(浙江省特種設備檢驗研究院，杭州 310020)

超聲檢測被廣泛應用于工程結(jié)構(gòu)、特種設備、核電、航空等領域。超聲檢測的分辨力越高，越容易獲得缺陷的細節(jié)特征，缺陷的定量和定性檢測結(jié)果越準確。超聲檢測分辨力是由對兩個反射體提供可分離指示時兩者的最小距離來確定的,分為在聲波傳播方向上的縱向分辨力和垂直于傳播方向的橫向分辨力。常規(guī)的超聲檢測方法是超聲A掃描，超聲A掃描的檢測分辨力往往受到探頭以及儀器性能的制約。相控陣超聲檢測不同于常規(guī)的超聲A掃描，對于選定的儀器和探頭，可以通過孔徑以及焦距等參數(shù)的設置來優(yōu)化檢測分辨力。

筆者通過研究焦距和孔徑對相控陣超聲檢測橫向分辨力的影響規(guī)律，指出通過優(yōu)化相控陣超聲的檢測參數(shù)，可以獲得更高的橫向檢測分辨力，對相關檢測有一定的參考價值。

1 相控陣超聲檢測的基本理論

1.1 線陣換能器的幾何參數(shù)

線陣換能器的主要參數(shù)有陣元數(shù)量N，陣元間距d，陣元寬度a，陣元長度b，其幾何參數(shù)如圖1所示。

圖1 線陣換能器的幾何參數(shù)

孔徑D=(N-1)×d+a，通常陣元間隙很小，則可認為d=a，則近似表示為[1]

D=N×d

(1)

1.2 線陣換能器的聲場參數(shù)

相控陣超聲通過對不同陣元設置不同的延遲時間，來實現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦。線陣換能器的聲場參數(shù)示意如圖2所示。

圖2 線陣換能器的聲場參數(shù)示意

對于陣元數(shù)量為N、陣元間距為d、陣元寬度為a的線陣相控陣換能器，當換能器孔徑D遠大于波長λ時，近場長度可表示為[2]

(2)

常將主聲束上焦點兩側(cè)相對于聚焦點處聲壓下降20%的主聲束長度定義為聚焦深度Fe，焦距為F，在采用球面聚焦方式時，聚焦深度可表示為[3]

Fe=8.16λ(F/D)2

(3)

2F/D>1

(4)

對于線陣換能器，x?F的區(qū)域[3]

(5)

式中：e為聲壓降低6 dB的焦點直徑。

x≈F的區(qū)域

e=λx/D

(6)

x?F的區(qū)域

(7)

橫向分辨力Δd可表示為[4]

Δd=e/4

(8)

2 CIVA軟件仿真分析

2.1 參數(shù)設置

在CIVA軟件中設置鋼制試塊長450 mm，寬25 mm，高200 mm。試塊中有一系列直徑為2 mm 的橫通孔，相鄰橫通孔之間水平和垂直距離均為5 mm，試塊尺寸和缺陷的相對位置示意如圖3 所示，仿真時設定探頭中心頻率為5 MHz，陣元間距為0.6 mm，陣元寬度為10 mm，陣元總數(shù)為64。

圖3 試塊尺寸和缺陷的相對位置示意

設定探頭的運動方向與橫通孔的長度方向垂直，進行B掃描檢測，探頭相對試塊的運動方向示意如圖4所示。為了模擬的方便，將縱波聲束設置為垂直向下入射。

圖4 探頭相對試塊的運動方向示意

2.2 陣元數(shù)量和焦距對橫向分辨力的影響

圖5～7是陣元數(shù)量分別為8,32,64時，不同焦距的仿真結(jié)果。

圖5 陣元數(shù)為8時，不同焦距的仿真結(jié)果

圖6 陣元數(shù)為32時，不同焦距的仿真結(jié)果

圖7 陣元數(shù)為64時，不同焦距的仿真結(jié)果

3 檢測試驗

使用64陣元的相控陣超聲探頭，陣元數(shù)量分別設置為8，32，64，對RB-2試塊上深度為30 mm的橫通孔進行扇掃成像。為了表述的方便，檢測結(jié)果中對應深度孔的扇掃圖像用箭頭指示。焦距為30 mm，不同陣元數(shù)目的扇掃結(jié)果如圖8所示，陣元數(shù)目為64，不同焦距的扇掃結(jié)果如圖9所示。

圖8 焦距為30 mm時，不同陣元數(shù)目的扇掃結(jié)果

圖9 陣元數(shù)目為64時，不同焦距的扇掃結(jié)果

4 分析與討論

從圖5可以看出，陣元數(shù)量為8，焦距大于10 mm時，橫向檢測分辨力基本不變；從圖6可以看出，陣元數(shù)量為32，焦距大于100 mm時，焦距的變化對橫向分辨力影響很小，焦距小于50 mm時，在焦點附近有明顯的聚焦效果，橫向檢測分辨力高；從圖7可以看出，陣元數(shù)量為64時，焦距在150 mm范圍內(nèi)均有聚焦效果。陣元數(shù)量為8，32，64時，根據(jù)式(2)計算得到的近場區(qū)長度分別為4.88，78.1，312.4 mm，由于相控陣超聲只能在超聲探頭的近場區(qū)有效聚焦，故焦距超過了近場區(qū)就沒有聚焦效果。陣元數(shù)量多，孔徑大，探頭近場區(qū)長度長，在更大的焦距范圍內(nèi)都會有聚焦效果，聲束聚焦后，聲束寬度減小，從而提高了橫向檢測分辨力。

從圖5～7可以看出，焦距相同時，陣元數(shù)量越多，檢測結(jié)果中焦距處橫通孔的尺寸越小。根據(jù)式(6)，焦距處焦點直徑與孔徑的倒數(shù)成正比，陣元數(shù)量越多，孔徑越大，焦距處焦點直徑越小，因而橫向檢測分辨力越高。

焦距對橫向分辨力的影響稍微復雜，圖7中(陣元數(shù)為64，焦距為10 mm)深度為5 ，15 mm橫通孔的檢測圖像結(jié)果比圖5(陣元數(shù)為8，焦距為10 mm)、圖6(陣元數(shù)為32，焦距為10 mm)中的橫向分辨力更低，說明相控陣超聲檢測時，并不是陣元數(shù)越多越好。根據(jù)式(3)，(5)，(7)，陣元數(shù)為8，焦距為10 mm時，計算得到的聚焦深度為41.8 mm，在深度為10，15 mm 處的聲束直徑為1.2 mm；陣元數(shù)為32，焦距為10 mm時，計算得到的聚焦深度為2.6 mm，在深度為10，15 mm處的聲束直徑為4.8 mm；陣元數(shù)為64，焦距為10 mm時，計算得到深度為10，15 mm處的聲束直徑為9.6 mm。隨著陣元數(shù)的增多，雖然焦點處聲束直徑小，橫向檢測分辨力高，但是聚焦深度會顯著減小;而稍微偏離焦點位置,聲束寬度會迅速增加，故如果焦距等設置不當，可能橫向分辨力反而不如陣元數(shù)量少時的橫向分辨力高。

從圖8的扇掃結(jié)果可以看出，焦距設置在孔的深度附近時，陣元數(shù)越多，橫通孔圖像的尺寸越小，焦距處的聲束寬度越小，檢測分辨力越高。

從圖9可以看出,焦距設置為30 mm時的檢測分辨力最好，焦距設置為10 mm時的檢測分辨力最差。陣元數(shù)為64，焦距為10 mm時的橫向分辨力不及陣元數(shù)為8，焦距為30 mm時的橫向分辨力高，說明了陣元數(shù)量越多，橫向檢測分辨力并不一定越高。

5 結(jié)論

通過理論分析、仿真分析、檢測試驗說明相控陣超聲檢測時，陣元數(shù)量以及焦距均會影響聲束寬度，從而影響橫向檢測分辨力。超聲相控陣探頭只能在近場區(qū)聚焦，陣元數(shù)越多，焦距越小，焦距處聲束寬度越小，而稍微偏離焦點范圍，聲束直徑會顯著增大，故陣元數(shù)量越多，橫向檢測分辨力不一定越高。要獲得好的檢測橫向分辨力，不應當單純增加陣元數(shù)，而應當選擇合適的陣元數(shù)和焦距，使得缺陷處聲束寬度盡可能小。