文摘

超声相控阵检测技术的改进是工程界的一大忧虑。可以构造正交异性压电复合材料(OPFC)多元素线性阵列可方便地应用于执行机构和传感器。相控阵换能器可以生成特殊定向强有力的执行机构权力和高灵敏度的正交的性能。线性相控阵换能器的聚焦光束得到简单的只通过调整抛物线时间延迟。在这部作品中,分布点源(DPSM)方法用于超声场模型。DPSM是一个新开发的无网数值技术,已经开发了解决各种工程问题。这个工作给该方法的基本原理和解决问题新OPFC相控阵换能器的应用。与传统的传感器相比,两个OPFC线性相控阵换能器的相互影响也在同一介质建模,这表明新传感器产生的压力梁窄或平行比传统传感器产生的不同角度。DPSM可以用来分析和优化OPFC线性相控阵换能器的设计。

1。介绍

超声相控阵检测技术,提出了克劳福德起源于1960年代美国康菲石油公司(1]。相控阵换能器是由连接不同的组件和压电元素的空间分布。结构可以与快速检测宜通过控制发射顺序和时间延迟。这些数组也利用领域的无损评价(NDE)的材料(2,3]。但是传统的相控阵换能器有脆性断裂等缺陷,不同的设计能力,和非法的机电参数(4与压电材料为核心元素,最后决议将受到影响。因此,超声相控阵检测技术可以进一步提高改善关键材料的质量和发展新的相控阵换能器。与传统的压电陶瓷相比,正交异性压电复合材料(OPFC)作为致动器/传感器元素的工程结构的损伤诊断显示出明显的优势为他们出色的正交的特征(5,6]。

罗[集团7)开发与OPFC作动器和传感器的模型,满足不同结构的检测。这些模型的传感器将被用来制造新的相控阵换能器在不同工程结构检查。OPFC相控阵被视为一个线性阵列组成的单一元素的来源。新结构正交的性能。这种特殊的性能可以用来激励和接收应力波在不同的方向,减少干扰信号。

摘要新OPFC相控阵换能器由分布式点源semianalytically建模方法(DPSM)。DPSM用于模型计算超声波换能器产生的压力和速度场新的传感器。Placko集团(8)首先开发了超声换能器仿真的新方法。在本文中,一个OPFC相控阵换能器建模使用DPSM获得均匀介质中的超声波场。结果比较相控阵换能器产生和传统平面换能器超声束在不同的方向。两个相控阵之间的相互影响的重要性也被认为是通过计算超声领域。

2。DPSM理论分析

基于空间分布点源,DPSM建模可以用来计算一个超声换能器所产生的压力场放置在齐次和非齐次流体介质。传统的传感器组成的许多点光源同时振荡。方程(1)显示的总点生成的字段点光源,但关键来源是兴奋相控阵换能器在不同的时间。让点力量的源泉兴奋的时刻;在远处的压力从具体点光源(2): 在哪里是角频率,是波数。相控阵换能器的表面的点光源在不同的时间间隔后认为是兴奋和可以表示为 在哪里是一个参考时间。如果有点光源分布在表面的元素,如图1,总压强点可以得到: 在哪里的距离吗th点源从。从压力速度关系9),速度生成的方向点光源是由

后增加的贡献来源,方向的速度分量,(见图1)得到:

因为传感器表面振动与一个非零的速度方向,从表面上看,和。对于传统的传感器,相控阵换能器,。如果观察点放置传感器表面,这三个方程的表达式(6)应该等于0,0,,分别。因此,方程将获得点在传感器表面。我们得到更多的方程比未知数。得到相同数量的未知数方程,未知的数量可以增加来通过替换每个点源三联体的来源。所有资源都放在同一个平面平行于传感器表面。随机取向的三联体来源是必要的保护各向同性材料属性。通过求解线性方程,源力量所有的点光源。在得到,压力可以在任何时候从计算(1)。速度分量换能器平行面临不一定是连续的,因为可能发生滑移传感器的脸和液体之间。方程(6)可以组合成矩阵方程如下: 在哪里是向量的速度分量数量的表面点。 是向量的优势点光源的数量。是两个向量矩阵有关和。所以可以写成

向量源优势是由

最后,方阵可以得到: 在哪里

在上面的方程代表之间的距离th点源和传感器表面的目标点。第一个下标的可以把1、2、或3和指示,,或的方向。下标的和可以把值从1到根据点源和上标可以把值从1到。所制定的点光源,三种速度边界条件满足每一个点的边界点。从源优势通过反相矩阵,

然后,压力和速度分量观察点,从下面的矩阵关系得到:

如果观察点是相同的传感器表面点,矩阵会一样吗(11)。然而,通过计算速度场在不同的点,将如下所示:

当两个传感器被放置在相同的流体,压力场可以通过叠加两个简单的建模部分,如图2。总在任何时候可以看第1部分和第2部分。右脸被一个虚构的散射表面在第1部分中,左边的脸是被虚构的散射体所取代。这两个问题可以建模为分布式点光源。超声场点生成的两个OPFC相控阵换能器可以通过结合上面的方程: 在哪里和在第1部分和第2部分所产生的超声领域,分别。是两个传感器的总效应。请注意,考虑交互作用。由原来的传感器的压力场。

3所示。OPFC元素均匀流体的压力场

DPSM理论提出了以上是用来模拟超声场中产生均匀的流体(水)OPFC超声相控阵换能器。近场长度和发散角可以计算方法。与关闭表单分析值相比,我们可以验证DPSM的准确性。近场的长度和发散角方程可以如下所示10]: 在哪里是波长,是部分的一半长度,的矩形区域传感器,如图3。压力的解析表达式在均匀流体沿中心轴传感器给出的(17):

图4显示了声压的变化设在DPSM和解析表达式。信号的频率MHz。换能器的尺寸是21.6毫米×3毫米0.8毫米,这是最佳的维度设计OPFC元素。被放置在DPSM建模的80点,而在传感器表面。根据DPSM几何问题的条件,。从(16)发现是0.51毫米。如图3的理论价值过渡点匹配很好。

图6显示相应的声压的变化飞机在DPSM技术。理论的发散角计算(17)。从图的发散角测量5大约30°,这是非常接近理论值。两个结果验证DPSM的准确性。

4所示。数值模拟的结果由DPSM OPFC相控阵换能器

4.1。动态聚焦和时间延迟计算

聚焦光束通过结合球时机的关系产生光束,聚焦在一个给定的范围和传播在特定角度。聚焦延迟可以被下面的传统计算公式(11]: 在哪里所需的延迟吗th元素,是焦距,是一个常数延迟积极。目前主要有两个限制。首先,只有有效的为奇数的元素。然而,大多数相控阵列具有偶数个元素。其次,不断保持延迟积极利用非常笨拙。为了克服这些缺陷,广义公式处理甚至和奇数的元素是派生的。如图7,下面的几何关系可以获得: 的元素,在那里元素的总数。的开动时间吗th元素。解,我们获得

泰勒考虑表达,

用(20.)(21),相邻数组的聚焦延迟可以获得: 和。

所以,

的延迟th元素和第一个元素可以写成

OPFC相控阵换能器由许多元素按一定的模式,发出声能量在不同的时间。元素可以在特定的脉冲序列控制波束角取决于时间延迟。

4.2。数值模拟结果和讨论

OPFC相控阵换能器可以轻松驾驭一束超声波在不同的方向旋转或移动。但传统的传感器旋转来获取所需的指导方向。图8显示了相控阵换能器的转向草图和传统传感器旋转。

图9显示生成的声压场的OPFC相控阵换能器在水里。传感器的长度和宽度是5毫米和0.8毫米,分别。和令人兴奋的频率是2 MHz。声压领域建模的转向角等于0°、15°、30°、45°,分别。数据10 ()- - - - - -10 (d)显示八个单所产生的压力场OPFC传感器元素的轴传感器由0°,旋转15°、30°、45°,分别。对于这两种结果,设在代表OPFC相控阵换能器的坐标长度方向设在宽度方向的坐标。表面积等于4.0毫米²和点光源的数量是80。每个OPFC元素是名誉扫地为五个点光源分布沿方向,总共60点光源。在图9,焦点的距离设置为5毫米方向。正常的距离kees稳定在5毫米的位置方向的转向角度的变化。从数据9和10可以看出,最大压力强度和单位为相控阵和传统的传感器,分别。也观察到,产生的压力梁OPFC相控阵换能器是窄或更多比传统传感器产生的平行。从数据可以得出类似的结论9 (b)和10 (b)15°方向盘角度,人物9 (c)和10 (c)30°转向角和数据9 (d)和10 (d)45°转向角。

图11是声压沿轴相控阵和传统传感器的转向角等于0°、15°、30°、45°,分别。从图片,OPFC相控阵换能器产生强大的压力梁比传统的传感器在近场指导方向。仿真表明,兴奋的压力OPFC相控阵换能器比传统传感器之间的近场距离和焦点。

两个OPFC相控阵换能器之间的相互影响放置在同一介质进行了研究。两个传感器面临相互平行,中央轴共线。产生的声场以及一端另一端的散射场计算传感器。周围的介质是水。数据12(一个)和12 (b)显示字段的压力产生的相控阵换能器的转向角0°时,交互效应被忽略。图13显示了相同的压力场OPFC相控阵换能器的交互效应。梁产生的压力传感器底部部分由传感器和反射或散射影响总声场。可以清楚的看到的交互影响。从顶部反射的光束传感器引起峰值远远大于观察图12。在图13在附近,梁mm是比图稍宽12 (b)。

5。结论

OPFC线性相控阵的制作原理是证明的特殊正交的性能。一个OPFC线性相控阵换能器与动态聚焦使用DPSM建模。DPSM技术是利用不同角度的比较集中的行为OPFC线性相控阵和传统的传感器。两个线性相控阵换能器面对面放置在同一介质也建模研究建模研究的交互效果。这个演示的重要性集中在不久的字段,而集中的指向性很好定义的。OPFC线性相控阵换能器可以产生更强大和更好的平行光束探测到的损失。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢的支持“863项目”(2009 aa03z107),自然科学基金(11272138),江苏大学基金会(14 jdg022),医生点基金项目(20123227130002),为他们的贡献和他们的同事的工作。