超声相控阵入门基础

许多人熟悉超声成像的医学应用 ，其中高频声波被用来制作非常详细的内部横断面图 。医学声像图通常由专门的多元素换能器(即相控阵)及其相应的硬件和软件制作 。但超声相控阵技术的应用并不局限于医学诊断 。近年来 ，相控阵系统在工业环境中得到了越来越多的应用 ，在普通超声波检测中提供了新水平的信息和可视化 ，包括焊缝检测 、粘结检测 、厚度剖面和在役裂纹检测 。下面主要介绍了相控阵系统的工作原理及其在工业超声无损检测中的应用 。

1．什么是相控阵系统 ？

传统的无损检测超声换能器通常由一个既能产生又能接收到高频声波的有源元件组成 ，或者由两个配对元件组成 ，一个用于发射 ，另一个用于接收 。另一方面 ，相控阵探头通常由一个换能器组件组成 ，由16到256个小的单个元件组成 ，每个元件都可以单独脉冲 。这些可以排列成条形(线列阵) 、环(环形阵列) 、圆形矩阵(圆形阵列)或更复杂的形状 。与常规换能器的情况一样 ，相控阵探头可设计为直接接触使用 ，作为带有楔形的角波束组件的一部分 ，也可用于通过水路进行声耦合的浸入式 。换能器的频率通常在2兆赫至10兆赫之间 。相控阵系统还将包括一个先进的基于计算机的仪器 ，能够驱动多元素探头 ，接收和数字化返回波 ，并绘制各种标准格式的回波信息 。与传统的探伤仪不同 ，相控阵系统可以通过一系列折射角度或沿着线性路径扫描声波 ，或动态聚焦于若干不同深度 ，从而提高了检测装置的灵活性和能力 。

       

                      典型相控阵探头组件                                                   典型多元结构

2．它们是如何工作的 ？

在基本的意义上，相控阵系统利用了相位化的波物理原理 ，改变了一系列传出超声波脉冲之间的时间 ，使阵列中每个单元产生的单个波锋相互结合 ，以可预测的方式增加或抵消能量 ，从而有效地引导和塑造声束 。
这是通过在稍微不同的时间脉冲单个探针元素来实现的 。通常情况下 ，这些元件将以4至32组的方式脉冲 ，以便通过增加孔径来提高有效的灵敏度 ，从而减少不必要的光束扩展 ，并使聚焦更加清晰 。被称为焦律计算器的软件为激发每一组元件建立了特定的延迟时间 ，以便产生所需的光束形状 ，同时考虑到探针和楔形特性以及测试材料的几何和声学特性 。程序脉冲序列由仪器的操作软件选择 ，然后在测试材料中启动多个的波前 。这些波锋依次以建设性和破坏性的方式组合成一个单一的初级波锋 ，通过测试材料反射裂纹 、不连续性 、后壁和其他材料边界 ，就像任何传统的超声波一样 。该光束可以通过不同的角度 、焦距和焦斑大小动态地引导 ，使单个探针组件能够在不同的角度上检查测试材料 。这种光束引导的速度非常快 ，因此从多个角度或多个焦深的扫描可以在一小部分秒内完成。
返回波由各种元素或元素组接收 ，并根据需要进行时移以补偿不同的楔形延迟 ，然后进行求和 。相控阵换能器不同于传统的单元件换能器 ，它能有效地融合所有波束分量对其面积的影响，相控阵换能器可以根据每个单元的到达时间和幅度对返回波前进行空间分类。当由仪器软件处理时 ，每个返回的焦律表示来自光束的特定角度分量的反射 、沿着线性路径的特定点和/或来自特定焦深的反射 。然后 ，回波信息可以多种格式中的任何一种形式显示 。

      

             平面探针变延迟法产生的转角光束实例                                   聚焦线性扫描光束实例

3．这些图像是什么样子的？

在大多数典型的缺陷检测和测厚仪应用中 ，超声波检测数据都是基于处理后的射频波形得到的时间和振幅信息 。这些波形和从中提取的信息通常以四种格式中的一种或多种形式呈现 ：a-扫描 、B-扫描 、C-扫描或S-扫描 。本节展示了一些来自常规探伤仪和相控阵系统的图像演示的例子 。

4．A扫描显示器

A-扫描是一种简单的RF波形表示 ，显示超声信号的时间和幅度 ，通常由常规的超声波探伤仪和波形显示厚度计提供 。A扫描波形表示测试片中一个声音光束位置的反射.下面的探伤仪A-扫描显示了钢制参考块中两侧钻孔的回声.柱状声束来自普通的单元件接触换能器 ，截取三个孔中的两个 ，并在不同的时间产生两个与孔的深度成正比的反射 。

                 

            广义梁剖面                                         直束A扫描图像

5 。B扫描显示器

B扫描是一幅通过测试片的一个垂直切片显示横截面轮廓的图像 ，显示反射器相对于其线性位置的深度 。B扫描成像要求在存储相关数据的同时 ，通过机械或电子的方式沿着测试片的选定轴扫描声束 。在下面的情况下 ，B扫描显示两个深反射器和一个浅反射器 ，对应于测试块中侧钻孔的位置 。用常规的探伤仪 ，传感器必须横向移动通过测试件 。

                   

            广义梁剖面                               典型b扫描图像显示相对孔深

另一方面 ，相控阵系统可以使用沿线列阵探头长度的电子扫描 ，类似地 ，在不移动换能器的情况下创建横截面轮廓 ：

 

电子线性扫描(B扫描)图像 ，显示线阵长度的相对空穴位置和深度 。

6 。C扫描显示器

C扫描是一种二维数据表示 ，显示为测试件的顶视图或平面视图 ，其图形图与x射线图像相似 ，其中颜色表示测试片中映射到其x-y位置的每个点的门控信号幅度 。在常规仪器中 ，单元件传感器必须以x-y光栅扫描模式在测试件上移动 。在相控阵系统中 ，探测器通常沿着一个轴移动 ，而电子束则沿着另一个轴进行电子扫描。当扫描图像与零件的精确几何对应必须保持时 ，编码器通常会被使用 ，尽管非编码的手动扫描在许多情况下也能提供有用的信息 。
下面的图像显示了用传统的浸没扫描系统与聚焦浸没换能器以及使用编码手扫描仪和线阵的便携式相控阵系统制成的参考块的C扫描。虽然图形分辨率并不完全等价 ，但还有其他考虑因素 。相控阵系统是现场便携，而传统的系统不是 ，成本约为三分之一的价格 。此外 ，相控阵图像是在几秒钟 ，而传统的浸没扫描几分钟 。

                           

广义束廓线和运动方向                                     常规C扫描图像显示孔位

                                          

广义束廓线和运动方向                                相控阵C扫描图像显示孔洞位置

7 。扫描显示器

S扫描或扇形扫描图像表示从一系列与延迟和折射角度有关的A-扫描得到的二维横断面视图 。水平轴对应于试件的宽度 ，垂直轴对应于深度 。这是常见的格式医学超声以及工业相控阵图像 。声音光束扫过一系列的角度 ，产生一个近似锥形的横截面图像 。应该注意的是 ，在这个例子中 ，通过扫描波束 ，相控阵探头能够从一个传感器位置映射所有三个孔 。

 

左侧为单角度扫描 ，右侧为复合扇形扫描 。标有49度的光标标识所显示的A扫描的角度位置.

相控阵系统在哪里使用 ？

超声相控阵系统在传统超声波探伤仪的传统应用中 ，几乎可以应用于任何一种检测中 。焊接检验和裂纹检测是重要的应用 ，这些试验涉及航空航天 、发电 、石化 、金属方坯和管件供应商 、管道建设和维修 、结构金属和通用制造等多个行业 。在腐蚀测量应用中 ，相控阵也可以有效地用来测量残余壁厚 。