1-第一章 超声相控阵技术基本概念 - 图文

第一章 超声相控阵技术的基本概念

本章描述超声波原理、相控阵延时（或聚焦定律）概念，并介绍R/D公司研制的相控阵仪器设备。

1.1 原理

超声波是由电压激励压电晶片探头在弹性介质（试件）中产生的机械振动。典型的超声频率范围为0.1MHz～50MHz。大多数工业应用要求使用0.5MHz～15MHz的超声频率。

常规超声检测多用声束扩散的单晶探头，超声场以单一折射角沿声束轴线传播。其声束扩散是唯一的“附加”角度，这对检测有方向性的小裂纹可能有利。

假设将整个压电晶片分割成许多相同的小晶片，令小晶片宽度e远小于其长度W。每个小晶片均可视为辐射柱面波的线状波源，这些线状波源的波阵面会产生波的干涉，形成整体波阵面。

这些小波阵面可被延时并与相位和振幅同步，由此产生可调向的超声聚焦波束。 超声相控阵技术的主要特点是多晶片探头中各晶片的激励（振幅和延时）均由计算机控制。压电复合晶片受激励后能产生超声聚焦波束，声束参数如角度、焦距和焦点尺寸等均可通过软件调整。扫描声束是聚焦的,能以镜面反射方式检出不同方位的裂纹。这些裂纹可能随机分布在远离声束轴线的位置上。用普通单晶探头，因移动范围和声束角度有限，对方向不利的裂纹或远离声束轴线位置的裂纹，漏检率很高（见图1）。

漏检F3‘βΦ3F1’βF2‘βΦ21’3’Φ12’

图1-1 常规单晶探头（左）和阵列多晶探头（右）对多向裂纹的检测比较﹡

﹡常规单晶探头声束扩散且单向，而相控阵探头声束聚焦且可转向。多向裂纹可被相控阵探头检出。

1

发射

触发

超声波探伤仪

相控阵控制器

阵列探头

脉冲激励

入射波阵面

缺陷

接收

超声波探伤仪

相控阵控制器

回波信号

反射波阵面

缺陷

Σ

接收延时

图1-2 脉冲发生和回波接收时的声束形成和时间延迟（同相位、同振幅）

延时 [ns]

阵列探头

转角

阵列探头

延时 [ns]

产生的波阵面 产生的波阵面

图1-3 超声波垂直（a）和倾斜（b）入射时声束聚焦原理

2

为产生同相位、有相长干涉的声束，用有微小时差的电脉冲分别激励阵列探头各选用晶片。来自材料中某一焦点（如缺陷等）的回波，以一定时差返回各换能器单元，见图1-2。在信号汇合前，各换能器晶片上接收到的回波信号均有时差。信号汇合后形成的A-扫描图形，显示了材料中某一焦点的回波特性，也显示了材料中其它各点衰减各异的回波特性。

（1）在发射过程中，探伤仪将触发信号传送至相控阵控制器。相控阵控制器将信号变换成特定的高压电脉冲，脉冲宽度预先设定，而时间延迟则由聚焦律界定。每个晶片只接收一个电脉冲，这样产生的超声波束就有一定角度，并聚焦在一定深度。该声束遇到缺陷即反射回来。

（2）接收回波信号后，相控阵控制器按接收聚焦律变换时间，并将这些信号汇合一起，形成一个脉冲信号，传送至探伤仪。

声束垂直和倾斜入射时的聚焦原理示于图1-3。

每个晶片上的延时值取决于相阵列探头上激励晶片数形成的窗孔尺寸、波型、折射角和焦点深度。

计算机控制的声束扫描模式主要有以下三种（参阅第三、第四章）：

（1）电子扫描：高频电脉冲多路传输，按相同聚焦律和延时律横扫一组晶片（图1-4）；声束则以恒定角度，沿相阵列探头长度（虚拟窗孔）方向进行扫描,这相当于用常规超声．．．．换能器为腐蚀检测作光栅扫描或作横波检验。若使用斜楔，则聚焦律可对楔内不同延时值进行补偿。

（2）动态深度聚焦（简称DDF）：超声束沿声束轴线，对不同聚焦深度进行扫描。实际上，发射声波时使用单个聚焦脉冲，而接收回波时则对所有编程深度重新聚焦（图1-5）。

（3）扇形扫描（也称方位扫描或角扫描）：使阵列中相同晶片发射的声束，对某一聚焦深度在扫描范围内移动；而对其它不同焦点深度，可增加扫描范围。扇形扫描区大小可变。

3

激励单元组 （有效探头窗孔）

16

128

扫描方向

图1-4 电子扫描产生直射声束

（有效探头窗孔16单元）

延时值（ns）

单元数

图1-5 32单元线阵列探头纵波聚焦15、30、60 mm时，

延时值（左）与深度扫描原理（右）﹡

﹡直接接触，无斜楔

4

1.2 延时律或聚焦律

无斜楔探头（即与试件直接接触的探头）由程控产生的纵波，按聚焦律延时结果，对聚焦深度呈一抛物线状。自探头边缘向中心移动，延时值由小而大。焦距倍增，则延时值减半（图1-5）。阵列晶片芯距增大，则晶片延时值线性增大（图1-6）。

根据沿特定路径到达时间最短的费马原理( Fermat’s principle )，装在斜楔上的相控阵探头能按延时律给出不同的声束形状（图1-7）。其他型式的相控阵探头（如矩阵或圆锥形），可能需要对延时律数值、对声束形貌评价设定高级模式（参阅第三、第五章）。

探头无斜楔而声束偏转成扇形（有方位角）时，在等同晶片单元上的延时取决于激励晶片在阵列窗口中的位置，也取决于产生的声束角度（见图1-8）。延时值随声束折射角和激励晶片数而增大。

对装有斜楔的相控阵探头，延时值取决于激励晶片位置和程控折射角。

对由斯涅耳（Snell）定律给出的折射角，延时变化呈抛物线形（图1-7中45°）。若角度小于斯涅耳定律给出值，则各晶片单元上的延时对探头由后而前递增；若角度大于斯涅耳定律给出值，则探头各晶片单元上的延时值，后大前小，因楔内声程前长后短，故激励时间前先后迟。

在所有情况下，阵列中每个晶片上的延时值均需精确控制。最小延时增量决定了探头最高可用频率，后者由下式界定，即：

5

＊

n。 （n：阵列单元数；fc：中心频率） fc

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lpi2.html