[發明專利]一種全矩陣線性超聲換能器陣列的設計方法

有效

• 申請號: 201910249903.6
• 申請日: 2019-03-29
• 公開（公告）號: CN110059371B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發明（設計）人: 宋壽鵬;張瑜;吳華清
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/17
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種全矩陣線性超聲換能器陣列的設計方法，包括：建立全矩陣線性超聲換能器陣列單陣元空間聲場分布P；建立陣元指向性函數D(θsubgt;1/subgt;，θsubgt;2/subgt;)；求解有效聲束寬度w；確定矩形陣元長度a和矩形陣元寬度b；確定陣元間距d；根據給定陣元數目和有效檢測孔徑，評估陣列成像質量。本發明解決了目前全矩陣超聲成像技術無專門的傳感器陣列設計方法的問題，實現優于常規相控陣陣列的缺陷檢出效果以及成像質量，降低陣元數量，同時提高檢測時間效率。

技術領域

本發明涉及換能器陣列設計技術領域，尤其涉及一種全矩陣線性超聲換能器陣列的設計方法。

背景技術

目前，用于全矩陣數據采集的傳感器陣列結構參數大都遵循著超聲相控陣探頭中陣元間距小于二分之一超聲波長的準則，若在全矩陣采集中繼續沿用這一準則，會帶來陣元間距過小問題，使得陣元寬度受限，造成聲場中聲壓低，進而導致缺陷的檢出靈敏度下降，甚至漏檢；另外，陣元間距過小使得在確定有效檢測孔徑時需要的陣元數量更多，導致全矩陣模式采集數據量增加，降低了成像時間效率；同時也會造成陣列的制作難度增加，電路連接更加復雜，增加了系統的復雜性和成本。因此，繼續沿用相控陣陣列結構，必然會導致陣列聲場性能無法適應全矩陣成像的要求的問題。

針對這一領域的前期研究成果報道，主要是通過試驗驗證了在一定范圍內，有效檢測孔徑越大，陣列檢測性能越高，但僅僅是通過增加陣元間距以增大有效檢測孔徑，卻沒考慮到當陣元間距過大而陣元幾何尺寸過小導致聲場中聲壓過小，造成的缺陷漏檢問題，降低檢測結果的可靠性。也有的研究成果提出適當增大陣元間距不會對成像性能造成顯著的影響，并提出了消除柵瓣偽像的方法。還有研究成果分析了陣元寬度對聲壓分布的影響，發現當陣元寬度增大時，聲波在遠場區域聲壓強度明顯增加，由于研究側重點不同，并沒有對全矩陣陣列結構進行更深入的研究。

發明內容

針對現有技術中存在不足，本發明提供了一種全矩陣線性超聲換能器陣列的設計方法，解決了目前全矩陣超聲成像技術無專門的傳感器陣列設計方法的問題，實現優于常規相控陣陣列的缺陷檢出效果以及成像質量，降低陣元數量，同時提高檢測時間效率。

本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。

一種全矩陣線性超聲換能器陣列設計方法，包括：

建立全矩陣線性超聲換能器陣列單陣元空間聲場分布P；

建立陣元指向性函數D(θ₁，θ₂)；

求解有效聲束寬度w；

確定矩形陣元長度a和矩形陣元寬度b；

確定陣元間距d；

根據給定陣元數目和有效檢測孔徑，評估陣列成像質量。

優選地，所述全矩陣線性超聲換能器陣列單陣元空間聲場分布P為：

其中，λ為波長；r為空間任意一點與陣元幾何中心的距離；c₀為介質中的聲速；ρ₀為介質密度；ω為激勵信號角頻率；a為矩形陣元長度；b為矩形陣元寬度；θ為位置向量r與陣元平面法線的夾角；u_A為微元中心處的振速幅值；φ為連線l與陣元平面上x軸正向的夾角，連線l為空間任意一點在陣元平面的投影點與陣元幾何中心之間的連線。

優選地，所述陣元指向性函數D(θ₁，θ₂)為

其中，θ₁為位置向量r在陣元通過幾何中心，且沿寬度方向垂直于陣元平面上的投影與陣元法線的夾角；θ₂為位置向量r在通過陣元幾何中心，且沿長度方向垂直于陣元平面上的投影與法線的夾角。