陳茹 趙瑋 王戈 開封市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心

對(duì)于大口徑長(zhǎng)輸管道而言，在對(duì)物質(zhì)進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，起到了非常重要的輸送作用。但是，在對(duì)大口徑長(zhǎng)輸管道進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，經(jīng)常會(huì)面臨環(huán)焊縫缺陷問題的產(chǎn)生，如果不能提前采取有效的措施進(jìn)行解決，將會(huì)引發(fā)非常嚴(yán)重的泄漏問題。針對(duì)這種現(xiàn)象，必須在一定的時(shí)間內(nèi)對(duì)焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)，而超聲相控陣在無損檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)了非常廣泛的應(yīng)用，其聲場(chǎng)特點(diǎn)對(duì)于探傷靈活性起到了非常重要的決定性作用，并且在換能器設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，也可以提供非常重要的參考依據(jù)。因此，加強(qiáng)對(duì)超聲相控陣設(shè)計(jì)的優(yōu)化工作，保證可以將該技術(shù)的價(jià)值作用充分發(fā)揮出來。

一、超聲相控陣分析

（一）超聲相控陣的概念

對(duì)于超聲相控陣技術(shù)，主要是在雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。在相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)中，涉及到了非常多的輻射單元，通過對(duì)陳列天線中各單元幅度與位置的有效控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波輻射方向的調(diào)整工作，在一定的時(shí)間與空間范圍內(nèi)，可以形成聚焦掃描的雷達(dá)波速。在超聲相控陣換能器中，包含了非常多的壓點(diǎn)晶片，并且彼此之間具有一定的獨(dú)立性，通過一定的規(guī)律與流程，使用電子系統(tǒng)對(duì)各個(gè)晶片單元進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)焦點(diǎn)位置以及聚焦方向的有效調(diào)節(jié)。

（二）超聲相控陣換能器

超聲相控陣探頭主要是由多個(gè)壓電晶片以排列的形式組合而成，并且彼此之間具有一定的獨(dú)立性，在對(duì)壓電晶片激勵(lì)順序進(jìn)行調(diào)整的基礎(chǔ)上，可以完成聲束的有效轉(zhuǎn)移與聚焦。在對(duì)超聲相控陣換能器進(jìn)行應(yīng)用的過程中，為了可以滿足不同應(yīng)用環(huán)境與條件的需求，可以根據(jù)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲相控陣換能器的多種組合，主要包括1維線陣、1.5維矩陣、2維矩陣、環(huán)形陣、扇形陣、1維凹面陣、雙線矩陣、雙1.5維陣等，具體如下圖1所示。

對(duì)于不同形式的相控陣，在對(duì)陣元發(fā)射延時(shí)的有效控制，最終可以獲取到比較靈活的聲束，同時(shí)在保證探頭穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)大范圍的檢測(cè)工作。其中，1維線陣在具體的制造過程中，通常涉及到的制作流程比較簡(jiǎn)單，所以如今獲得了比較廣泛的應(yīng)用。2維矩陣因?yàn)樵谥谱鬟^程中對(duì)于工藝方面有著非常高的要求，同時(shí)在電路上呈現(xiàn)出了非常明顯的復(fù)雜性，需要較多成本的投入，所以一般主要是應(yīng)用到了醫(yī)療領(lǐng)域當(dāng)中，還沒有引起工業(yè)領(lǐng)域的高度重視。1維凸面陣主要適合應(yīng)用在管道內(nèi)部的檢測(cè)工作中。1為凹面陣主要是應(yīng)用于彎管的檢測(cè)中，環(huán)形陣列不能對(duì)聲束偏轉(zhuǎn)進(jìn)行有效控制，所以通常應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像或者是脈沖多普勒體積流量計(jì)中。扇形陣列主要是應(yīng)用到了棒材檢測(cè)中，雙1.5維陣與雙線型陣通常是對(duì)管道表面存在的缺陷問題進(jìn)行檢測(cè)。

結(jié)合以上分類形式進(jìn)行分析，主要是按照相應(yīng)的陣元排列方式來進(jìn)行的。同時(shí)，如果是在檢測(cè)對(duì)象或者是檢測(cè)條件比較特殊的情況下，也會(huì)選擇與之相符的超聲相控陣換能器。比如，當(dāng)空間規(guī)模比較有限，檢測(cè)工作會(huì)受到一定的限制時(shí)，就可以選擇使用小腳印換能器。如果所檢測(cè)的管道表面不夠規(guī)則時(shí)，就可以選擇使用具有一定柔性的換能器。

（三）超聲相控陣檢測(cè)的特點(diǎn)分析

目前，采用超聲相控陣技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，一維線陣有著比較廣泛的應(yīng)用。超聲相控陣主要是通過各個(gè)陣元發(fā)生的超聲，在經(jīng)過一定的控制之后形成預(yù)期的聲束，利用同一頻率的脈沖來對(duì)各個(gè)陣元產(chǎn)生一定的激發(fā)作用，并且對(duì)于激發(fā)的時(shí)間進(jìn)行延遲，因?yàn)槊恳粋€(gè)陣元的發(fā)射聲波會(huì)出現(xiàn)一定的相位差，這就會(huì)對(duì)最終的控制結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，從而也就形成了偏轉(zhuǎn)與聚焦聲束，具體如下圖2所示。對(duì)于每一個(gè)陣元的激發(fā)延遲，通常被稱作為聚焦法或者是延時(shí)法則。

圖2 超聲相控陣偏轉(zhuǎn)與聚焦聲束的產(chǎn)生

與以往的單晶片換能器超聲檢測(cè)相比具有一定的差異，主要是因?yàn)槌曄嗫仃嚥煌年囋M合與不同的聚焦法之間進(jìn)行了有效融合，從而形成了具有一定特殊性的工作方式，分別體現(xiàn)在了以下幾個(gè)方面：第一，線性掃查。對(duì)于線性掃查而言，主要指的是電子掃查，在具體的操作過程中，首先假設(shè)相控陣陣元的總數(shù)為N，將相鄰的n個(gè)陣元組合成一個(gè)組合，然后對(duì)于每一個(gè)組合斤采取同樣的聚焦法則。其次，通過對(duì)聚焦法則的設(shè)定，對(duì)于第一組陣元產(chǎn)生一定的激發(fā)作用。最后，按照陣列的長(zhǎng)度方向，不但向前移動(dòng)，采取一樣的聚焦法則，然后對(duì)第二組陣元進(jìn)行激發(fā)，通過這種方式不斷推進(jìn)，直到激發(fā)最后一組陣元。通常情況下，會(huì)將一組陣元作為一個(gè)序列，在將其全部掃查完之后，就會(huì)得到相應(yīng)的序列回波信號(hào)，在保證探頭穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，就可以實(shí)現(xiàn)大范圍的檢測(cè)工作；第二，扇形掃查。在采用扇形掃查方式時(shí)，通常都是對(duì)一組陣元進(jìn)行明確，然后對(duì)這組陣元分別采用不同的聚焦法則，并且在每一次掃查中，分別轉(zhuǎn)變聲束的偏轉(zhuǎn)角度，這樣就能產(chǎn)生扇形的掃查范圍。與線性掃查方式相比具有一定的差異，主要是因?yàn)樵趯?duì)扇形掃查方式進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，可以保證陣元的穩(wěn)定性，只需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)聚焦法則做出相應(yīng)的改變；第三，動(dòng)態(tài)聚焦。在對(duì)動(dòng)態(tài)聚焦進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，主要是在面對(duì)不同深度的聲軸時(shí)，開展聚焦處理工作，也就是實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片的動(dòng)態(tài)控制，通過采用這種聚焦法則，在面對(duì)不同深度的聲軸時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化聚焦。通常情況下，這種聚焦方式主要是應(yīng)用在比較薄的管道檢測(cè)工作中。

二、相控陣換能器的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

本文在具體的研究過程中，主要是對(duì)N個(gè)寬度為W，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的矩形陣元共同形成的線性超聲相控線陣。對(duì)于每一個(gè)相鄰陣元之間，其距離為d，換能器的中心頻率為7.5MHz。超聲縱波在金屬焊縫當(dāng)中的聲速為每秒5900m，焊縫當(dāng)中超聲的波長(zhǎng)為0.787mm。通過針對(duì)超聲相控陣開展相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，主要是為了將聲音集中在主扳尖銳中，對(duì)于柵瓣中的聲束進(jìn)行控制，通過這種方式可以在一定程度上降低旁瓣的幅度。

（一）陣元數(shù)量N對(duì)聲束指向性的影響

如下圖3所示，在陣元數(shù)量不斷增加的基礎(chǔ)上，聲束主瓣的寬度會(huì)逐漸縮小，并且也在一定程度上降低了旁瓣的幅度。另外，隨著系統(tǒng)通道數(shù)的不斷增加，后續(xù)硬件系統(tǒng)也相應(yīng)提升，這就導(dǎo)致系統(tǒng)呈現(xiàn)出了非常明顯的繁瑣性，同時(shí)對(duì)于成本方面提出了更高的要求，因此，應(yīng)該將陣元數(shù)量控制在16至128之間。

圖3 聲束的空間指向性

（二）陣元距離d對(duì)聲束指向性的影響

在對(duì)陣元寬度明確的基礎(chǔ)上，隨著之間距離的不斷增加，那么主瓣寬度就會(huì)在原來的基礎(chǔ)上不斷減小，同時(shí)會(huì)提升波束的聚焦指向性。如果是在陣元間距為0.6的情況下，當(dāng)出現(xiàn)柵瓣時(shí)，就會(huì)造成假象問題的產(chǎn)生。針對(duì)這種現(xiàn)象，在增加距離的基礎(chǔ)上，可以使主瓣逐漸變得尖銳，同時(shí)保證聚焦能量的集中性，但是，如果陣元距離超出一定的范圍之后，就會(huì)導(dǎo)致柵瓣現(xiàn)象的產(chǎn)生，一般需要將陣元之間的距離控制在0.5以內(nèi)。

（三）陣元長(zhǎng)度L對(duì)聲束指向性的影響

對(duì)于陣元長(zhǎng)度而言，在對(duì)陣元尺寸進(jìn)行明確時(shí)，主要是作為一個(gè)參數(shù)而存在。如果是在陣元長(zhǎng)度比較小的情況下，其聲束的柵瓣會(huì)增加，同時(shí)主瓣變寬，這時(shí)就會(huì)在一定程度上增加聚焦范圍，從而影響到最終的聚焦效果。在陣元長(zhǎng)度不斷增加的基礎(chǔ)上，會(huì)縮小波束的形狀，能量相對(duì)降低。因此，應(yīng)該將陣元長(zhǎng)度控制在16倍左右。

（四）陣元寬度w對(duì)聲束指向性的影響

在陣元尺寸中，陣元寬度屬于另外一個(gè)比較重要的參數(shù)，通常與主瓣之間不存在太大的聯(lián)系。在陣元寬度不斷增加的基礎(chǔ)上，會(huì)導(dǎo)致柵瓣的幅度逐漸降低，這時(shí)會(huì)增加陣元的實(shí)際面積，減少陣元數(shù)量，使旁瓣幅度不斷增加。因此，在對(duì)探頭尺寸明確的基礎(chǔ)上，應(yīng)該采取措施來提升陣元的寬度，同時(shí)還需要達(dá)到相控陣的組成條件，保證陣元寬度可以低于陣元距離。

三、試驗(yàn)平臺(tái)與試驗(yàn)結(jié)果分析

在對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行構(gòu)建的過程中，主要是嚴(yán)格參照“全自動(dòng)超聲檢測(cè)環(huán)形焊縫實(shí)施細(xì)則”中的相關(guān)規(guī)定，在對(duì)環(huán)焊縫坡口進(jìn)行選擇時(shí)，主要是V型為主。結(jié)合對(duì)相控陣換能器參數(shù)的分析結(jié)果進(jìn)行分析，在對(duì)相控陣探頭參數(shù)進(jìn)行明確時(shí)，其中陣元數(shù)量為64，陣元之間的距離為0.5mm，陣元寬度為0.4mm，陣元長(zhǎng)度為10mm，換能器的中心頻率為7.5MHz。在對(duì)超聲相控陣進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，其換能器發(fā)射聲束的指向性如下圖4所示。

圖4 優(yōu)化之后的聲束指向性

在具體的試驗(yàn)過程當(dāng)中，首先在特定的試驗(yàn)條件與環(huán)境下，分別使用超聲相控線陣與一個(gè)同頻的常規(guī)超聲探頭來開展試驗(yàn)工作，最終對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，具體如下圖3所示。在試驗(yàn)過程當(dāng)中對(duì)超聲相控陣進(jìn)行設(shè)置時(shí)，主要是將四個(gè)陣元為一個(gè)組合，然后從中任意選出一個(gè)鎮(zhèn)元，來完成聲波發(fā)射或者是聲波接收操作，在此基礎(chǔ)上形成系統(tǒng)的聲束。在這次試驗(yàn)過程當(dāng)中，主要是進(jìn)行了八路聲束聲波的合成聚焦。具體如下圖5所示，由圖中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，之前的回波次數(shù)要多于之后的試驗(yàn)，并且增加幅度比較高，由此可以看出，聲波在能量方面具有一定的集中性。

相控陣探頭回波

常規(guī)超聲探頭回波

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，將超聲相控陣技術(shù)應(yīng)用于管道缺陷檢測(cè)工作中，要想保證最終超聲相控陣檢測(cè)效率達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)保障最終檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，與相控陣列尺寸之間有著非常密切的聯(lián)系。本文針對(duì)超聲相控陣的概念進(jìn)行了深入分析，同時(shí)對(duì)線陣參數(shù)對(duì)超聲束聚焦產(chǎn)生的影響進(jìn)行了深入探究，在此基礎(chǔ)上對(duì)相控陣轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)優(yōu)化原則進(jìn)行了明確，并進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)操作，從而有效保證這種方法在應(yīng)用過程中的有效性與合理性。