مطالعه عددي تاثير پارامترهاي هندسي بر فشار آكوستيكي ناحيه تمركز ترانسديوسر آرايه فازي خطي آلتراسونيك

Numerical study of the geometric parameters effect on acoustic pressure of focal point of a linear phased array ultrasonic transducer

ترانسديوسرهاي آرايه فازي به دليل ويژگي منحصربه فردي كه دارند در بسياري از كاربردها مورد استفاده قرار مي گيرند. بكارگيري اين نوع ترانسديوسرها در تست هاي غيرمخرب براي شناسايي عيوب مانند تخلخل و ترك و همچنين اندازه گيري تنش، در پزشكي جهت عكس برداري و درمان بيماري ها و در ناوبري و فاصله يابي صوتي (سونار) برخي از كاربردهاي اين سيستم مي باشد. يكي از ويژگي هاي مهم اين ترانسديوسر نسبت به ديگر ترانسديوسرها، قابليت تمركز امواج در هر فاصله و زاويه اي مي باشد. هدف اصلي در اين مقاله، بررسي پارامترهاي هندسي يك ترانسديوسر آرايه فازي خطي با تعداد 8 المان پيزوالكتريك مانند عرض و ضخامت المان ها، فاصله بين آن ها و همچنين فركانس كاري مناسب و ولتاژ تحريك المان ها بر فشار آكوستيكي ناحيه تمركز با استفاده از روش عددي مي باشد. ابتدا جهت صحت سنجي، رفتار يك المان به صورت تجربي با روش عددي مقايسه شد. فشار آكوستيكي در راستاي محور كريستال با استفاده از دو روش تجربي و عددي اندازه گيري شد. آزمايش هاي تجربي، صحت تخمين رفتار ترانسديوسر را در رابطه با فشار آكوستيكي تائيد نمود. فركانس كاري و شكل مود مناسب يك المان پيزوالكتريك ديسكي شكل با قطر 53 ميلي متر و ضخامت 5 ميلي متر با استفاده از روش المان محدود محاسبه شد؛ مود شعاعي اول در فركانس 45649 هرتز به عنوان مود و فركانس كاري مناسب در نظر گرفته شد. الگوريتم مورد نياز جهت بدست آوردن تاخير زماني هر المان به منظور تمركز امواج در قالب يك برنامه كامپيوتري تدوين گرديد و صحت آن با استفاده از روش المان محدود بررسي شد. همانطور كه انتظار مي رفت، فشار آكوستيكي در ناحيه تمركز به دليل برهم نهي امواج در يك بازه زماني، بيشتر از حالتي مي باشد كه تمام كريستال ها همزمان تحريك گردد.

Phased array transducers because of their unique features, are used in many applications. Application of such transducers in non-destructive tests to detect defects such as porosity and crack, as well as stress measurement, in medicine for medical imaging and treatment of diseases, as well as in navigation range finder and acoustic (sonar), are some of the applications of this system. One of the important features of this type of transducer to other transducers, is the ability to focus waves at any distance and angle. The main objective of this paper is to study geometric parameters of a linear phased array transducer with 8 piezoelectric elements such as width and thickness, the distance between elements as well as excitation frequency and voltage on acoustic pressure at the focal point using numerical methods. First, for the purpose of verification, the experimental result of an element was compared with the numerical approach. The experimental tests confirm the transducer’s behavior in terms of design, extracted algorithm and also the simulation. Acoustic pressure along the crystal axis was measured using both experimental and numerical methods. Experimental tests confirmed the accuracy of the transducer behavior in term of acoustic pressure. Operating frequency and mode shape of piezoelectric element disc shape with 53 mm diameter and thickness of 5 mm, was calculated using the finite element method. First radial mode in frequency of 45649 Hz was chosen as suitable frequency and shape mode. Algorithm to obtain the elements time delay to focus the waves was developed in the form of a computer program and its validity was investigated using the finite element method. As expected, due to the superposition of acoustic waves in the focal area over a period of time, its acoustic pressure is more than the time at which all crystals get excited simultaneously.