4.3
延迟计算

4.3.1 声束聚焦计算

相控阵系统中，通过先激发所选孔径外侧阵元，再按特定时控延迟依次激发内侧阵元，实现简单聚焦，如图4-15所示。

完成该过程所需的延迟，是使相邻阵元之间相差一定时间。通过工件简单结构及材料声速，即可估算延迟时间。

例如，已知16阵元5MHz探头，阵元10mm长、0.8mm宽，各阵元间隙为0.2mm。探头置于钢试块上，采用纵波，聚焦深度为25mm，如图4-16所示，请计算相应阵元延迟时间。

探头中心至外部阵元中点的距离为7.5mm（即将外部尺寸除以2，再减去阵元宽度的一半）。

建立一个直角三角形：聚焦深度和探头中心至外部阵元中点距离分别是该直角三角形的两条直角边，边长分别为25mm、7.5mm。根据勾股定理，外部阵元中点至聚焦点的长度为26.1mm。由于钢中纵波声速为5.9mm/μs，则该阵元发射的子波传播至聚焦点的时间为4.4238μs。

根据该方法计算从其他7个阵元位置发射的子波到达25mm聚焦深度的时间，进而得出延迟时间，见表4-1。

由于阵列是对称的，因此第9～第16个阵元分别对应第1～第8个阵元的情况。

4.3.2 声束偏转计算

相控阵探头的声束偏转包含了对阵列探头发射声束折射角的改变能力，声束偏转可实现单探头的多角度检测。

对所用阵元进行施加线性延迟可以实现简单的声束偏转。使用一维（线性）阵列时，只能在激发平面实现声束偏转。使用单探头，可以通过声束偏转形成L波（纵波）和SV波（垂直偏振横波）。如上所述，声束偏转能力与最大偏转角度（-6dB）下的单个阵元的宽度有关：

式中 θ _st ——最大偏转角度（°）；

a ——单个阵元宽度（mm）；

0.44——矩形晶片-6dB声束半扩散常数；

λ——波长（nm）。

可以通过斜楔改变声束偏转范围。使用斜楔也可以消除不希望出现的纵波。

接下来使用与之前聚焦示例相同的探头来分析声束偏转的影响。为方便起见，不使用额外的折射斜楔，把探头直接放置在钢制试块上。

如图4-17所示，在最后激发的阵元中点做一条斜线，与表面呈一定角度。第1个阵元形成了圆弧波阵面，与斜线切于一点。之后的每个阵元经相同的延迟时间后形成的圆弧会在同一时刻与斜线相切，所有切点共线，这样就实现了声束偏转。

再次建立一个直角三角形。首个激发阵元的中点到最后激发阵元的中点的连线构成了其中一条直角边。阵元间距（1mm）增加了各个阵元的中点在探头面的间距，阵元中点到斜线（同上述斜线）的距离用下式求出：

Y = r sinθ

式中 r ——探头面所在的直角边长度（mm）；

θ ——所需折射角（°）。

用 Y 值除以声速（5.9mm/μs）即可求出延迟时间，见表4-2。

将探头安装在楔块上时，需要在特定深度以特定角度聚焦，延迟时间计算比较复杂。如图4-18所示，探头放置在工件上，使用斜楔辅助完成声束偏转，并以横波形式在特定深度聚焦，右侧的延时图纵坐标的单位是μs。