二元超声换能器阵列指向性的研究

发布时间：2020-07-22 23:50

【摘要】：超声波是一种频率高于人类听觉的可听限度上限的声波,其频率为20 kHz至几千兆赫兹。超声波有三个明显的特点。超声波具有高频率,因此超声波传播的指向性很强,而且可以穿透几乎所有材料;介质中的质点在超声波传播过程中会产生一个很大的加速度;超声波在液体传播时,如果声强达到某个阈值,会产生空化现象。超声空化指的是超声在液体内传播时,致使液体中的气泡从出现到破碎消失的过程。超声空化存在一个阈值。超声波被应用于许多领域。超声波设备用于在水中测量距离。工业上,超声波用于清洁,还有混合和加速化学过程。在产品和结构的无损检测中,超声波用于检测其中不可见的缺陷。超声成像和超声治疗通常在医学中被广泛使用。超声换能器是一种声学传感器,分为三大类:发射器,接收器和收发器。发射器将电信号转换为超声波,接收器将超声波转换为电信号,收发器可以发送和接收超声波。超声换能器能够产生超声波,但是单个超声换能器通常不能满足实际应用中的多方面要求,通常这时候就需要利用超声换能器阵列来满足这些要求。目前国内外研究的主要是单一超声换能器作为阵元的超声换能器阵列,关于多种超声换能器共同作为阵元的超声换能器阵列的研究较少。因此,本文采用圆型活塞换能器和矩形活塞换能器共同作为超声换能器阵列的基本阵元。本论文首先介绍了换能器的声场特性和指向性的定义。接下来,介绍了圆形活塞换能器和方形活塞换能器在远场的声场特性和指向性,并进行了模拟仿真。最后介绍了换能器阵的声场特性和指向性,并对乘法定理和加法定理进行了阐述。本文的研究内容分为两个部分。第一部分是通过改变换能器阵列的排列计算它们变化引发的换能器阵列指向性的变化。首先举例说明了采用单一阵元组成的3×3换能器阵列的几种排列和采用两种阵元组成的3×3换能器阵列的几种排列,并计算并仿真了其的指向性。研究结果表明:采用两种阵元组成的超声换能器阵列的最大旁瓣在几种排列中最小。因此采用两种阵元组成的3×3换能器阵列在指向性上可以比采用单一阵元组成的3×3换能器阵列好。然后研究了采用单一阵元组成的4×4换能器阵列的几种排列和采用两种阵元组成的4×4换能器阵列。最后研究了采用单一阵元组成的5×5换能器阵列的几种排列和采用两种阵元组成的5×5换能器阵列。也得出了类似的结论。因此,采用两种阵元的换能器阵列在指向性上可以比采用单一阵元的换能器阵列好。第二部分是改变两种阵元组成的换能器阵列的参数计算它们变化引发的阵列指向性的变化。通过计算不同阵元间距的两种阵元组成的换能器阵列的指向性。研究结果表明:阵元间距越小,两种阵元的换能器阵列的指向性越好。通过计算不同阵元尺寸的两种阵元的换能器阵列的指向性。研究结果表明:阵元尺寸越大,两种阵元的换能器阵列的指向性越好。通过计算不同阵元频率的两种阵元的换能器阵列的指向性。研究结果表明:超声频率越大,两种阵元的换能器阵列的指向性越好。通过计算不同介质的两种阵元的换能器阵列的指向性。研究结果表明:介质中声音速度越小,两种阵元的换能器阵列的指向性越好。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB552
【图文】：

示意图,声场,圆形,半径

-远场中距声中心为 r 的球面上最大值方向( 0, 0)上的 0= 0= 0°。要满足远场条件 ≥ 2 到观察点的距离；或换能器阵的最大半径：能器的声场特性及其指向性形活塞换能器的声压分布如图 2-1 所示

圆形,超声频率,中声,指向性

将活塞表面分成无限多个小面元，每一个面元均可看作一点Q 取面元 dS，面元 dS 在点 P 处产生的声压为 dp。积分后可得[43,4 = 2 2 2 1 (2 2)换能器指向性函数是轴对称的，并且指向性函数与 α 角无关，因。xOz 平面内圆形活塞换能器的指向性。换能器辐射的指向性函数为 , = 0 = 2 1 (2 3)塞换能器半径为3 cm，超声频率 f取50 kHz，声速c取水中声速1式使用 MATLAB 进行编程计算，结果如图 2-2 所示。

中声,指向性,圆形,超声频率

图 2-3 4 cm 圆形活塞超声换能器的指向性活塞换能器半径为5 cm，超声频率f取50 kHz，声速c取水中声速式使用 MATLAB 进行编程计算，结果如图 2-4 所示。

【参考文献】