2.5. Формирование пучков с помощью решеток преобразователей

До сих пор в данной главе обсуждались вопросы формирования ультразвуковых пучков при условии, что фаза возбуждающего сигнала (или чувствительность) одинакова по всей поверхности преобразователя. Изменение и регулировка фазовых соотношений в пределах активной поверхности преобразователя позволяют существенно расширить возможности таких устройств. Практически этого можно добиться, если разбить поверхность преобразователя на ряд отдельных элементов и ввести относительные фазовые сдвиги между электрическими сигналами, подаваемыми или снимаемыми с этих элементов. Используя соответствующий закон изменения фазы, можно в принципе сформировать волновой фронт любой требуемой формы. С помощью электронной коммутации фазовыми соотношениями можно управлять с очень высокой скоростью (характерное время переключения может составлять ). Это позволяет с высоким быстродействием сканировать ультразвуковым пучком по пространству и получать динамическую фокусировку. Например, таким способом можно перемещать приемный фокус преобразователя вслед за волновым пакетом, излученным тем же самым преобразователем и удаляющимся от него со скоростью звука. В разд. 1.4.1 проведено предварительное ознакомление с теорией таких многоэлементных решеток.

Ранее рассматривались одноэлементные преобразователи, фокусирующие свойства которых обусловлены конфигурацией их поверхности или применением акустических линз. Фазированные решетки преобразователей являются более универсальными устройствами формирования пучков в том плане, что форма создаваемых ими волновых фронтов может отличаться от формы активных поверхностей используемых преобразователей (например, сферической или конической). Однако стоимость многоэлементных решеток достаточно высока. Кроме того, их характерной особенностью является дискретность требуемого фазового распределения в пределах волнового фронта. Такая дискретность обычно приводит к

нежелательным искажениям структуры акустического поля, например к появлению «лепестков решетки». Тем не менее с учетом данной оговорки фазированные решетки преобразователей можно рассматривать как самостоятельный класс устройств для создания волновых фронтов, форма которых отличается от плоской. К таким устройствам применимы многие результаты анализа, проведенного ранее для одноэлементных фокусирующих систем.

Важное практическое значение имеют два основных типа решеток преобразователей — линейные и кольцевые решетки (рис. 2.13). Были предложены и преобразователи третьего типа, представляющие собой двумерную прямоугольную матрицу отдельных элементов. Однако такие преобразователи до сих пор не получили широкого применения, вероятно, вследствие высоких затрат на изготовление большого числа раздельных каналов излучения и приема.

Как показано на рис. 2.13, а, широко применяемые линейные решетки обычно изготавливаются в виде последовательности примыкающих друг к другу прямоугольных элементов, вырезанных, как правило, из одного и того же образца материала. В простейшем случае используется поочередное переключение элементов и никаких фазовых сдвигов между ними не вводится. Отдельные элементы просто объединяются в группы, например с 1-го по со 2-го по по При этом поперечное сканирование несфокусированным пучком, сформированным к соседними элементами, осуществляется путем последовательного переключения на одно межэлементное расстояние. В таком режиме работы межэлементное расстояние выбирается так, чтобы пространственная частота выборки сигнала в акустическом поле была достаточно высокой и в полученном изображении не возникала растровая структура (см. гл. 7).

Чтобы обеспечить угловое сканирование и фокусировку ультразвукового пучка, конструкция решетки преобразователей должна удовлетворять достаточно жестким требованиям. Диаграмма направленности каждого отдельного элемента должна быть сравнительно широкой, т. е. поперечные размеры элементов должны быть достаточно малы для того, чтобы полный угол отклонения пучка (например, ±40°) мог быть реализован при приемлемом изменении коэффициента усиления, скажем, на Вместе с тем диаграмма направленности должна быть достаточно узкой, чтобы обеспечить возможность выделения полезного сигнала на фоне паразитных лепестков решетки. Разработка фазированных решеток

Рис. 2.13. Основные типы решеток преобразователей: а — линейная решетка (показана в комбинации с цилиндрической линзой, обеспечивающей фокусировку в направлении, перпендикулярном плоскости сканирования); б - кольцевая решетка.

преобразователей, обеспечивающих угловое сканирование и фокусировку пучка, является весьма сложной задачей. Обстоятельное рассмотрение этого вопроса проведено в работах [20, 33].

В настоящее время начинают также широко применяться гибридные системы, сочетающие в себе элементы простых решеток с дискретным переключением и фазированных решеток, обеспечивающих угловое сканирование и динамическую фокусировку пучка. В таких системах определенная степень фокусировки достигается за счет введения заданных фазовых сдвигов между элементами отдельной группы. Кроме того, некоторые гибридные системы могут обеспечить небольшое качание пучка с целью снижения когерентности поля излучения-приема [см. гл. 8].

К существенным недостаткам линейных решеток относится то, что формирование заданного профиля пучка и сканирование возможны только в одной плоскости, а именно в плоскости,

перпендикулярной продольным осям элементов. Для обеспечения фокусировки вне этой плоскости необходимо использовать акустические линзы или же применять искривленные элементы, создание которых сопряжено с определенными технологическими трудностями.

Кольцевые решетки (рис. 2.13, б) также представляют интерес, хотя они и не получили столь широкого распространения. Принципы их работы обстоятельно рассмотрены в литературе [1, 7, 18]. Преобразователь в виде кольцевой решетки состоит из ряда концентрических кольцевых элементов, образующих плоскую или искривленную поверхность. Введение соответствующих фазовых сдвигов между сигналами, излученными или принятыми каждым элементом или одновременно между сигналами обоих этих типов, позволяет в принципе сформировать волновой фронт с круговой апертурой и любой требуемой формой. На практике часто необходимо, чтобы волновые фронты были сферическими или имели близкую к сферической конфигурацию. Для этой цели используются две различные конструкции кольцевых решеток. В первом случае применяется стационарная геометрическая фокусировка без введения каких-либо фазовых сдвигов в пределах апертуры решетки. Фокусировка на оси достигается с помощью акустической линзы или путем придания определенной конфигурации самой решетке. Во втором случае между соседними кольцевыми элементами вводятся одинаковые фазовые сдвиги. В результате такая решетка превращается в обычную зонную пластинку Френеля, у которой внешние диаметры колец возрастают в последовательности и т. д., причем площади всех колец равны между собой. В работе [1] показано, что структура акустических полей, генерируемых такими решетками, хорошо согласуется с результатами теоретических расчетов, выполненных в рамках дифракционной теории (см. гл. 1).