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《陕西师范大学》 2010年
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超声线阵换能器的几何误差分析及遗传算法优化研究

姚旭  
【摘要】: 基于惠更斯原理发展起来的超声相控阵技术,激励信号按一定的规则和时序控制激发阵列换能器各个阵元,就可以达到调整超声扫描波束形状、焦点位置以及扫描偏转角的目的。近年来超声相控阵技术在医学诊断和治疗、工业的无损检测、海洋的开发与探测、通信、航空航天、国防、雷达,天线等领域应用特别广泛。 阵列换能器是超声相控系统中的关键部件,换能器的几何参数对它的性能有很大影响。本文主要探讨换能器阵元尺寸及间距的几何误差对线阵波束指向性的影响,从激励方式角度,提出改进方法进行校正,进一步对换能器的波束指向性进行优化,使得在制作过程中不可避免产生几何误差的线阵换能器,经过激励优化,可以达到设计的参数指标,或者达到期望的各种参数指标。 本文的研究内容有以下几个方面: (1)基于惠更斯原理,研究单个阵元、由离散单阵源组成的均匀线列阵和相控线阵的声场分布表达式及指向性函数,分析换能器的几何参数(包括阵元的谐振频率、阵元数量、阵元宽度和间距以及偏转角)对波束指向性指标(主波束宽度、旁瓣幅值、栅瓣出现)的影响。 (2)探讨阵列换能器实际阵元尺寸及间距与设计参数之间存在误差,造成指向性实际性能与设计指标的偏差修正问题,根据MATLAB仿真部分阵元尺寸和间距发生变化的方向性图,研究利用自适应算法,从阵元激励方式的角度,对其误差进行校正的方法。 (3)进一步研究均匀线阵换能器在几何参数优化后仍不能满足实际工程需要的问题,提出通过加权的办法优化线阵的指向性。本文采用最小化旁瓣幅值和最小化旁瓣总能量两种不同的优化标准,利用遗传算法优化线阵换能器的波束指向性。 经过研究,本文的发现: (1)换能器参数对波束指向性的影响有以下几个方面: (a)增加阵元个数、增大阵元间距可以减小主波束宽度,但主波束宽度随着偏转角增大而增大。在实际技术和成本合理的情况下,应尽可能选取较多的阵元个数; (b)阵元间距d越大波束指向性越好,但是如果阵元间距超过dmax=(N-1)λ/N/(1+ sin(θs)max)这一临界值时,将会出现较强的栅瓣,若要求扫描范围能达到180°,阵元间距不能超过λ/2; (c)旁瓣幅值与阵元个数、阵元宽度和偏转角成反比,而旁瓣幅值随着阵元间距的增大而增大。当阵元个数N→∞时,旁瓣幅值趋近于-13.5dB(2/3π)。 (2)换能器阵元尺寸和间距误差对波束指向性的影响为:阵元宽度增大,会使主波束的最大声压幅值增大,而对主波束宽度无影响;阵元间距变化,相邻阵元间的时延发生了变化,就会出现非相干区域,进而导致旁瓣很不规则且幅值增大,与仿真实验结果相一致。针对此线阵换能器起的几何误差,采用自适应算法从激励方式对其误差进行校正。若按一定规律合理布置阵元尺寸和间距可以改善波束指向性,能使旁瓣幅值大大降低。 (3)利用遗传算法优化线阵的加权系数,依据最小化旁瓣幅值和最小化旁瓣总能量两种不同优化标准,对几种不同线阵进行了优化,可以取得良好的优化效果。
【学位授予单位】:陕西师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB552

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【参考文献】
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