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1第一章超声相控阵技术的基本概念本章描述超声波原理、相控阵延时（或聚焦定律）概念，并介绍R/D公司研制的相控阵仪器设备。1.1原理超声波是由电压激励压电晶片探头在弹性介质（试件）中产生的机械振动。典型的超声频率范围为0.1MHz～50MHz。大多数工业应用要求使用0.5MHz～15MHz的超声频率。常规超声检测多用声束扩散的单晶探头，超声场以单一折射角沿声束轴线传播。其声束扩散是唯一的“附加”角度，这对检测有方向性的小裂纹可能有利。假设将整个压电晶片分割成许多相同的小晶片，令小晶片宽度e远小于其长度W。每个小晶片均可视为辐射柱面波的线状波源，这些线状波源的波阵面会产生波的干涉，形成整体波阵面。这些小波阵面可被延时并与相位和振幅同步，由此产生可调向的超声聚焦波束。超声相控阵技术的主要特点是多晶片探头中各晶片的激励（振幅和延时）均由计算机控制。压电复合晶片受激励后能产生超声聚焦波束，声束参数如角度、焦距和焦点尺寸等均可通过软件调整。扫描声束是聚焦的,能以镜面反射方式检出不同方位的裂纹。这些裂纹可能随机分布在远离声束轴线的位置上。用普通单晶探头，因移动范围和声束角度有限，对方向不利的裂纹或远离声束轴线位置的裂纹，漏检率很高（见图1）。漏检F3‘β3’Φ3F2‘β2’Φ2F1’β1’Φ1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。2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发射接收超声波探伤仪超声波探伤仪触发相控阵控制器相控阵控制器脉冲激励阵列探头缺陷缺陷入射波阵面反射波阵面回波信号Σ接收延时延时[ns]延时[ns]转角产生的波阵面产生的波阵面阵列探头阵列探头3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。（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。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。（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。4激励单元组（有效探头窗孔）16128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，无斜楔延时值（ns）单元数51.2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）。根据沿特定路径到达时间最短的费马原理(Fermat’sprinciple)＊，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。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。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：cfn。（n：阵列单元数；fc：中心频率）6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）阵列单元芯距(mm)延时值(ns)L波5920m/s焦深20mm线阵列n=16单元单元1的延时值实验设置延时值（ns）60°30°45°7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。计算机(有断面视图软件)超声相控阵仪器(层析ⅢPA)移动控制驱动器(MCDU-02)试件相控阵检测相控阵探头扫描器/操纵器图1-9相控阵系统基本组成方块图阵列单元数延时值（ns）纵波无斜楔实线F1=15mm虚线F2=30mmF1F2=2F1Δβ2Δβ281.4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。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：（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1-10四横孔的相控阵检测：（a）扇形扫描原理；（b）S扫描图像（±30°）相控阵探头9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。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。实时扫描可结合探头移动，数据则归并成单个视图（见图1-14）。其优点是：（1）检测重复性高；（2）缺陷定位方便；（3）图像标绘精确；（4）缺陷成像直观。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。XY1210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11图1-15阵列探头对体积状缺陷作分层扫描，信息归并后显示缺陷切片图像第一章参考文献（略）12目录2.1超声波物理学——定义2.2一些常用声速和波长2.3声压公式2.4温度影响示例2.5环形换能器2.6声束扩散2.7矩形探头2.8聚焦声场2.9时间-频率特性2.10基于阻尼的探头分类2.11超声波束与试件和反射体的相互作用2.12衰减2.13用衍射和变形波法对缺陷定量2.14圆形工件的检测2.15小缺陷长度的测量2.16超波检测的可靠性132.9时间-频率响应使用特别的反射器无线电传送频率（RF）信号测量以下时间-响应特征（见图2-29）：a)峰点-峰点（Vpp）：RF信号的最大正负极周期振幅间的最大偏差（伏特或%）b)脉冲间期，或波形长度（∑τ-20dB）：表示截止-20dB时，从正极到负极最大的振幅。c)峰点数量（PN）：-20dB为止的RF信号跨跃以正负极的峰点数量。d)周期数（CN）：分成两个峰点的数量（或波长的数量）。e)阻尼因数（dA）：最大振幅和下一个最高的正极振幅间的比率。根据Rourier快速变形（FFT），将RF信号转换成频率-响应[公式（2.32）]，具有以下特性（见图2-30）：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)频宽（相对）（BW相对）：BW相对[%]=100%·（fU-6dB-fL-6dB）/fc(2.33)2.10根据BW（阻尼）对探头分类见图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图2-305MHz相控阵探头的FFT对应图；fc=（2.539+7.813）MHz/2=5.2MHz;BW相对=(7.813-2.539)MHz/5.2MHz×100%=54%图2-31按频宽对探头分类14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。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。2.11超声波波束与试件/反射物的相互作用不考虑天气的因素，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