無楔塊條件下超聲相控陣的聚焦特性測試

劉曉睿，強天鵬，鄔冠華，孫忠波，肖 雄，鄭 凱

（1.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063；2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，南京 210003；3.天津誠信達金屬檢測有限公司，天津 300384；4.江蘇中特創業設備檢測有限公司，南京 210014）

1 相控陣聚焦原理

聲束偏轉和聚焦是超聲相控陣區別于常規超聲的兩個重要特性。所謂“聲束聚焦”是指由于各個晶片距離焦點的聲程不同，通過延時法則改變晶片的激發時間——距離焦點遠的晶片先發射信號，距離焦點近的晶片后發射信號——可使各個晶片發射的信號同時到達焦點，在一個小區域形成一個高強度聲場。假設晶片間的距離為p，聚焦深度為F，介質中的聲速為c，則各個晶片的延時時間為：

式中n為晶片序號；t0是為了防止出現一個負的延時時間而設置的時間常數。

2 無楔塊條件下相控陣聚焦能力測試

試驗使用的儀器是Olympus公司的OmniScan MX 32：128便攜式相控陣檢測儀，利用TomoView軟件作數據判讀。采用的探頭是5L64A2，共有64個晶片，晶片間的距離（pitch）為0.6mm。采用的試塊是ASTM E2491—2008《相控陣超聲波檢查儀和系統工作特性評定指南》標準附錄中的圖A1.1所示的試塊，試塊中橫孔為φ2mm×25mm，相鄰孔深度和水平間距均為5mm。試驗激發的晶片數為8，16，32個，設置的聚焦法則為：聚焦深度10，30，50，100，150和200mm。

試驗條件基于ASTM E2491標準的附錄1，測試相控陣的偏轉和聚焦能力，在掃查上使用帶編碼器線掃。試塊及掃查示意見圖1。

采用不同激發晶片數和不同聚焦深度，得到的回波信號聚焦情況見圖2～4。

在Tomoview軟件中以－6dB的方式對孔徑進行測量，對于那些由于深度較淺或者波幅較低，用6dB法無法準確測量的結果，用“不可分辨”表示。各個掃查圖像測量后結果見表1～3。

超聲波束聚焦特性與近場有關，分析相控陣聚焦特性就需要知道其近場長度。相控陣探頭晶片陣列為矩形，其近場長度由下式給出［1］：

表1 激發8晶片時在不同聚焦深度下不同孔深的測量孔徑

表2 激發16晶片時在不同聚焦深度下不同孔深的測量孔徑

式中 k矩形——近場修正系數（圖5）；

L——探頭長度，mm；

W——探頭寬度，mm；

f——頻率，MHz；

v——試件聲速，mm／μs。

圖5 矩形探頭的近場修正系數

表3 激發32晶片時在不同聚焦深度下不同孔深的測量孔徑

根據公式計算激發8，16和32個晶片時近場區長度，分別為5.19，28.39，79mm。

表4將試驗中測得的最小孔徑數值記為“實測焦點尺寸”；將測量孔徑值不大于2倍實際孔徑（即≤4mm）的聲程范圍記在“有效聚焦范圍”的括號前，將測量孔徑值不大于3倍實際孔徑（即≤6mm）的聲程范圍記在“有效聚焦范圍”的括號內，將以上各表檢測結果總結后得到表4。

表4 不裝楔塊情況下相控陣聚焦能力測試結果

由聚焦聲束焦點處的聲壓公式P＝πNP0／F（其中P為焦點處聲壓；N為近場區長度；P0為波源處聲壓；F為焦距）。可知，在大于近場區長度N的深度無法聚焦。上面的分析結果與相控陣探頭的聚焦試驗結果相符，即聚焦只能發生在孔徑的近場區內。

從表4中可以看出，實測最小焦點的深度與設置的聚焦深度并不一致，實測最小焦點的深度總是小于設置的聚焦深度。但是實測有效聚焦范圍（即測量孔徑值不大于2倍實際孔徑的聲程范圍）與設置的聚焦深度是一致的。因此應用相控陣聚焦特性時，不應以最小焦點的深度值，而應以有效聚焦范圍作為聚焦深度（焦距）指標。

從表1～4的數據可以看出，如果用最小焦點尺寸、有效聚焦范圍、有效聚焦的深度范圍3項指標衡量相控陣聚焦特性，則激發晶片數量越多，聚焦特性越好。

（1）最小焦點尺寸 該尺寸隨激發晶片數量的增加而減小。激發8晶片的最小焦點為1.5mm；16晶片的最小焦點為1.4mm；32晶片的最小焦點為0.8mm。

（2）有效聚焦范圍 該范圍隨激發晶片數量的增加而增大。激發8晶片的有效聚焦范圍約為10（20）mm；16晶片的有效聚焦范圍約為10～35（10～50）mm；32晶片的有效聚焦范圍約為10～35（10～60）mm。

（3）有效聚焦的深度（焦距）該距離隨激發晶片數量的增加而增大。激發8晶片的有效聚焦深度范圍約為5～15（5～25）mm；16晶片的有效聚焦深度范圍約為10～50（5～55）mm；32晶片的有效聚焦范圍約為10～85（5～105）mm。

從表1～3的數據可以看出，激發晶片數量增加對近表面區域聚焦有不利影響。僅在激發8晶片時，可實現深度5mm孔的聚焦，而其他大都無法識別。為了實現近表面區域的聚焦，應在設置小聚焦深度的同時減少激發晶片的數量。

從表4中可以看出，晶片數量不變的情況下，設置的聚焦深度越小，實測焦點尺寸也越小，但有效聚焦的深度范圍同時減小，且有效聚焦的深度范圍以外的聲場發散度增大。為保證足夠大的有效聚焦范圍，聚焦深度不宜設置過小。另一方面，如果設置的聚焦深度超過近場，相控陣聲場的聚焦效果將變得不明顯。

3 結論

（1）試驗表明，不加裝楔塊的相控陣縱波聲場，在近場區內表現出了明顯聚焦的現象；在超過近場區長度的地方，無法實現聚焦。

（2）隨著激發晶片數量的增加，相控陣聲場的聚焦能力變強，有效聚焦范圍變大，有效聚焦深度也變大。

（3）在近場區內，焦點尺寸隨設置的聚焦深度的增加而增大。

（4）晶片數量增加對近表面區域聚焦不利，欲實現近表面區域聚焦，應采用較少晶片數量。

［1］Michael D，Moles C.Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications［M］.Quebec：Olympus，2004：50－51.