郑浩鑫1,2，郑智贞2，刘杏娟3，黄明辉1，湛利华1，朱自清3，刘立达4
(1.中南大学机电工程学院，湖南长沙410083；2．中北大学机械与动力工程学院，山西太原030051；3．中北大学仪器与电子学院，山西 太原 030051；4．豫西工业集团有限公司，河南 南阳 471002)
摘要：以典型的超声相控一维阵列探头为研究对象，从其声束指向性函数入手，分析了超声相控一维阵列探头的阵元中心距在消除栅瓣方面的作用，总结了阵元中心距的最佳取值范围，为相控阵探头的设计和性能优化提供了依据和参考。
关键词：超声相控阵；声学指向性；一维阵列探头；参数优化
中图分类号：TN919. 6+3 文献标识码：A
●引言
阵列式超声探头又称为超声相控阵探头，是根据三电晶体的逆向压电效应原理，将一系列压电元件按一定规则排成一个阵列，它不仅可增强超声波的辐射强度．更重要的是可结合现代计算机控制技术、嵌入式系统以及FPGA技术等进行相位控制，进而改变指向特性，更好地实现“精确聚焦”[1]。
本文将从一维阵列声场空间的声束指向性公式人手．对超声阵列探头中的声束指向性参数进行研究，为篁杂相控阵探头的设计和优化提供相关依据和参考。
1-维线性阵列超声相控阵探头的指向性函数
多个压电晶片按一定模式组成一体，按其阵列结构的不同，超声相控阵探头可分为一维阵列、二维阵列、环形阵列等类型[2]，如图1所示。
一维阵列相比二维阵列、环形阵列和扇形阵列，具有结构简单、成本较低的特点，同时不失典型性[3]，所以本文从一维线性阵列超声相控阵探头的指向性函数人手．分析其声场特性[4]。
本文研究时不考虑阵列位置的影响。假设有N个筒谐点声源（阵元），其幅度A、角频率c均相同，相位差占逐次增加。当这N个点声源同时作用于空间中某点时，根据惠更斯原理，各声源将在这点叠加，形成干涉效应，在这点处产生的声压P可表示为：
栅瓣的出现意味着声波在除了控制角方向上的其他地方也有传播，即声能有泄漏。栅瓣的存在，因其幅值几乎和主瓣相同从而会产生误判，因此必须准确定位栅瓣的位置并尽量消除栅瓣，从而达到声束指向性优化的目的。
2探头的声束指向性参数优化
衡量超声相控阵探头指向性好坏的主要标准为主瓣宽度、有无栅瓣和旁瓣幅度[8]。声束指向性优化主要指减小主瓣宽度、消除栅瓣和使旁瓣幅度最小化。
故阵元间距d在式(11)范围内取值可消除栅瓣。
3结束语
分析研究了探头的阵元中心间距d和偏转角度口对一维超声相控阵探头声束指向性的影响，主要探讨了这些参数对消除栅瓣的影响，为超声相控阵探头的优化设计提供理论指导和依据。在超声相控阵探头设计时除考虑压电材料、阻尼材料和吸声材料的选择以外，还需综合考虑阵元各参数的相互影响，以获得最佳的声束指向性。
参考文献：
[1]钟志民，梅德松．超声相控阵技术的发展与应用[J].无损检测，2002，24(2)：67-69．
[2]冯若，超声手册[M].南京：南京大学出版社，19 99.
[3]李雯雯．超声相控阵技术的声场模拟和实验系统研究[D].济南：山东师范大学，2011:30-35．
[4]郑晖，林树青．超声检测[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008.
[5]宋志明，王黎，周小红，等．超声相控阵技术中的声场仿真[J]．压电与声光，2012(4)：567-569.
[6]刘晨，魏伟，超声数字式相控阵列换能器动态聚焦系统研制[J].应用声学，2000，19(6)：15-16.
[7]何汶静，祝元仲，王宇峰，等．相控阵超声探头声场的建模与仿真[J].生物医学工程学杂志，2012，29(5)：62-65.
[8]黄晶，周社育，阙沛文，线性超声相控换能器阵列的参数优化[J]．压电与声光，2010(2)：52-53.
