相控陣聲束焦距深度與晶片數目的優化研究

摘 要： 相控陣技術的突出優點包括實現靈活聚焦和激發孔徑的自由選擇。相控陣技術在實際檢測過程中聚焦深度一般會固定但是其聚焦深度與激發孔徑的大小（即激發晶片數目的多少）之間具有復雜的相互關聯和制約關系。因此基于相控陣聲束形成及聚焦的原理，采用32陣元線型陣列換能器，通過實驗方式研究了聚焦深度為10～50 mm時激發孔徑的最佳范圍。研究結果希望會對今后的相控陣檢測起到重要的參考價值。

關鍵詞： 相控陣技術； 聚焦深度； 激發孔徑； 線型陣列換能器； 聲束

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）24?0020?02

Optimization for acoustic beam focal depth and excitation aperture of phased array

YU da1， QI xiang?qian2， SUN Ya?juan2， ZHENG Yu2

（1. Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300384， China； 2. Tianjin Chengxinda Metal Detector Co.， Ltd.， Tianjin 300384， China）

Abstract：The advantages of phased array technology include flexible focus and free choice of excitation aperture. The focus depth of phased array technology is generally fixed in the actual testing process. However， the inbetween of focal depth and excitation aperture size exists a complex correlative and restrictive relation. Based on the phased array acoustic beam forming and focusing principle， when the focal depth was 10～50 mm， the optimal excitation range of the aperture was experimentally studied by means of 32 array elements linear array transducer. It is hoped that the result can play an important role in the future inspection of phased arrays.

Keyword： phased array technology； focal depth； excitation aperture； linear array transducer； acoustic beam

相控陣探頭的聲場理論是超聲相控陣檢測的基礎[1]。在計算一個有限尺寸的陣列探頭發射的聲場時，可以按照惠更斯原理（行進中的波陣面上任一點都可看作是新的次波源，而從波陣面上各點發出的許多次波所形成的包絡面，就是原波面在一定時間內所傳播到的新波面）進行分析[1]。

1 激發孔徑對相控陣聲束的影響

矩形平面陣及其計算坐標[2]如圖1所示。

由于激發孔徑的大小直接取決于激發晶片的數目，因此在以后的討論中只討論激發晶片的數目。設有N 個矩形條換能器組成的均勻線陣，陣元長 b，寬 a，間距 d，當各個陣元以同頻率做等振幅振動時，其輻射聲壓為[3]：[P（x，y，z）=jρ0c0uaθjωtλ-b2b2dx1N-1N（n-1）dn-1dθ-j（kr+an）rdy1] （1）

式中：[r=（x-x2）2+（y-y2）2+z2。]

由上式可得出，當a，b，d等其他參數固定后，聲壓會隨著N值的增大而增大。對于聲壓的指向性可以根據乘積定理求出。因此對于N個線源組成的均勻線陣，假設振源頻率、相位和振幅相同時，該探頭的指向性函數為[4]：

[D（θ1，θ2）=sin（Nkd2sinθ1）Nkd2sinθ1·sin（Nkd2sinθ2）Nkd2sinθ2] （2）

式中：d為相鄰陣元的間距；[θ1]為聲線在xOz平面上的投影與z軸的夾角；[θ2]聲線在平面上的投影與z軸的夾角；k為角波束。

圖1 矩形平面陣及其計算坐標

本文討論激發孔徑大小對檢測的影響，即為激發晶片數目對檢測的影響，則可以假設N為自變量，在其他參數完全不變的情況下，應用數學基礎得出，當N越大時d值越小，則指向性越好。可以理論上認定孔徑越大檢測效果越好。

2 實驗方法

本實驗采用奧林巴斯Omnlscan MX2相控陣檢測儀，線型陣列換能器（頻率為5 MHz、32個陣元斜探頭），CX?3A試塊等。由于相控陣超聲聲束偏轉角度不同時，檢測效果有所差異，因此在每一次實驗過程中始終固定探頭，并且保持聲束偏轉角度不變，在這種前提下對A掃描回波進行比較和分析[5]。實驗方法見圖2。

圖2 實驗方法

實驗過程中當焦距深度為10 mm，30 mm，50 mm時將探頭放在位置2，焦距深度為20 mm，40 mm時放在位置1，分別測定標準試塊上不同深度處θ3橫通孔的A掃描回波幅度。在保證聚焦深度不變的同時保證探頭的位置和聲束偏轉角度不變，其他參數同樣保持不變，只調節晶片數目，在顯示器上觀察S掃描和A掃描。在保證可以在S掃描窗口明顯看到缺陷的同時，保證A掃描的波幅保持在屏幕的80%的位置。達到或超過這個值時通過調節增益來改變波幅，使其保持在80%位置，同時記錄增益大小。

3 實驗結果及分析

3.1 實驗結果

為了更為清晰地分析數據結果，將數據結果用坐標形式表現，橫坐標為激發晶片的數量，縱坐標表示A掃描波幅達到屏幕80%時所需增益值，此數值越低，說明要達到基準波高所需的增益越小，即A掃描回波幅值相對越大，則聚焦效果越好。如圖3所示。

3.2 實驗結果分析

經過理論計算得到孔徑的增大有利于更好地聚焦，但是通過實驗發現：聚焦深度一定時晶片數量在某個范圍內可以使聚焦效果很好，但是超越這個范圍則會出現很難聚焦的現象，可以將實驗結果進行總結如表1所示。

圖3 不同聚焦情況下晶片數量與增益的關系

表1 聚焦深度一定時晶片的最佳激發數目范圍

通過分析可得其原因為：根據常規超聲矩形探頭的近場區計算原理，可以得到當晶片數目增加時，近場區的長度也在增加，盲區增大；在增加晶片數目的同時不僅主聲束的能量在增加，其中柵瓣的能量也在增大，極易形成偽像而降低成像分辨力。上述實驗結果及分析表明，在進行相控陣超聲檢測時，聚焦深度與激發晶片的數目之間存在相互制約的關系[6]，在實際應用中當聚焦深度一定后，應設置相應的激發鏡片數目，以適應不同的檢測需求。

4 結 語

使用相控陣技術進行檢測時，當聚焦深度固定后，孔徑的選擇應符合一定的范圍內。本文列出的研究結果希望對相控陣超聲檢測在實際應用中提供參考價值。

參考文獻

[1] 李海華，趙立凡，郭興建.應用超聲相控陣檢測技術對鋼制對接焊接接頭的檢測實例與分析研究[J].壓力容器，2008（8）：10?15.

[2] 周海鵬.相控陣超聲檢測系統相關技術的研究[D].大連：大連理工大學，2005.

[3] 詹湘琳.超聲相控陣油氣管道環焊縫缺陷檢測技術的研究[D].天津：天津大學，2006.

[4] 燕會明.相控陣技術及其應用研究[D].太原：中北大學，2008.

[5] 楊力.厚壁CCASS管道焊縫相控陣超聲檢測探頭的優選[D].大連：大連理工大學，2012.

[6] 田安定.相控陣超聲檢測技術應用[J].無損檢測，2011（6）：58?63.