1-第一章 超声相控阵技术基本概念

在所有情况下，阵列中每个晶片上的延时值均需精确控制。最小延时增量决定了探头最高可用频率，后者由下式界定，即： 。（n：阵列单元数；fc：中心频率）
图1-6同焦深时延时值相关于单元芯距
阵列单元数
图1-7装在斜楔上的阵列探头延时值与折射角和单元位置的关系示例
（有机玻璃斜楔37°，第一单元高度H1=5mm）
相控阵探头具有典型的宽频，而且压电合成材料制造的相控阵探头提供了高效的测算功能。压电合成材料也可提供高强度和良好的检测作用，使功能达到最佳和协。
轴向分辨率公式由下列关系式得出（见图2-32）：
△z=v试件[mm/μs]·△τ-20dB[μs]/2 (2-34)
有关探头特征和试块特点的补充资料可见参考14-18，42，46，50-52，54-57，59和105。
（1）在发射过程中，探伤仪将触发信号传送至相控阵控制器。相控阵控制器将信号变换成特定的高压电脉冲，脉冲宽度预先设定，而时间延迟则由聚焦律界定。每个晶片只接收一个电脉冲，这样产生的超声波束就有一定角度，并聚焦在一定深度。该声束遇到缺陷即反射回来。
（2）接收回波信号后，相控阵控制器按接收聚焦律变换时间，并将这些信号汇合一起，形成一个脉冲信号，传送至探伤仪。
（1）能在扫描过程中显示图像；
（2）能显示实际深度；
（3）能由二维显示再现体积。
在探头移动过程中，将线扫描、S扫描与多角度扫描组合一起，就能改进成像结果。S扫描显示与其他视图相结合（详见第四章），可构成缺陷成像图或识别图。图1-11表示对四种不同形状的人工缺陷（角槽、球孔、柱孔和横孔），进行相控阵检测的扫描示图，缺陷形状尺寸与B扫描显示结果，两者关系一目了然。
图1-8无斜楔阵列探头延时值与声束角度、单元位置及
焦深的关系示例（纵波，钢中折射角15-60°）
1.3相控阵系统的基本组成
相控阵仪器的基本扫描系统主要组成见图1-9。
图1-9相控阵系统基本组成方块图
1.4基本扫描与成像
在机械驱动的扫描过程中，数据按编码器位置采集。显示数据呈现不同的图像，以供评定。
通常，相控阵使用多重A扫描叠加显示（也称B扫描显示，详见第四章），这些A显示是由相控阵探头各压电小晶片（单元）产生的，与之相应的声束角度、声传播时间和延时值各各不同。
（2）动态深度聚焦（简称DDF）：超声束沿声束轴线，对不同聚焦深度进行扫描。实际上，发射声波时使用单个聚焦脉冲，而接收回波时则对所有编程深度重新聚焦（图1-5）。
（3）扇形扫描（也称方位扫描或角扫描）：使阵列中相同晶片发射的声束，对某一聚焦深度在扫描范围内移动；而对其它不同焦点深度，可增加扫描范围。扇形扫描区大小可变。
准则对平面垂直入射有效，而对奥氏体村料的检测以及对奥氏体和/或不同材料的分叉裂纹的估算效 果不明显。
脉冲形状（期间）对轴向分辨率（对固定的角度且探头不能移动）有直接的效果。轴向分辨率是沿声音轴向穿过一个小的△z超声波途径分辨两个相连分离缺陷的超声波性能。对于有效的轴向分辨率，反射物从超过6dB（峰-谷）处应出现分开的峰点振幅。
可检区根据下列曲线或界面定义（见图2-33）：
a)背面反射率曲线（BW）：用于定义接收到示波镜反射的探头最大能量
b)近表面分辨率（NSR）[或盲区]：用于定义缺陷分别从主脉冲信号或界面（透射）信号的最小距离，并加以判别；接收器的增益越高，盲区越长。
c)衰减关系曲线（ATTN）：保留区内（C保留区）的增益是电子仪器能提供的最大增益。根据这个特点，增益因试件内的衰减而减弱。这种因衰减而造成的增益损失由下式得出：△G衰减=2αUT路径[dB]
对装有斜楔的相控阵探头，延时值取决于激励晶片位置和程控折射角。
对由斯涅耳（Snell）定律给出的折射角，延时变化呈抛物线形（图1-7中45°）。若角度小于斯涅耳定律给出值，则各晶片单元上的延时对探头由后而前递增；若角度大于斯涅耳定律给出值，则探头各晶片单元上的延时值，后大前小，因楔内声程前长后短，故激励时间前先后迟。
峰点频率（f峰）：FFT中出现的最大频率
较低频率（fL-6dB）:以降到-6dB水平线确定峰点频率左边部分的频率值。
较高频率（fU-6dB）:以降到-6dB水平线确定峰点频率右边部分的频率值。
中心频率（fc）：电算图形评定的频率或从较低和较高频率的几何图形上算出相应的频率。fc=（fL-6dB+ fU-6dB）/2或fc=（fL-6dB·fU-6dB）0.5(2.32)
激励单元组
（有效探头窗孔）
16
128
扫描方向
图1-4电子扫描产生直射声束
（有效探头窗孔16单元）
图1-532单元线阵列探头纵波聚焦15、30、60mm时，
延时值（左）与深度扫描原理（右）﹡
﹡直接接触，无斜楔
1.2延时律或聚焦律
无斜楔探头（即与试件直接接触的探头）由程控产生的纵波，按聚焦律延时结果，对聚焦深度呈一抛物线状。自探头边缘向中心移动，延时值由小而大。焦距倍增，则延时值减半（图1-5）。阵列晶片芯距增大，则晶片延时值线性增大（图1-6）。
声束垂直和倾斜入射时的聚焦原理示于图1-3。
每个晶片上的延时值取决于相阵列探头上激励晶片数形成的窗孔尺寸、波型、折射角和焦点深度。
计算机控制的声束扫描模式主要有以下三种（参阅第三、第四章）：
（1）电子扫描：高频电脉冲多路传输，按相同聚焦律和延时律横扫一组晶片（图1-4）；声束则以恒定角度，沿相阵列探头长度（虚拟窗孔）方向进行扫描,这相当于用常规超声换能器为腐蚀检测作光栅扫描或作横波检验。若使用斜楔，则聚焦律可对楔内不同延时值进行补偿。
根据沿特定路径到达时间最短的费马原理( Fermat’s principle )＊，装在斜楔上的相控阵探头能按延时律给出不同的声束形状（图1-7）。其他型式的相控阵探头（如矩阵或圆锥形），可能需要对延时律数值、对声束形貌评价设定高级模式（参阅第三、第五章）。
探头无斜楔而声束偏转成扇形（有方位角）时，在等同晶片单元上的延时取决于激励晶片在阵列窗口中的位置，也取决于产生的声束角度（见图1-8）。延时值随声束折射角和激励晶片数而增大。
与A扫描总数相应的实时信息，是在某一探头位置获得的，显示为扇形扫描图（即S扫描图），或电子B扫描图（详见第四章）。
S扫描和电子扫描均能产生整体检测图像，由此可快速获取超声波在所有方位检测到的有关试件形貌或缺陷方面的信息。（见图1-10）。
将试件数据标绘在二维（平面）图即所谓“校正的S扫描图”上，能使超声检则结果的分析和评定简单明了。S扫描有以下优点：
d)信噪程度（噪音）和有用的增益（G有用的）：探头一旦插入超声波仪器上，并且与试件相连接，电子噪音就会增高。这种噪音是随机分布的：从探头、斜楔、电缆、耦合剂以及试件结构。噪音的振幅与BW法则一致，但起始点由C有用的决定。
由于盲区的影响、噪音水平提高，以及由于衰减耗损振幅的电子增益，或/和由于缺陷紧靠背后，所以在可检区域之外的一些缺陷无法检出。
图1-10 四横孔的相控阵检测：（a）扇形扫描原理；（b）S扫描图像（±30°）
图1-11四种不同形状尺寸的人工缺陷（角槽、球孔、柱孔和横孔）的
相控阵S扫描图像：（a）缺陷和扫描示图：（b）归并的B扫描显示图
探头几乎不用前后移动，就能用纵波和横波进行综合扫描，这对方向性缺陷的检测和定量非常有利（见图1-12）。按图中布置，阵列“活窗孔”可移动，以便使声束对缺陷进行检测和定量的角度最佳。
频宽（相对）（BW相对）：BW相对[%]=100%·（fU-6dB-fL-6dB）/ fc(2.33)
见图2-31说明：
窄频宽度（15-30%）：最适于检测
介质频宽（31-75%）：检测和测算
宽频宽度（76-110%）：最适于估算
这些是铁质材料和其它材料的一般准则。实际的评定准则取决于裂纹的形态和方位。这些
图1-1常规单晶探头（左）和阵列多晶探头（右）对多向裂纹的检测比较﹡
﹡常规单晶探头声束扩散且单向，而相控阵探头声束聚焦且可转向。多向裂纹可被相控阵探头检出。
图1-2脉冲发生和回波接收时的声束形成和时间延迟（同相位、同振幅）
图1-3 超声波垂直（a）和倾斜（b）入射时声束聚焦原理
为产生同相位、有相长干涉的声束，用有微小时差的电脉冲分别激励阵列探头各选用晶片。来自材料中某一焦点（如缺陷等）的回波，以一定时差返回各换能器单元，见图1-2。在信号汇合前，各换能器晶片上接收到的回波信号均有时差。信号汇合后形成的A-扫描图形，显示了材料中某一焦点的回波特性，也显示了材料中其它各点衰减各异的回波特性。
图1-15表示对体积状缺陷作多次扇形扫描所输出的“切片”图。每个切片展示不同位置的缺陷断面。此类切片颇似对缺陷作定量表征分析的金相切片。
欲详悉超声相控阵原理的一般概念，可查阅参考文献1-9。
图1-13 用圆柱形聚焦声束识别一簇小孔：
（a）顶视图（C扫描）；（2）侧视图（B扫描）
图1-14阵列探头在不同位置作多次扇形扫描，信息归并后显示缺陷单个图像
理想的圆盘状反射物（平底孔，FBH）垂直于波束，因为缺陷小于波束，按照DGS法规定的振幅，中心确定如下：
PFBH=P0探头（πDFBHD探头）2/16λ2z2（2.35）
如果使用如下的标准化结构：
z/N0=D(距离),H反射物/H探头=G[振幅增益],DFBH/D探头=S[反射物标准化规格]
2.11
不考虑天气的因素，采用浸透法或接触法操作，并且是单晶探头或线性相控阵，超声波波束和试件之间的相互作用由可检区域决定。
可检区域是指在增益足够时能检测并测算特定缺陷的范围——例如面积，并且信号6dB大于对抗的噪声信号，包括前面封闭（front surface ring-down）或初始部件的背面信号。
图1-12 用纵波（1）和横波（2）作综合扇形扫描对方向性缺陷进行检测和定量
圆柱形、椭圆形或球面状聚焦声束有较高信噪比（即缺陷识别能力强），且传播声束比扩散声束窄小。图1-13表示用圆柱形聚焦声束识别一簇小孔的C扫描和B扫描图形。