加楔塊超聲相控陣的聚焦特性測試

劉曉睿，強天鵬，鄔冠華

（1.蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004；2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，南京 210003；3.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063）

1 相控陣聚焦原理

超聲相控陣區別于常規超聲的兩個重要特性是聲束偏轉和聚焦。所謂“聲束聚焦”是指由于各個晶片距離焦點的聲程不同，通過改變晶片間的延時時間，讓距離焦點遠的晶片先發射信號，而距離焦點近的晶片后發射信號，從而使各個晶片發射的信號同時到達焦點，并在一個小區域內 形成一個高強度聲場。假設晶片間的距離為p，聚焦深度為F，介質中的聲速為c，則各個晶片的延時時間為：

式中n為晶片序號；t0是為了防止出現一個負的延時時間而設置的時間常數。

2 安裝楔塊條件下相控陣聚焦能力測試

2.1 測試裝置

試驗使用的儀器是OLYMPUS公司的OmniScan MX 32：128便攜式相控陣檢測儀，利用TomoView軟件進行數據判讀。采用的探頭是5L64A2，共有64個晶片，晶片間的距離（pitch）為0.6mm。采用的試塊是 ASTM E2491—2008［1］附錄中的圖A1.1所示的試塊，試塊中橫孔為φ2mm×25mm，相鄰孔深度和水平間距均為5mm。此項試驗中采用特定角度編碼器B掃，安裝的楔塊是SA2－N55S，折射角度為55°，激發晶片數量是8個、16個和32個，設置的聚焦深度為：10，50，100，150，200mm。

試驗條件基于ASTM E2491—2008的附錄1，測試相控陣的偏轉和聚焦能力，在掃查上使用帶編碼器線掃。試塊及掃查示意見圖1。

2.2 近場區計算結果

利用公式：

式中Neff——近場長度；

k矩形——近場長度修正系數；

L——探頭長度；

β——聲束折射角；

α——聲束入射角；

L斜楔——楔塊中聲程；

v試件——試件聲速；

v斜楔——楔塊聲速。

計算得到不同晶片數和不同折射角的探頭的近場區見表1。

圖1 相控陣聚焦能力的測試

表1 帶有楔塊的相控陣探頭在工件中的近場區 mm

此次試驗激發的起始晶片都是探頭的第一個晶片，從表1的數據可以看出，由于激發孔徑的近場區是一定的，斜探頭加裝楔塊后，楔塊中聲程占據了一部分近場區。在激發8個晶片時，近場區都在楔塊中，激發16個晶片時，近場區也基本在楔塊中，工件中的近場區范圍非常小。激發32個晶片時，工件中有一定的近場區，其值隨著掃查角度的增大而減小。

2.3 試驗結果

試驗中利用6dB法測量焦點尺寸，當波幅太低且無法用6dB法測量時，結果用“不能分辨”注釋。圖2～4、表2給出了加裝楔塊后的聚焦能力測試結果，此處省略了聚焦深度為150mm的數據。

2.4 分析

通過以上表格中的數據可以看出，不管是激發8個、16個還是32個晶片，同聚焦深度下，角度45°時聚焦焦點最小，聚焦聲束最均勻，聚焦效果最好，其余依次是35°，60°和70°。

圖3 激發16個晶片不同聚焦深度不同偏轉角度的聚焦能力

在8個晶片激發狀態下，不同角度相同聚焦深度設置下，聚焦效果基本上相同；在16個晶片激發狀態下，只有聚焦深度在10mm時焦點才小于2倍孔徑，聚焦深度50，100，200mm下聚焦聲束基本相同，且焦點大小都超過2倍孔徑；在32個晶片激發狀態下，只有聚焦深度在10和50mm時部分角度的焦點小于2倍孔徑，聚焦深度100，200mm下聚焦焦點都超過2倍孔徑。

在8個晶片激發狀態下，所有的結果都不能在所設定的位置聚焦，深度越小焦點越小，深度越大焦點越大，焦點大小都超過2倍孔徑；在16個晶片激發狀態下，所有的結果都不能在所設定的位置聚焦，不同角度下最小焦點的實際深度只能達到15～30mm；在32個晶片激發狀態下，所有的結果實際最小焦點的聚焦深度都小于所設置的聚焦深度，相同的聚焦深度不同角度設置下，角度越小，最小焦點的實際聚焦深度越大。

另外，在16個晶片激發狀態下，聚焦深度超過50mm時，改變聚焦深度對聚焦聲束改變不明顯，在32個晶片激發狀態下，聚焦深度超過100mm時，改變聚焦深度對聚焦聲束改變也不明顯。

圖4 激發32個晶片不同聚焦深度不同偏轉角度的聚焦能力

表2 加楔塊激發不同晶片數的相控陣聚焦的焦點尺寸1） mm

續表2 mm

3 結論

（1）楔塊對聚焦能力的影響主要是聲束角度和聲程（延遲），因此不同的楔塊可以改變探頭的角度覆蓋范圍和實際焦點深度，相比無楔塊的設置，加裝斜楔塊進行橫波檢測時，大部分近場區都在楔塊內，工件中近場區很小，致使工件中聚焦能力變差，聚焦范圍變小。在相同激發晶片數的情況下，角度越小，在工件中的近場區就越大。在激發晶片數為8和16時，隨著角度的增大，聚焦能力變弱。在激發16和32個晶片時，除非聚焦深度過大，一般小角度有較好的聚焦能力。

（2）激發晶片數量越多，聚焦能力越強，能獲得的焦點尺寸會越小，實際焦點深度會越大。

（3）焦點尺寸隨聚焦深度的增加而增大。隨著激發晶片數量的增加，工件中的聚焦能力變強，聚焦范圍變大，但是在激發晶片數量過大（激發32個晶片）時，由于晶片孔徑的原因，導致深度較淺的孔連在一起，無法分辨。

（4）同樣激發晶片數量的情況下，實際焦點尺寸與楔塊的角度以及聲程有關，同聲程時設置角度越接近楔塊角度，實際焦點越小；同角度情況下，聲程越小，實際焦點越小；二者當中，聲程對焦點尺寸的影響大于設置角度的影響。

（5）設置角度越接近楔塊的主聲束角度，聲束越均勻，分辨率更好。

［1］ASTM E 2491—2008 Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased Array Ultrasonic Examination Instruments and Systems［S］.