Numerical Analysis of Ultrasonic Beam Profile Due to the Change of the Number of Piezoelectric Elements for Phased Array Transducer

Phased Array트랜스듀서에 있어서 구성 압전소자수의 변화에 따른 초음파 빔 전파 특성의 수치 해석

A phased array is a multi-element piezoelectric device whose elements are individually excited by electric pulses at programmed delay time. One of the advantages of using phased array in nondestructive evaluation (NDE) application over conventional ultrasonic transducers is their great maneuverability of ultrasonic beam. There are some parameters such as the number and the size of the piezoelectric elements and the inter-element spacing of the elements to design phased array transducer. In this study, the characteristic of ultrasonic beam for phased array transducer due to the variation of the number of elements has been simulated for ultrasonic SH-wave on the basis of Huygen's principle. Ultrasonic beam directivity and focusing due to the change of time delay of each element were discussed due to the change of the number of piezoelectric elements. It was found that ultrasonic beam was much more spreaded and hence its sound pressure was decreased as steering angle of ultrasonic beam was increased. In addition, the ability of ultrasonic bean focusing decreased gradually with the increase of focal length at the same piezoelectric elements. However, the ability of beam focusing was improved as the number of consisting elements was increased.

일반적인 하나 또는 두개의 압전소자를 사용하는 트랜스듀서에 비하여 다수의 압전소자를 사용하는 어레이 트랜스듀서는 각 압전소자에 가해지는 펄스의 지연시간을 제어함으로써 초음파 빔을 임의의 지점에 집속시킬 수 있고 기계적 구동없이 임의의 방향으로 조향시켜 실시간 주사를 할 수 있는 장점이 있다. 페이즈드 어레이 트랜스듀서의 설계조건은 압전소자의 수. 압전소자의 크기 그리고 압전소자 사이 간격 등 여러가지가 있으며, 본 연구에서는 그 중에서 압전소자수의 변화에 따른 초음파 빔의 특성을 호이겐스의 원리를 이용한 수평횡파의 시뮬레이션을 통하여 평가하였다. 그 결과 초음파 빔은 조향각이 증가 할수륵 음압이 감소하며, 초음파 빔 특성도 점차적으로 분산됨을 알 수 있었고 또한, 초점거리가 증가할수록 초점에서의 집속효과는 감소하고, 압전소자의 수가 증가되면 집속효과는 향상됨을 알 수 있었다.