界面后会产生反射波，通过阵元接收电路接收反射波，然后合成为波束，形成完整的波形图，并以此判断物质中是否存在缺陷。该测量技术简单易控、测量精度高，在医学和工业领域得到了使用和推广。
　　 论文首先介绍了相控阵测量的理论知识和测量原理，对测量过程有了一定了解。在此基础上，重点研究相控阵各阵元之间的聚焦延迟时间。聚焦延迟时间的研究直接关系着阵元发出声波在空间实现聚焦、偏转等效果，因此研究相控阵聚焦技术具有重要意义。
　　 根据声波在介质中传播的特性，对聚焦延迟时间的研究分为两部分分别进行研究。先研究声波在单层介质中传播，此时声波的传播路径相对简单，通过简单的几何声程法即可算出各阵元的聚焦延迟时间。第二部分重点研究声波在两层介质中传播的情况，及聚焦延迟时间的计算。由于此时声波将由一种介质进入另一种介质中，传播的路径将发生改变，所以它的计算将相对复杂。本文中提出了两种有关阵元聚焦时间的算法，它们是基于斯奈尔定理的算法和基于费马原理的算法。由两种方法算出聚焦时间的具体求解式，由于该计算公式非常复杂，很难用手工完成计算。故本论文中，采用了计算机软件编程的方式完成运算过程。通过计算机软件编程写出了一套简洁快速操作的界面，只需输入测量的参数，就可得出聚焦时间，这大大提高了计算的效率和准确度。