超聲相控陣系統的聚焦特性研究

孫忠波，強天鵬

（1.天津誠信達金屬檢測技術有限公司，天津 300384；2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，南京 210003）

近些年隨著計算機技術的發展，超聲TOFD及相控陣設備在國內外都得到了較積極的推廣。由計算機控制的超聲系統不僅應具有常規數字超聲設備的一些普遍性能，如水平線性、垂直線性、橫縱向分辨力、動態范圍等，還應具有其獨特的性能優勢。這些獨特的性能在傳統的性能測試標準中并未涉及，因此需進行深入探討。

美國材料試驗學會（ASTM）已發布的ASTM E2491：2008［1］《超聲相控陣檢測系統性能評價導則》為當前針對相控陣系統性能測試最為先進的試驗導則，該導則已被ASME增補引用為SE－2491。該導則對相控陣儀器的性能檢驗分成七部分，分別為：① 聲束擴散的測定。② 聲束偏轉極限的測試。③ 相控陣晶片有效性的測試。④ 相控陣聚焦能力的評價。⑤ 相控陣參數控制及數據顯示的評價。⑥ 對相控陣楔塊衰減以及時間延遲的補償的評價。⑦相控陣儀器線性的評價。該導則目的在于給相控陣性能測試提供指導，并未對具體的試驗參數進行規定，對于驗收評判需由具體標準進行規定。為研究超聲相控陣系統的聚焦特性及偏轉特性，文章參照了ASTM E2491：2008標準的測試方法進行試驗設計。

1 測試方法及試驗條件

1.1 試驗條件

試驗使用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。選用焊縫檢測較常用的探頭及楔塊，采用的探頭是5L64A2，共有64個晶片，晶片間的距離為0.6mm；楔塊是SA2－N55S，鋼中自然折射角度為55°。

測試用的試塊為參考ASTM E2491—2008標準自行設計的斜排孔試塊（圖1）。

圖1 斜排孔試塊

1.2 試驗方法

在加裝或不加裝楔塊的情況下，對儀器調整相應的參數組合，將相控陣探頭置于圖1試塊上，使晶片長度方向與長橫孔平行，設置適當的聲程范圍，調節儀器進入基于編碼器（或基于線掃描）的B掃狀態，沿圖2所示方向移動探頭進行B掃描成像。當加裝楔塊時，試驗加入了偏轉角度的變化，測試時探頭朝向斜排孔一側，以免聲束方向與斜排孔朝向因夾角過小而影響測試。

圖2 斜排孔試塊掃查示意圖

用離線分析軟件調出存儲的圖像，用－6dB法測量不同深度孔回波的孔徑大小并記錄（如圖3）。當加裝橫波斜楔塊時，軟件能夠測得橫向擴散長度L′，而實際聲束擴散應垂直于聲束方向，因此，實際擴散長度L應為：

圖3 聲束擴散測量示意圖

式中L為沿聲束方向擴散長度；L′為軟件測量的水平方向擴散長度；β為工件中橫波折射角。

1.3 試驗內容

（1）不加裝楔塊可偏轉方向聲束擴散及聚焦能力試驗設計 激發晶片數分別為4，8，16，32；聚焦深度分別為10，30，50，100，150，200mm。試驗時兩種參數交叉組合，表示方法為“激發晶片數－聚焦深度”。如4－50表示試驗參數為：激發晶片數為4，聚焦深度為50mm。

（2）加裝橫波斜楔塊可偏轉方向聲束擴散及聚焦能力試驗設計 激發晶片數、聚焦深度、偏轉角度的參數設置見表1。

2 測試結果及分析

2.1 聚焦特性測試結果及分析

2.1.1 不加裝楔塊時

按1.3（1）進行試驗后，對各種參數下顯示的孔徑以－6dB的方式進行測量，對測量結果整理后可繪制得到曲線圖4。

從圖4看，曲線基本可分為兩種形態，一種形態為單調上升的“1”字形，一種為曲折的“V”字形。當激發晶片數量較少時（如試驗中激發晶片數量＜8個），測試結果為前者，表明在測試深度范圍內聲束沒有實際焦點，成喇叭狀擴散，曲線形態不隨設置聚焦深度的改變而改變。激發晶片數量為8個時，變化不同的聚焦深度對測試結果圖像基本沒有影響，如圖5所示。當激發晶片數量較多時（如試驗中激發晶片數量＞16個），測試結果為后者，表明在測試深度范圍內聲束有實際焦點，“V”字形的最低點即代表實際焦點位置。從圖4看，當激發晶片數量＞16個時，實際焦點深度隨設置焦點深度的增加而增加，但兩者有一定差距，該差距隨設置值增加而增加，如圖6。但當設置聚焦深度大于某一數值時，實際焦點深度不再增加，且該可聚焦深度的最大值隨激發晶片數量的增加而增加，例如，激發16晶片時設置聚焦深度為10，30，50，100，150mm 時，實際焦點深度為10，15，20，20，20mm；激發32晶片時設置聚焦深度為10，30，50，100，150，200mm 時，實際焦點深度為10，25，40，65，65，65mm。

表1 加裝橫波斜楔塊可偏轉方向聲束擴散及聚焦能力試驗設計

圖4 不加裝楔塊時聚焦特性測試結果

文獻［2］指出：相控陣激發孔徑的近場區長度決定了聲束能夠聚焦的最大深度，聲束在超過近場區長度的深度處無法聚焦。激發晶片數量從4，8，16，32逐漸增多時，孔徑隨之增大，則近場區增加，因此，可聚焦的深度范圍也隨之增加。

從圖4中還可以看出，相同的激發晶片數量基本成簇分布，表明相同的孔徑在曲線中有著基本相同的斜率，曲線的斜率代表著聲束截面尺寸隨深度變化的快慢程度。可見，不加裝楔塊的情況下，工件中聲束的擴散速率僅取決于激發孔徑大小，與設置的聚焦深度及實際焦點深度無關。由矩形波源半擴散角公式（式（2））可知，聲束擴散角度與工件中波長和可偏轉方向上孔徑大小相關，而該公式成立的前提是在遠場區。因此，從圖4中看，當激發晶片數量＞16個時，聲束在工件中有實際焦點，在焦點后的聲束擴散尤為貼切地符合上述規律：

式中φ0為可偏轉方向上的半擴散角；λ為工件中波長；b為可偏轉方向上孔徑尺寸的1／2。

2.1.2 加裝橫波斜楔塊時

依照表1進行試驗后，對各種參數下顯示的孔徑的L′以－6dB的方式進行測量，代入式（1），計算得到L，將結果整理后繪制得到圖7。

圖7中，曲線在橫坐標上的跨度代表著測試能夠將孔信號分辨出的深度范圍，跨度越大表明測試圖像中能夠識別的深度范圍越大。對比圖7（a）～（d）可見，當激發晶片數量和聚焦深度設置相同時，偏轉角度越大，可識別的深度范圍越小（如圖8）。這是由于當偏轉角度增加時，聲束在楔塊中的聲程增加，也增加了聲束在楔塊中的擴散。聲束進入工件后，相同深度的擴散范圍增加，到達一定深度后大角度聲束的回波先于小角度聲束無法識別。

與不加楔塊的測試一樣，圖7曲線的斜率代表了聲束在工件中擴散速度的快慢，同樣表征著聲束在工件中的擴散角。可通過簡單計算得到不同激發晶片數量時，可偏轉方向上的聲束半擴散角，進而計算出不同角度時工件中的上下擴散角度，從而得到工件中的擴散角。以激發16晶片為例，偏轉角度分別為35°，45°，60°，70°時，計算得工作中的擴散角分別為8.2°，8.8°，10.7°，14.7°。

圖7 加裝斜楔塊激發不同晶片，不同偏轉角度及聚焦深度時聚焦特性測試結果

圖8 加裝橫波斜楔塊，激發16晶片，聚焦深度50mm，不同偏轉角度時的聚焦特性測試圖像

從計算結果可以看出，其余情況不變，當偏轉角度增加時，工件中的擴散角隨之增加，則圖7曲線的斜率將隨角度增加。

對比圖7（a）～（d）還可以看出，除激發32晶片外，其余情況聚焦深度設置幾乎對實際的聲場沒有任何影響。表2為計算得到加裝斜楔情況下，不同激發晶片數量及不同偏轉角度時，鋼中剩余的近場區（已轉換為深度）。從表中可以看出，大部分情況近場區在楔塊中，由前述近場區內聚焦的原則，激發4，8，16個晶片時，在工件中不會產生真正的焦點，因此，聚焦設置不起作用，測試得到的曲線都成“1”字形。當激發32晶片時，偏轉角度為35°，45°，60°時工件中有較大范圍的近場區，因此，從圖7（d）中可見該幾條曲線成“V”字形，且隨聚焦深度的不同設置，實際焦點也隨之變化。

表2 加裝橫波斜楔塊時計算得工件中的近場區（深度）mm

3 結論

（1）加裝楔塊與不加裝楔塊情況下，聲束在工件中的聚焦特性主要由工件中的近場區長度決定，近場區外不能聚焦。

（2）同探頭相控陣聲束焦點外的聲束擴散速度取決于激發孔徑大小，與設置聚焦深度及實際焦點深度無關，激發孔徑大，計算得到的擴散角小，則聲束擴散速度慢，反之則相反。

［1］ASTM E 2491：2008 Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased－Array Ultrasonic Testing Instrucments and Systems：Annexes A2［S］.

［2］Michael D C Moles.Phased Array Ultrasonic Technology［M］.Canada Quebec：R／D Tech Corp，2004：77－79.