侯金剛 朱雨虹 楊 齊 原可義

（ 1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029；2. 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局無損檢測與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yīng)用不同的聚焦法則，在不改變檢測探頭的條件下，能夠適應(yīng)不同的檢測需求[1，2]；相控陣超聲的檢測結(jié)果以圖像顯示，A掃數(shù)據(jù)能夠逐點(diǎn)存儲(chǔ)，檢測結(jié)果的評(píng)判更為直觀，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面也滿足可記錄需求，因此在工業(yè)檢測中的應(yīng)用日益廣泛[3～5]。目前相控陣超聲在儀器設(shè)備方面已經(jīng)趨于成熟，2016年相控陣超聲檢測國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32563-2016《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》頒布實(shí)施，也推動(dòng)了相控陣超聲檢測技術(shù)在國內(nèi)較大規(guī)模應(yīng)用的展開。

目前我國相控陣超聲在工業(yè)檢測中的應(yīng)用尚處于試用階段，檢測工藝的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、實(shí)施及檢測結(jié)果的評(píng)判等工藝體系尚未成熟，在應(yīng)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(guān)鍵問題之一。本文主要針對(duì)線陣傳感器的參數(shù)選擇問題進(jìn)行研究，重點(diǎn)對(duì)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(guī)超聲傳感器不同，相控陣超聲傳感器由多個(gè)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(xì)分為平面線陣、凸面線陣、凹面線陣、環(huán)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(dāng)于將單晶傳感器按照某種規(guī)則分割為多個(gè)陣元形成。由于每個(gè)陣元均可以獨(dú)立控制激勵(lì)信號(hào)，因此檢測聲場具備可調(diào)控的特征，根據(jù)相干性原理，可以通過激勵(lì)控制形成預(yù)期的檢測聲場。理論上，相控陣傳感器包含著的陣元數(shù)越多，對(duì)聲場調(diào)控的能力越強(qiáng)，但相應(yīng)的需要匹配的超聲設(shè)備也越復(fù)雜，造價(jià)也越高。綜合檢測能力、造價(jià)、便攜性等因素，目前在工業(yè)檢測中應(yīng)用的多為16或32陣元的線陣傳感器。

對(duì)于一維線陣傳感器，其主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括，頻率f、陣元數(shù)N、陣元寬度e、陣元高度h、陣元間距P、陣元間隙g、主動(dòng)孔徑A等，各參數(shù)的定義參見圖2。

圖2 一維線陣的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 相控陣超聲傳感器的參數(shù)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(fā)現(xiàn)小缺陷；此外，高頻脈沖的時(shí)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(huì)隨著頻率的提高而加劇，因此提高頻率會(huì)降低信噪比；高頻超聲對(duì)于面積型缺陷具有一定的選擇性，會(huì)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(duì)于厚度較小，缺陷也較小的對(duì)象可選擇較高頻率；對(duì)于大厚度、高衰減的對(duì)象，則應(yīng)選擇較低頻率。

（2）結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇目前對(duì)線陣傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇主要以遠(yuǎn)場指向性函數(shù)為依據(jù)，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(xiàn)偽像，造成誤檢。

對(duì)于線陣傳感器，其遠(yuǎn)場指向性函數(shù)[7]為

其中：θ為方向角，θs為偏轉(zhuǎn)角，k=2π/λ為角波數(shù)，其他參數(shù)如圖2所示。

根據(jù)式（1），對(duì)如下相控陣超聲傳感器的指向性進(jìn)行計(jì)算，f=5MHz，e=0.4 mm，P=0.5 mm，N=16，k=1.77π，θ∈［-180。，180。］，θs=0。，20。。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。圖中標(biāo)出了主瓣、旁瓣和柵瓣的位置，可以看出隨著偏轉(zhuǎn)角度變化，主瓣和柵瓣都發(fā)生偏移且相互靠近，如果在目標(biāo)檢測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)柵瓣，則會(huì)形成幅值較高的偽像，引起對(duì)檢測結(jié)果的誤判。

由式（1）可以推得，由零點(diǎn)限定的主瓣寬度可表達(dá)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(dòng)孔徑A，將角波數(shù)改寫為頻率關(guān)系K=2πf/C0，其中C0為介質(zhì)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(shù)，取 根據(jù)式（3） 計(jì)算主瓣隨不同參數(shù)的變化情況，如圖4所示，可知，主瓣寬度隨主動(dòng)孔徑、激勵(lì)頻率變大而變小，而隨偏轉(zhuǎn)角絕對(duì)值增加而變大，可見偏轉(zhuǎn)角增加會(huì)降低對(duì)缺陷的分辨力。但應(yīng)該注意到，三者對(duì)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(shù)的變化

以第一零點(diǎn)和第二零點(diǎn)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(jù)傳感器加工制造現(xiàn)狀可取g=0.1 mm，為定值，則式（4）可以改寫為

按本文各項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)式（5）計(jì)算第一旁瓣幅值隨各項(xiàng)參數(shù)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(dāng)陣元數(shù)較小時(shí)，對(duì)旁瓣幅值影響較大，但陣元數(shù)達(dá)到一定值后，旁瓣幅值基本不變；隨偏轉(zhuǎn)角的增大，正半軸第一旁瓣幅值變小。但應(yīng)該注意到，負(fù)半軸第一旁瓣的變化趨勢(shì)正好相反，因此偏轉(zhuǎn)角對(duì)整體旁瓣能量的影響也不大。

圖5 旁瓣幅值隨傳感器參數(shù)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(xiàn)柵瓣，極可能造成偽像，形成誤判，因此在超聲相控陣應(yīng)用中必須予以消除。根據(jù)式（1），柵瓣的位置可以表達(dá)為

其中，i表示第i個(gè)柵瓣，正值為正半軸，負(fù)值為負(fù)半軸。

圖6 柵瓣扇掃偏轉(zhuǎn)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(nèi)不存在柵瓣，按偏轉(zhuǎn)角度為θs=±90°最大范圍計(jì)算，根據(jù)式（6） 消除旁瓣的條件為c0＞ 2Pf，即

對(duì)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(dāng)放寬對(duì)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(jīng)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(shù)使用CIVA軟件對(duì)線陣傳感器的聲場進(jìn)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(zhuǎn)角滿足式（8）時(shí)未出現(xiàn)旁瓣（θs=0°，25°），而偏轉(zhuǎn)角超出范圍時(shí)出現(xiàn)了較為明顯的旁瓣（θs=45°），此時(shí)易形成偽像。

3 結(jié)論

相控陣超聲檢測中對(duì)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(shù)。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(dòng)孔徑等參數(shù)調(diào)整，而通過結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旁瓣進(jìn)行調(diào)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?yàn)闁虐甑拇嬖跁?huì)形成偽像，造成誤判。柵瓣的控制可以通過調(diào)整陣元中心距實(shí)現(xiàn)，對(duì)于確定的傳感器則需保證扇掃偏轉(zhuǎn)角度在一定范圍內(nèi)。