金屬材料超聲缺陷檢測關鍵技術研究

田京

摘要：現如今在工業生產缺陷檢測中，應用最多的技術便是超聲波缺陷檢測技術。而以超聲檢測為基礎而發展起來的超聲相控陣技術，擁有明顯的優點。與傳統超聲檢測相比，超聲相控陣技術最主要的特點就是它能夠通過控制超聲波束的時間延遲使波數發生偏轉，從而對所檢測的金屬材料進行全方面，綜合的檢測掃描，大大的增強了檢測的靈敏度。而本文將著重介紹超聲波檢測相關的技術理論，全面闡述超聲檢測技術在無損檢測中的重要地位。

關鍵詞：金屬材料；超聲缺陷檢測；超聲相控陣

引言：

作為一門新興的綜合性的技術，無損檢測，就是在不損害材料的前提下，對材料進行充分檢測驗證，以此來對材料的完整性，安全性以及某些物理特性進行檢測。檢測的主要內容包括檢測的材料在形狀，大小以及性質等各方面是否存在缺陷。現如今，這項技術已經應用到了機械的制造，冶金，石油化工，航天航空，等各行各業。而幾種常見的檢測手段包括渦流檢測，射線檢測以及超聲波檢測等。超聲波檢測是一門綜合性的檢測技術，它包括了傳感器技術，信號處理技術，圖像顯示技術以及模式識別技術等等。國內外現在都在大力研究這項技術，同時，它也是最多的應用在無損檢測中的新技術。研究這項技術，對我國的經濟技術發展具有重大的意義。

一、超聲波檢測技術的發展和現狀

1.超聲波檢測技術可追溯到20世紀30年代。當時蘇聯科學家提出用超聲波研究金屬材料的內部構造。在二十世紀40年代中期，英國和美國分別研究出了脈沖反射式超聲波探傷儀，并且很快的將這種技術應用到了鍛鋼的缺陷檢測中。進入到20世紀50年代，這種技術又成功的進入到了各大工業行業中。隨后，德國科學家又研制出靈敏度更加優秀的超聲波探測儀，使得缺陷檢測技術得到了更進一步的發展。20世紀80年代，相控陣技術陸續被應該用在了無損檢測中。

除了國外，中國國內的無損檢測技術同樣發展迅猛。我國接觸這項技術是在建國初期，我國的鐵道部引進了德國的相關無損檢測技術來檢測鐵軌。1953年，我國成功研制出脈沖式超聲波檢測儀。隨著科技的不斷進步，無損檢測技術也在不斷的發展，向著智能化，小型化的方式發展。

2.在進行超聲波檢測時，由于材料的不均勻，精密度等，超聲波在進入金屬材料內部是，會發生散射，衰減現象，使得檢測結果變得不準確。而超聲波信號處理技術可以提高超聲檢測的精確性，是超聲檢測中十分重要的技術。但是，這種技術并不完善，所以需要我們繼續進行深入的研究，從而解決這種技術的難題。

二、超聲相控陣檢測基本原理和方法

超聲相控陣檢測技術是一種新型的，高效精確的檢測技術。它通過使用陣列轉換器，然后利用其中的每個陣元來接收脈沖的時間延遲，通過改變相位關系，達到聚焦點和聲波束方向位置的變化，以此來控制相控波束的合成和成像。

超聲相控陣檢測技術是利用提前合理設計的每個獨自發射以及時間延遲電路每一次激勵一個或者多個壓電陣元，以此來獲得可以控制的，人們預先期望得到的相位聲波。而其中各個壓電陣元在材料檢測的過程中，它們會使產生的聲場相互的干涉疊加，進而可以得到我們預期想得到的波束的進入角度以及位置。所以，通過這種新的技術方法，可以形成聲束的聚焦和偏轉等等相控效果。

利用超聲波相控陣檢測技術來發射電波，發射的電路中隨即會生出觸發脈沖信號，在脈沖信號的影響下，各個相控陣單元就會產生一定的高壓脈沖，這種高壓脈沖具有一定的寬度，同時，它也能夠編程控制。然后，在相控陣轉換器的作用下，這些高壓激勵脈沖通過每個壓電晶片來產生超聲波。

超聲相控陣有三種工作方式，第一種是線性掃查，這種方法又稱為電子掃查，它的工作方法是設全部的相控陣陣元為N，規定相鄰n和陣元為一個組，對每一個組用相同的聚焦法則，然后激活第一組陣元，沿著陣列長度方向向前移動一個步進值。第二種方法為扇形掃查，它的工作原理是隨機選擇一組陣元，然后對其使用不同的聚焦法則，每一次都變化聲波束的偏轉的角度，形成一個扇形的檢測區域。第三種就是動態聚焦，它指的是通過在聲軸的不相同的深度來實現聚焦，它主要適合的是比較薄的檢測材料。

三、超聲相控陣檢測成像技術研究

超聲相控陣檢測技術被越來越多的應用到了無損檢測領域中。他的工作原理是利用陣列轉換器，然后對各陣元發射的聲波相位進行控制，從而得到控制超聲波聲場的目的，提高檢測信號的信噪比，準確率等等。所以我們需要引入一個值來對比它的性能標準，這個值我們稱之為波束指向性。超聲波，在發射后由于在自由空間中疊加，干涉，于是產生了指向性。

通過研究發現如果改變壓電陣列中相鄰兩個陣源的相位差，那么我們就可以輕易地改變超聲波數的指向，最后，我們就能夠使得相控陣波束在空間內掃描偏轉。

在規定檢測角度中，超聲信號實現波束的掃描時，能夠通過壓電振元收到的回波信號的值來實現檢測角度范圍。而當波束掃描到了缺陷地時，波數就會集中的聚集到了缺陷處，此時回波信號的信號最強。同理可以得出，當波束遠離缺陷處時，此時回波信號的信號逐漸減弱。所以我們可以得出，根據回波信號的強弱，我們就可以判斷出缺陷位置。

根據相控陣波束掃描的原理，我們知道控制信號是有時間延遲的，而我們通過控制這種時間延遲，就能夠實現它在一定范圍內的掃描偏轉。在此過程中，如果波束掃描到了缺陷處，便會通過傳感器反映。

四、超聲相控陣檢測的展望

但是，不得不承認的是，超聲相控陣檢測技術并不完善，需要繼續的研究和分析，繼續深入研究超聲波相控陣檢測的基本原理和方法，研究具有不同形狀以及不同類型的材料的檢測方法。同時，要繼續研究這種技術中的材料缺陷的發現以及成像技術，以此來得到更大的掃描成果，準確定位缺陷。

五、結束語

超聲波相控陣檢測技術是近幾年來產生的新技術，它通過對各鎮原的有力激勵，可以得到靈活的偏轉以及聚焦聲束，通過線性掃查，扇形掃查，動態聚焦等高效新新工作方法，獲得了比傳統超聲檢測更加優秀的檢測速度和靈敏度，成為了世界上最熱門的無損檢測技術。本文介紹了超聲波檢測技術的發展現狀，研究了超聲波相控陣技術的工作原理和方法，總結了此項技術的發展趨勢，相信這項技術會在未來得到更好的發展，更好的為無傷檢測技術服務。

參考文獻：

[1]段偉亮.鋁合金厚板電磁超聲缺陷檢測方法研究[D].哈爾濱工業大學，2011.

[2]黃玉秋.相控陣超聲缺陷檢測信號處理研究[D].天津大學，2014.

[3]賀鵬飛.基于經驗模態分解的鋁材缺陷超聲檢測方法研究[D].江蘇大學，2014.