[发明专利]一种全矩阵线性超声换能器阵列的设计方法

说明书

本发明提供了一种全矩阵线性超声换能器阵列的设计方法，包括：建立全矩阵线性超声换能器阵列单阵元空间声场分布P；建立阵元指向性函数D(θsubgt;1/subgt;，θsubgt;2/subgt;)；求解有效声束宽度w；确定矩形阵元长度a和矩形阵元宽度b；确定阵元间距d；根据给定阵元数目和有效检测孔径，评估阵列成像质量。本发明解决了目前全矩阵超声成像技术无专门的传感器阵列设计方法的问题，实现优于常规相控阵阵列的缺陷检出效果以及成像质量，降低阵元数量，同时提高检测时间效率。

技术领域

本发明涉及换能器阵列设计技术领域，尤其涉及一种全矩阵线性超声换能器阵列的设计方法。

背景技术

目前，用于全矩阵数据采集的传感器阵列结构参数大都遵循着超声相控阵探头中阵元间距小于二分之一超声波长的准则，若在全矩阵采集中继续沿用这一准则，会带来阵元间距过小问题，使得阵元宽度受限，造成声场中声压低，进而导致缺陷的检出灵敏度下降，甚至漏检；另外，阵元间距过小使得在确定有效检测孔径时需要的阵元数量更多，导致全矩阵模式采集数据量增加，降低了成像时间效率；同时也会造成阵列的制作难度增加，电路连接更加复杂，增加了系统的复杂性和成本。因此，继续沿用相控阵阵列结构，必然会导致阵列声场性能无法适应全矩阵成像的要求的问题。

针对这一领域的前期研究成果报道，主要是通过试验验证了在一定范围内，有效检测孔径越大，阵列检测性能越高，但仅仅是通过增加阵元间距以增大有效检测孔径，却没考虑到当阵元间距过大而阵元几何尺寸过小导致声场中声压过小，造成的缺陷漏检问题，降低检测结果的可靠性。也有的研究成果提出适当增大阵元间距不会对成像性能造成显著的影响，并提出了消除栅瓣伪像的方法。还有研究成果分析了阵元宽度对声压分布的影响，发现当阵元宽度增大时，声波在远场区域声压强度明显增加，由于研究侧重点不同，并没有对全矩阵阵列结构进行更深入的研究。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种全矩阵线性超声换能器阵列的设计方法，解决了目前全矩阵超声成像技术无专门的传感器阵列设计方法的问题，实现优于常规相控阵阵列的缺陷检出效果以及成像质量，降低阵元数量，同时提高检测时间效率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种全矩阵线性超声换能器阵列设计方法，包括：

建立全矩阵线性超声换能器阵列单阵元空间声场分布P；

建立阵元指向性函数D(θ₁，θ₂)；

求解有效声束宽度w；

确定矩形阵元长度a和矩形阵元宽度b；

确定阵元间距d；

根据给定阵元数目和有效检测孔径，评估阵列成像质量。

优选地，所述全矩阵线性超声换能器阵列单阵元空间声场分布P为：

其中，λ为波长；r为空间任意一点与阵元几何中心的距离；c₀为介质中的声速；ρ₀为介质密度；ω为激励信号角频率；a为矩形阵元长度；b为矩形阵元宽度；θ为位置向量r与阵元平面法线的夹角；u_A为微元中心处的振速幅值；φ为连线l与阵元平面上x轴正向的夹角，连线l为空间任意一点在阵元平面的投影点与阵元几何中心之间的连线。

优选地，所述阵元指向性函数D(θ₁，θ₂)为

其中，θ₁为位置向量r在阵元通过几何中心，且沿宽度方向垂直于阵元平面上的投影与阵元法线的夹角；θ₂为位置向量r在通过阵元几何中心，且沿长度方向垂直于阵元平面上的投影与法线的夹角。