相控陣超聲傳感器的參數選擇

侯金剛 朱雨虹 楊 齊 原可義

（ 1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029；2. 國家質量監督檢驗檢疫總局無損檢測與評價重點實驗室 北京 100029）

引 言

相控陣超聲具有靈活的聲場控制方式，通過應用不同的聚焦法則，在不改變檢測探頭的條件下，能夠適應不同的檢測需求[1，2]；相控陣超聲的檢測結果以圖像顯示，A掃數據能夠逐點存儲，檢測結果的評判更為直觀，數據存儲方面也滿足可記錄需求，因此在工業檢測中的應用日益廣泛[3～5]。目前相控陣超聲在儀器設備方面已經趨于成熟，2016年相控陣超聲檢測國家標準GB/T 32563-2016《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》頒布實施，也推動了相控陣超聲檢測技術在國內較大規模應用的展開。

目前我國相控陣超聲在工業檢測中的應用尚處于試用階段，檢測工藝的設計、驗證、實施及檢測結果的評判等工藝體系尚未成熟，在應用過程中也凸顯了很多問題，其中相控陣超聲傳感器的選型和正確使用也是其關鍵問題之一。本文主要針對線陣傳感器的參數選擇問題進行研究，重點對傳感器的頻率選擇、主瓣和旁瓣的控制，以及柵瓣的抑制等問題展開探討。

1 相控陣超聲傳感器的類型

圖1 相控陣超聲傳感器的陣列形式[6]

與常規超聲傳感器不同，相控陣超聲傳感器由多個陣元組成，按照陣元分割方式的不同，可分為一維陣列和二維陣列。其中一維陣列又可以細分為平面線陣、凸面線陣、凹面線陣、環形陣列等；二維陣列包括 1.5維矩陣、2維矩陣、扇形矩陣，以及上述陣列的組合，即雙線陣和雙面陣等。相控陣超聲傳感器陣元分割方式參見圖1。

由圖1可見，相控陣超聲傳感器相當于將單晶傳感器按照某種規則分割為多個陣元形成。由于每個陣元均可以獨立控制激勵信號，因此檢測聲場具備可調控的特征，根據相干性原理，可以通過激勵控制形成預期的檢測聲場。理論上，相控陣傳感器包含著的陣元數越多，對聲場調控的能力越強，但相應的需要匹配的超聲設備也越復雜，造價也越高。綜合檢測能力、造價、便攜性等因素，目前在工業檢測中應用的多為16或32陣元的線陣傳感器。

對于一維線陣傳感器，其主要的結構參數包括，頻率f、陣元數N、陣元寬度e、陣元高度h、陣元間距P、陣元間隙g、主動孔徑A等，各參數的定義參見圖2。

圖2 一維線陣的主要結構參數

2 相控陣超聲傳感器的參數選擇

（1）頻率選擇超聲檢測的靈敏度約為λ/2，即半波長，因此檢測頻率提高有利于發現小缺陷；此外，高頻脈沖的時域占寬較窄，有利于提高縱向分辨率。但聲波的衰減和散射都會隨著頻率的提高而加劇，因此提高頻率會降低信噪比；高頻超聲對于面積型缺陷具有一定的選擇性，會降低檢出率。在檢測過程中需要綜合考慮，平衡選擇檢測頻率，一般可遵循以下原則：對于厚度較小，缺陷也較小的對象可選擇較高頻率；對于大厚度、高衰減的對象，則應選擇較低頻率。

（2）結構參數的選擇目前對線陣傳感器結構參數的選擇主要以遠場指向性函數為依據，其基本原則為：控制主瓣寬度、降低旁瓣能量，以提高檢測靈敏度和分辨率；消除旁瓣，以避免檢測過程中出現偽像，造成誤檢。

對于線陣傳感器，其遠場指向性函數[7]為

其中：θ為方向角，θs為偏轉角，k=2π/λ為角波數，其他參數如圖2所示。

根據式（1），對如下相控陣超聲傳感器的指向性進行計算，f=5MHz，e=0.4 mm，P=0.5 mm，N=16，k=1.77π，θ∈［-180。，180。］，θs=0。，20。。計算結果如圖3所示。圖中標出了主瓣、旁瓣和柵瓣的位置，可以看出隨著偏轉角度變化，主瓣和柵瓣都發生偏移且相互靠近，如果在目標檢測區域內出現柵瓣，則會形成幅值較高的偽像，引起對檢測結果的誤判。

由式（1）可以推得，由零點限定的主瓣寬度可表達為

由于線陣傳感器的陣元寬度（e）很小，將NP近似改寫為主動孔徑A，將角波數改寫為頻率關系K=2πf/C0，其中C0為介質中的聲速，則式（2）可以改寫為

圖3 一維線陣的指向角

沿用本文前述參數，取 根據式（3） 計算主瓣隨不同參數的變化情況，如圖4所示，可知，主瓣寬度隨主動孔徑、激勵頻率變大而變小，而隨偏轉角絕對值增加而變大，可見偏轉角增加會降低對缺陷的分辨力。但應該注意到，三者對主瓣寬度的影響程度是不同的，其中探頭頻率的影響最明顯。

圖4 主瓣寬度隨傳感器參數的變化

以第一零點和第二零點的中間位置作為第一旁瓣，以式（1）推定正半軸第一旁瓣幅值為

由圖2可知，P=e+g，根據傳感器加工制造現狀可取g=0.1 mm，為定值，則式（4）可以改寫為

按本文各項參數，根據式（5）計算第一旁瓣幅值隨各項參數的變化，如圖5所示，可知，旁瓣幅值隨陣元寬度和頻率的變化不明顯；當陣元數較小時，對旁瓣幅值影響較大，但陣元數達到一定值后，旁瓣幅值基本不變；隨偏轉角的增大，正半軸第一旁瓣幅值變小。但應該注意到，負半軸第一旁瓣的變化趨勢正好相反，因此偏轉角對整體旁瓣能量的影響也不大。

圖5 旁瓣幅值隨傳感器參數的變化

由圖3可知，柵瓣的幅值與主瓣接近，如果檢測聲場中出現柵瓣，極可能造成偽像，形成誤判，因此在超聲相控陣應用中必須予以消除。根據式（1），柵瓣的位置可以表達為

其中，i表示第i個柵瓣，正值為正半軸，負值為負半軸。

圖6 柵瓣扇掃偏轉角度的變化

在相控陣超聲傳感器的選型中，需控制在扇掃體積內不存在柵瓣，按偏轉角度為θs=±90°最大范圍計算，根據式（6） 消除旁瓣的條件為c0＞ 2Pf，即

對于線陣傳感器來說，式（7）為消除柵瓣的充分條件，如果減小扇掃范圍，也可以適當放寬對陣元中心距P的限制。如果線陣傳感器的頻率和陣元中心距已經確定，為了消除柵瓣，則需控制扇掃角度范圍如下

按如下參數使用CIVA軟件對線陣傳感器的聲場進行模擬，f=5MHz，e=0.4 mm，P=0.5 mm，N=16，c0=5900m/s，θs=0°，25°，45°，所得到的縱波聲場如圖6所示，可知，到偏轉角滿足式（8）時未出現旁瓣（θs=0°，25°），而偏轉角超出范圍時出現了較為明顯的旁瓣（θs=45°），此時易形成偽像。

3 結論

相控陣超聲檢測中對線陣傳感器的選型著重考慮頻率、主瓣寬度、旁瓣幅值、柵瓣位置等參數。其中頻率、主瓣和旁瓣的控制主要以提高分辨率、保證檢出率為目的，主瓣的寬度可以通過頻率和主動孔徑等參數調整，而通過結構參數對旁瓣進行調整的作用不明顯。柵瓣為相控陣超聲檢測中必須予以抑制的因素，因為柵瓣的存在會形成偽像，造成誤判。柵瓣的控制可以通過調整陣元中心距實現，對于確定的傳感器則需保證扇掃偏轉角度在一定范圍內。