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博观而约取，厚积而薄发。——苏轼

相控阵超声换能器结构与聚焦算法

1、相控阵换能器结构

相控阵超声的特点是通过软件输入波束参数，如角度、焦距、焦点尺寸等来

产生超声波束。焦点规则指计算机运算法则，定义参数分配给晶片组合，从而提

供一个特殊的波束形状。这些参数包括应用电压的振幅，激发序列和不同晶片激

发的延迟时间。我们采用了由64晶片组成的直线型阵列形式（如图1所示，为

了画图清楚图中只画出10晶片），来完成声束的动态扫描和动态聚焦，如图2

所示。

图1直线形阵列

图2相控晶体动态聚焦和动态扫描

2、相控阵超声换能器聚焦偏转特性

2．1电控偏转特性

偏转特性是通过相邻阵元的等时差来实现的，偏转角与两晶片之间时间差的

博观而约取，厚积而薄发。——苏轼

数学关系为:

θ=sin-1(c/d*τ)

其中:c为介质的速度;d为两晶片之间中心距离;τ为两晶片间时间差。

发射偏角、接收偏角是通过发射延时电路和接收延时电路通过等时间差的方

法实现了发射偏转和接收偏转。

图3电控偏转角特性图

2．2电控聚焦特性

应用相控技术，对线阵探头各阵元提供按二次曲线规律延时的激励，使超声

场区合成波阵面呈二次曲线凹面，从而实现波束聚焦。

聚焦特性是表征发射声束在某距离收敛范围的几何尺寸,它直接影响检测缺

陷的灵敏度分辨率和检测区域大小的关键,通过研究阵元之间的时间差与焦点位

置、焦柱的几何尺寸之间的关系来确定聚焦的特性。

设相邻阵元中心距为d，焦距为F，1、2号阵元距线阵中心距离分别为L、L，

12

则1、2号阵元的声程差为

博观而约取，厚积而薄发。——苏轼

22-1/222-1/2

ΔS＝(F+L)－(F+L)

12

由此可求得1、2号振元的相差延时量为：

τ＝ΔS/C

1

应用上式，可以求得各阵元间声程差和相差延时量，当给定焦距，只要使各激励

脉冲分别经过不同延时量，便可实现定点电控聚焦。

由于超声发射采用电控聚焦，各阵元接收的反射回波亦有相应的相位差，

为使这些回波能再接收中同相合成，显然也需要对各阵元所接收到的回波信号给

予延时补偿，因此，在接收回路，也要和发射电路一样，设置延时，并使各线的

延时与发射延时相等。

图4电控聚焦特性图

3、发射控制算法、接收控制算法

发射控制算法：

影响发射方案的参数

{管径Φ、管壁厚D、坡口形式（U、V、复合等）}

任一阵元组合成超声场的特性

设任一阵元组的组成为1～n（n取值范围为1～32）

近场长度：

N＝{a×n×(d×cosβ/cosα×cos(α-θ))}/(π×λ)

博观而约取，厚积而薄发。——苏轼