相控陣超聲檢測中的近場和遠場選擇

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(1.中國特種設備檢測研究院, 北京 100029;2.國家市場監督管理總局無損檢測與評價重點實驗室, 北京 100029;3.中石油渤海裝備中成裝備制造公司, 天津 300280)

相控陣超聲檢測使用多個陣元合成檢測用激發孔徑，通過控制不同陣元的激勵時序、電壓、波形等參數對檢測聲場進行調控，在保證檢測靈敏度的同時實現對目標區域的針對性覆蓋。相控陣超聲具有靈活性、復雜結構適用性以及檢測結果圖像化、可記錄等特點，隨著儀器設備的成熟，其在實際工程檢測中的應用日益廣泛[1]。

相控陣超聲對聲場的調控是通過不同陣元聲場的干涉效應實現的。在激發孔徑的近場區存在干涉相消和干涉相長兩種效應，通過激勵時序的控制即可實現聲束的聚焦、偏轉等；在激發孔徑的遠場區則僅存在干涉相長效應，通常僅能實現聲束的偏轉。

與常規超聲相比，使用相同的檢測孔徑，相控陣超聲通過聲場調控可以將近場區范圍內的檢測靈敏度提高；而在遠場區范圍內，由于僅具備偏轉效應，相控陣超聲的檢測靈敏度與相同指向斜探頭的檢測靈敏度相近。

相控陣超聲檢測中，將目標區域放在近場區，采用體積型多點聚焦掃描的方式可以同時兼顧靈敏度和檢出率；但目前在工程實際應用的相控陣超聲設備中，僅有少數全聚焦設備(Full Matrix Capture Phased Array)具備上述功能，大多數設備僅采用定焦深多角度的掃描方式，一個角度上通常只有一個焦點，實際應用中焦點深度的選擇通常與檢測對象的壁厚相關，而較少考慮近場區和遠場區對檢測效果的影響[2-3]。針對上述現狀，以CIVA仿真軟件為工具，通過相控陣超聲檢測聲場及缺陷響應的仿真分析，對相控陣超聲檢測中的焦點位置及近場區影響進行研究，總結了焦點位置選擇的基本原則，為相控陣超聲檢測的工程應用提供參考。

1 超聲檢測的近場區

1.1 常規超聲的近場區

圖1 圓盤波源聲束軸線上的聲壓分布及近場區示意

超聲檢測中，在波源附近由于波的干涉而出現的一系列聲壓極大、極小值區域，稱為超聲場的近場區，又叫菲涅爾區。波源聲束軸線上最后一個聲壓極大值至波源的距離稱為近場區長度，通常用N表示[4]。圓盤波源聲束軸線上的聲壓分布及近場區示意如圖1所示，使用CIVA軟件，對10 MHz，φ10 mm的超聲縱波探頭進行仿真計算，分別計算連續波激勵產生的聲場和脈沖波激勵產生的聲場。對比可知，連續波激勵條件下，聲波的相干長度較大，干涉效應明顯，在近場范圍內出現多個極值點，遠場也呈現出干涉條紋，而脈沖波激勵的聲場波動較小，僅有2個明顯的極值點。

由以上聲場圖像可知，無論采用連續波還是脈沖波激勵，波源的近場區范圍內均存在較強的聲壓波動和一定數量的極值點。在實際檢測中，如果缺陷位置與極小值點疊加，則回波較弱，可能造成漏檢；如果缺陷位置與極大值點疊加，則回波增強，在采用當量法評判時會誤判缺陷大小。因此，在常規超聲檢測中，通常避免在近場區進行檢測，特別是在采用當量法的定量檢測中。

1.2 相控陣超聲的近場區

超聲探頭的近場區可以按式(1)進行估算[4]。

(1)

式中：N為近場區長度；Fs為超聲探頭的激勵面積;λ為介質中的超聲波波長。

由式(1) 可知，近場長度與探頭的孔徑面積有關，對于常規探頭，近場長度是固定的；但對于孔徑可變的相控陣探頭，其近場長度可以通過調整激勵孔徑進行優化，而并非定值。為了便于分析，文中均以某一確定的激勵孔徑為基礎。

相控陣超聲通過調整不同陣元的激勵或接收時間，在目標位置實現聲場和檢測靈敏度的加強，從而提高對特定區域缺陷的檢出能力。相控陣超聲對檢測聲場的調控有兩種基本方式，即聚焦和偏轉，相控陣超聲對聲場的2種調控方式示意如圖2所示。建立如圖2所示的右手坐標系，圖中A為相控陣超聲的激勵孔徑，e為相控陣超聲探頭中的陣元寬度，P為兩個陣元間的中心距，則對第一象限中的任意點P0，聚集于該點的延時法則如式(2)所示。

Δti=T0-

(2)

式中：Δti為第i個陣元的激勵時刻；T0為一常量，用來保證Δti為正值；R為焦點相對孔徑中心的距離；θ為焦點相對于孔徑對稱軸的偏角，逆時針為正，順時針為負；n為組成激勵孔徑的陣元數；i為當前陣元的編號；c為介質中的聲速。

圖2 相控陣超聲對聲場的2種調控方式示意

如果聚焦點與孔徑中心的距離為∞，則式(2)失效，需按圖2(b)所示的方式實現調控，即相控陣聲場發生偏轉，具體計算如式(3)所示。

(3)

在實際檢測中，根據檢測需求進行聚焦調控。

對于相控陣超聲探頭，其近場長度通常按圖2(b)所示的聚焦法則進行估算，對于不同的偏轉角度，一維線陣探頭的近場長度可按式(4)進行估算。

(4)

由式(4)可知，隨著偏轉角度的變大，有效孔徑減小，近場長度變短；但需要注意的是，隨著偏轉角度的增大，遠端陣元的輻射能量減弱，實際孔徑會減小得更快，能量也更弱，所以實際檢測中很少使用超出探頭生產商推薦角度的偏轉。

對θ為0°,10°,20°,30°, 40°,50°時的相控陣超聲聲場進行仿真，其近場長度示意如圖3所示，由圖3可知，隨著偏轉角度的增大，不僅近場區前移，而且聲束的遠場能量也在減弱；但不同角度的遠場聲壓分布近乎平行。

由圖3可以看出，雖然相控陣超聲在各個偏轉角度上的聲場分布在強度上有一定差異，但整體趨勢具有很高的相似性，因此為了簡化分析過程，在對焦點位置的研究中，統一選用0°入射的聲場作為代表，通過對焦點深度的改變探討焦點位置對檢測能力的影響，并將結論推廣到其他偏轉角度的聲場中。

圖3 相控陣超聲不同偏轉角度的近場長度示意

2 試驗方法及結果分析

2.1 檢測聲場的參數選擇及試驗條件

參考常規超聲對檢測聲場的選擇標準，將檢測靈敏度和缺陷定量能力作為相控陣超聲檢測中聲場選擇的主要參數。其中，檢測靈敏度是指在目標區域或聲場覆蓋區域發現最小缺陷的能力；缺陷定量能力是指發現缺陷后對其進行準確定量的可能性。檢測靈敏度主要受相控陣超聲場的強度和接收聚焦法則影響，缺陷定量能力則受聲場的均勻性和可補償特征影響。

主要通過CIVA仿真試驗的方法對近場焦點和遠場檢測的能力進行分析，其中檢測對象為均勻碳鋼材料，縱波聲速為5 900 m·s-1,橫波聲速為3 230 m·s-1,密度為7.8 g·cm-3，材料散射衰減不計，分別在不同深度處預制φ2 mm×10 mm(直徑×長度)的橫孔缺陷。所使用相控陣超聲探頭為32陣元，標稱頻率為10 MHz，陣元中心距為0.31 mm，單陣元尺寸為0.21 mm×7 mm(寬×長)。檢測采用接觸法，耦合介質為水，聲速為1 500 m·s-1，密度為1.0 g·cm-3，介質散射衰減不計。為便于對比，使用常規單晶探頭，標稱頻率為10 MHz，孔徑為9.82 mm×7 mm(長×寬)，進行相同的檢測試驗。

2.2 檢測靈敏度分析

檢測對象是規格(長×寬×高)為400 mm×200 mm×200 mm的碳鋼塊材，在深度為20，45，80 mm處埋φ2 mm×10 mm 的橫孔缺陷，其中45 mm為所選用常規超聲探頭的實際近場長度或者使用相控陣探頭全部陣元時的實際近場長度。使用常規單晶探頭、相控陣探頭超聲聚焦法則(設置焦點為20,45,80 mm)進行B掃描檢測，檢測結果如圖4所示。對檢測靈敏度和分辨能力的分析數據詳見表1，其中以缺陷回波的最高幅值作為檢測靈敏度的表征，以φ2 mm橫孔B掃圖像的-6 dB寬度作為分辨能力的表征。

圖4 常規超聲及相控陣超聲對不同深度橫孔的B掃圖像

根據檢測結果分析可知：① 相同孔徑常規單晶探頭的檢測靈敏度通常高于相控陣探頭的，使用近場聚焦法則時焦區位置除外，這主要是由于相控陣陣元間存在間距，單晶探頭的有效激勵或接收面積要高于同孔徑的相控陣探頭的，在試驗中前者約為后者的1.5倍，因此當聚焦法則不能大幅提高檢測靈敏度時，相控陣超聲的檢測靈敏度較低；② 比較兩者的分辨能力，超聲相控陣的分辨能力普遍優于常規探頭的，近場焦點在焦區位置的分辨能力最強，但其遠離焦區時的分辨能力和靈敏度嚴重下降；③ 通過對相控陣超聲不同焦點檢測靈敏度的比較，說明近場焦點適合檢測焦區范圍的缺陷，對焦區外缺陷的靈敏度和分辨能力下降較明顯；遠場干涉對于近場缺陷的檢測靈敏度略有下降，但對焦區位置的缺陷靈敏度和分辨能力有提升。綜合來看，焦點設置在近場長度處，能夠兼顧近場和遠場檢測的需求。

表1不同檢測方式對不同深度φ2mm×10mm橫孔檢測的靈敏度

檢測方式回波幅值/dB分辨能力 (-6 dB寬度)/mm20 mm45 mm80 mm20 mm45 mm80 mm常規探頭20.421.920.17.04.54.5相控陣超聲焦點20 mm25.68.70.01.08.019.5相控陣超聲焦點45 mm16.118.711.23.52.04.5相控陣超聲焦點80 mm13.417.612.65.02.54.0

2.3 缺陷定量能力分析

在超聲檢測中，通常使用缺陷回波的最高幅值來判定缺陷的當量；由于聲波的擴散及介質衰減等原因，相同當量缺陷的回波幅值會隨檢測聲程的增加有所降低。為了補償檢測聲程對回波幅值的影響，在檢測前常使用對比試塊制作DAC(距離-波幅曲線)或TCG(深度補償曲線)來對不同聲程的缺陷回波進行補償。由于制作補償曲線的人工缺陷數量有限，因此要求檢測聲場連續緩慢變化，如果檢測聲壓波動劇烈(存在多個極值點)，則波動區補償不準確，無法準確對缺陷定量，這也是常規超聲定量檢測回避近場區的原因。文章通過仿真試驗對不同深度標準缺陷(φ2 mm ×10 mm)的定量誤差進行比較，以分析不同聚焦深度對于幅值定量方法的適用程度。

使用2 000 mm×200 mm×200 mm(長×寬×高)的碳鋼塊材，深度在2.5～90 mm范圍內，深度間隔2.5 mm，長度間隔50 mm，制作φ2 mm ×10 mm的橫孔缺陷36個。使用常規單晶探頭、相控陣探頭超聲聚焦法則(設置焦點分別為20,45,80 mm)對該試塊進行B掃描檢測。使用CSK-IIA試塊制作的深度補償曲線對檢測結果進行補償，補償后的缺陷回波幅值分布如圖5所示。

圖5 常規超聲及相控陣超聲對不同深度橫孔的幅值分布(深度補償后)

整體來看，常規單晶探頭和焦點為20 mm的相控陣超聲檢測的回波幅值波動較大，將檢測范圍劃分為近場區和遠場區(以45 mm為界限)，分別統計φ2 mm ×10 mm橫孔的定量偏差，統計結果見表2。由結果可知，在近場范圍內，常規單晶探頭和焦點為20 mm的相控陣超聲聚焦法則的定量誤差最大，超過20%；而遠場干涉(計算焦點80 mm)的定量誤差最小；在遠場范圍內，所有方式的定量誤差均較小，其中焦點在近場長度位置的遠場定量誤差最小，低于1%，其次為焦點20 mm的相控陣超聲檢測，遠場干涉的檢測誤差與其接近。綜合來看，相控陣超聲檢測方法的定量能力均優于常規超聲檢測方法的。

表2 不同檢測方式對不同深度φ2 mm×10 mm橫孔的最大定量誤差 %

3 結語

(1) 相同孔徑的常規超聲檢測靈敏度通常高于相控陣超聲(近場焦區除外)的檢測靈敏度，但其定量精度低于相控陣超聲的。

(2) 相控陣超聲檢測中，如果目標區域位于遠場區，綜合考慮靈敏度、分辨能力和定量誤差，建議將焦點設置于目標位置(遠場區)；如果目標區域跨越近場區和遠場區，建議焦點設置在近場長度位置；如果目標區域位于近場區且范圍較大，優先考慮定量精度，焦點設置在遠場區；如果目標區域位于近場區且范圍較窄，可以選用近場焦點，但需要針對性的靈敏度矯正才能實現可靠定量。