超聲波相控陣

超聲相控陣技術(shù)的基本思想來(lái)自于雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)。相控陣?yán)走_(dá)是由許多輻射單元排成陣列組成，通過(guò)控制陣列天線中各單元的幅度和相位，調(diào)整電磁波的輻射方向，在一定空間范圍內(nèi)合成靈活快速的聚焦掃描的雷達(dá)波束。超聲相控陣換能器由多個(gè)獨(dú)立的壓電晶片組成陣列，按一定的規(guī)則和時(shí)序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個(gè)晶片單元，來(lái)調(diào)節(jié)控制焦點(diǎn)的位置和聚焦的方向。

發(fā)展

超聲相控陣技術(shù)已有近20多年的發(fā)展歷史。初期主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域,醫(yī)學(xué)超聲成像中用相控陣換能器快速移動(dòng)聲束對(duì)被檢器官成像;大功率超聲利用其可控聚焦特性局部升溫?zé)岑熤伟?使目標(biāo)組織升溫并減少非目標(biāo)組織的功率吸收。初,系統(tǒng)的復(fù)雜性、固體中波動(dòng)傳播的復(fù)雜性及成本費(fèi)用高等原因使其在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用受限。然而隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,超聲相控陣技術(shù)逐漸應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè),特別是在核工業(yè)及航空工業(yè)等領(lǐng)域。如核電站主泵隔熱板的檢測(cè);核廢料罐電子束環(huán)焊縫的全自動(dòng)檢測(cè)及薄鋁板摩擦焊縫熱疲勞裂紋的檢測(cè)。由于數(shù)字電子和DSP技術(shù)的發(fā)展，使得精確延時(shí)越來(lái)越方便，因此近幾年,超聲相控陣技術(shù)發(fā)展的尤為迅速。

相控陣工作原理

超聲相控陣是超聲探頭晶片的組合，由多個(gè)壓電晶片按一定的規(guī)律分布排列，然后逐次按預(yù)先規(guī)定的延遲時(shí)間激發(fā)各個(gè)晶片，所有晶片發(fā)射的超聲波形成一個(gè)整體波陣面，能有效地控制發(fā)射超聲束（波陣面）的形狀和方向，能實(shí)現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。它為確定不連續(xù)性的形狀、大小和方向提供出比單個(gè)或多個(gè)探頭系統(tǒng)更大的能力。

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)使用不同形狀的多陣元換能器產(chǎn)生和接收超聲波束，通過(guò)控制換能器陣列中各陣元發(fā)射(或接收)脈沖的不同延遲時(shí)間，改變聲波到達(dá)(或來(lái)自)物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)和聲束方向的變化，從而實(shí)現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。然后采用機(jī)械掃描和電子掃描相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像成像。

通常使用的是一維線形陣列探頭，壓電晶片呈直線狀排列，聚焦聲場(chǎng)為片狀，能夠得到缺陷的二維圖像，在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。 

陣列類型

陣列顧名思義就是晶片在探頭中排列的幾何形狀。相控陣探頭有3 種主要陣列類型：線形（線陣列）、面形（二維矩形陣列）和環(huán)形（圓形陣列），如圖3 所示。相控陣探頭大多數(shù)采用線形陣列，因?yàn)榫€形陣列編程容易，費(fèi)用明顯低于其他陣列。

掃查方式

用相控陣探頭對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，無(wú)需像普通單探頭那樣在焊縫兩側(cè)頻繁地來(lái)回前后左右移動(dòng)，而相控陣探頭沿著焊縫長(zhǎng)度方向平行于焊縫進(jìn)行直線掃查，對(duì)焊接接頭進(jìn)行全體積檢測(cè)。該掃查方式可借助于裝有陣列探頭的機(jī)械掃查器沿著精確定位的軌道滑動(dòng)完成，也采用手動(dòng)方式完成，可實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，檢測(cè)效率非常高。

應(yīng)用實(shí)例

不同廠家超聲相控陣設(shè)備的功能、操作及顯示方式等各不相同，但是檢測(cè)應(yīng)用基本相同。本文現(xiàn)以以色列Sonotron NDT 公司生產(chǎn)的相控陣設(shè)備（即ISONIC-UPA） 應(yīng)用為例來(lái)分析介紹。ISONIC-UPA 設(shè)備有其*的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，不同于其他廠家的相控陣設(shè)備，體現(xiàn)了超前的理念。

1 角度補(bǔ)償

傳統(tǒng)工業(yè)相控陣定量方法不具有角度、聲程、晶片增益修正技術(shù)，多晶片探頭通過(guò)楔塊入射到工件內(nèi)部時(shí)存在入射點(diǎn)漂移現(xiàn)象和能量分布變化。采用單一入射點(diǎn)校準(zhǔn)方式與常規(guī)距離-波幅曲線修正，造成的扇形掃查區(qū)域中能量分布不均勻及測(cè)量誤差等問題未能有效解決，如圖7 所示。而ISONIC-UPA 相控陣設(shè)備具有角度補(bǔ)償功能，能有效地解決此類問題。

所謂角度補(bǔ)償就是針對(duì)不同的聚焦法則，輸入扇形掃查所需的角度范圍及入射角度的增量后，晶片可以分別進(jìn)行角度增益調(diào)整，也就是晶片角度增益修正。

有了角度增益補(bǔ)償設(shè)置功能，可以取代傳統(tǒng)的通過(guò)設(shè)置DAC曲線的方法來(lái)補(bǔ)償增益變化。在ASME Case2557 標(biāo)準(zhǔn)中明確指出進(jìn)行扇形掃描時(shí)要進(jìn)行角度增益補(bǔ)償。角度增益補(bǔ)償曲線如圖8所示，經(jīng)過(guò)角度補(bǔ)償后得到的等量化數(shù)據(jù)。

2 二次波顯示

傳統(tǒng)相控陣扇形掃查采用單純的聲程顯示，不能顯示缺陷的真實(shí)位置。這種成像模式將處在二次波位置上的缺陷轉(zhuǎn)換成一次波位置進(jìn)行成像顯示，給分辨缺陷的具體位置增加難度，不能直觀給出缺陷真實(shí)位置。對(duì)于檢測(cè)角焊縫、T 形焊縫、K形焊縫及Y 形焊縫無(wú)法顯示真實(shí)成像結(jié)果，使該成像模式的應(yīng)用受到限制，僅能用于檢測(cè)對(duì)接接頭。

而ISONIC-UPA 采用二次波檢測(cè)成像顯示模式，成像結(jié)果與真實(shí)幾何結(jié)構(gòu)一致。這種成像模式能直觀顯示缺陷的位置及被檢工件焊縫的真實(shí)結(jié)構(gòu)，這是聲程顯示成像模式*的。