matlab声场折射模拟,凹面相控阵聚焦声场在液固界面上的反射和折射
1引言随着计算机和电子等技术的发展,超声相控阵探测技术在近几年取得了快速发展和应用[15],在一些领域相继出现了相对成熟的探测方法和商业仪器,使超声探测技术在精度和速度上大大提高[69].在超声相控阵列上,人们对平面阵列和凸面阵列的研究相对较多[13,1015],并且关于相控阵聚焦探测的研究主要集中在均匀介质中的相控声场特性上,主要分析声束宽度、图像分辨率和环境参数之间的关系.凹面线性相控阵列是一种重要的换能器阵列,在实际应用中往往会起到很好的探测效果,如棒材(或管材)质量的在线检测问题,常规的超声检测方法需要换能器探头或棒材不断地旋转,而采用凹面的相控阵探头,通过阵元之间的不同组合使声束快速地旋转并查扫到各个部位.目前,国际上已有利用凹面相控阵列对棒材检测的商业仪器,主要采取线性查扫和扇形查扫的方式来确定是否存在缺陷,然而,关于凹面相控阵棒材探测问题还存在许多基础问题,对凹面相控阵声场在圆柱形棒材中的聚焦特性缺乏深入的研究.本文针对实际棒材质量探测问题,开展了凹面线性相控阵列辐射声场在液固界面上的反射和折射特性研究,对声波在液固曲面上的反射和折射声场提出了一种可行的快速计算方法.图1为凹面线阵结构的剖面图,每个阵元均匀地分布在一个凹面结构上,每个阵元的长度远大于声波波长,在本文中认为阵元在长度方向上无限延伸,从而将声场在二维空间中进行研究和处理.每个阵元为压电晶体,在电激励下沿厚度方向产生振动,从而向整个空间辐射声场.我们首先分析单个阵元的辐射声场在液固平界面上的反射和折射,并把结果推向多阵元的相控阵列激发以及弯曲的液固界面;最后通过数值模拟对固体中折射声场的聚焦特性进行了分析和讨论.2压电长条的辐射声场考虑如图2所示的压电条形阵元,在x方向的宽度为2a,在y方向上无穷延伸,该阵元在液体空间中的辐射声压可表为[16]p(x,z)=-p(kx)ei(kxx+kzz)dkx,(1)其中,kz=k2-k2x,k=c,为角频率.通常假定阵元表面为均匀振动,即在z=0时有边界条件p(x,0)=1,|x|a,0,|x|>a.(2)图2压电条形阵元在液体中的辐射示意图利用(1)和(2)式不难得到p(kx)=2siknxkxa,(3)p(x,z)=-2sinkxakxei(kxx+kzz)dkx.(4)有时为了方便,令kx=ksin,将声压写为下述形式:p(x,z)=f()eik(xsin+zcos)d,(5)其中函数f()的意义如下:f()=2sin(siknasin)cos,(6)积分路径如图3所示.图3复平面上的积分路径示意图图4倾斜长条声场计算示意图3压电长条辐射声场在平面上的反射和折射如图4所示,z=h为液固界面,z>h为固体空间,z
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