孔徑和焦距對相控陣超聲檢測結果的影響

戈 浩 趙 立

（浙江省特種設備檢驗研究院 杭州 310020）

超聲作為一種常用的無損檢測方法，被廣泛應用于工程結構、特種設備等領域。超聲檢測總是期望有更高的檢測分辨力，因為分辨力越高，越容易獲得缺陷的細節特征，缺陷定量和定性越準確。

超聲檢測分辨力，是以能夠對兩個反射體提供可分離指示時兩者最小距離來確定[1]。超聲檢測分辨力分為在聲波傳播方向上的縱向分辨力和垂直于傳播方向的橫向分辨力。常規的超聲檢測方法實際上是超聲A掃描，超聲A掃描的檢測分辨力往往受到探頭以及儀器性能的制約，很難改變。相控陣超聲不同于超聲A掃描，對于選定的儀器和探頭，通過參數孔徑以及焦距的設置，檢測分辨力其實是可以優化的。

本文通過研究焦距和孔徑對相控陣超聲檢測橫向分辨力的影響規律，指出通過優化相控陣超聲的檢測參數，可以獲得更高的橫向檢測分辨力，對相關檢測應用有一定的參考價值。

1 CIVA軟件仿真分析

1.1 參數設置

在軟件中設置鋼制試塊長450mm、寬25mm、高200mm。試塊中有一系列直徑2mm的橫通孔，相鄰橫通孔之間水平和垂直距離均為5mm，如圖1所示，仿真時設定探頭中心頻率為5MHz，陣元間距為0.6mm，陣元寬度10mm，陣元總數為64。

圖1 試塊的尺寸和缺陷的相對位置

設定探頭的運動方向與橫通孔的長度方向垂直，進行B掃描檢測，如圖2所示。為了模擬的方便，模擬縱波聲束垂直向下入射。

圖2 探頭相對試塊的運動方向

1.2 陣元數量和焦距對橫向分辨力的影響

為了描述的簡便，定義M-N表示陣元數量為M，焦距為Nmm的模擬結果。圖3～圖4分別是陣元數量分別為8、64時，不同焦距的檢測結果。

圖3 陣元數為8時，不同焦距的檢測結果

圖4 陣元數為64時，不同焦距的檢測結果

2 檢測試驗

使用64陣元的相控陣超聲探頭，陣元數量分別設置為8陣元、32陣元、64陣元，對RB-2試塊上深度30mm的橫通孔進行扇掃成像。為了表述的方便，用M-N表示探頭晶陣元數量為M、焦距為Nmm時的檢測結果，檢測結果中對應深度孔的扇掃圖像用箭頭指示，如圖5、圖6所示。

圖5 焦距為30mm，不同陣元數目的扇掃結果

圖6 陣元數目為64，不同焦距的扇掃結果

3 分析與討論

從圖3中可以看出，陣元數量為8，焦距大于10mm時，焦距增大，檢測結果基本不變。

從圖4中可以看出，陣元數量為64時，焦距小于100mm時，在焦點附近都有比較好的聚焦效果，焦距大于100mm時，焦距變化對檢測結果影響很小。

根據CIVA軟件模擬的結果，焦距超過某個值時，焦距增大，檢測結果變化不大，主要是由于相控陣超聲只能在超聲探頭的近場區聚焦，焦距超過近場區，就沒有聚焦效果，陣元數量多，孔徑大，探頭近場區長度長，在更大的焦距范圍內都會有聚焦效果，聲束聚焦，會減小聲束寬度提高檢測橫向分辨力；焦距相同時，陣元數量越多，檢測結果中焦距處橫通孔的尺寸越小，橫向檢測分辨力越高；焦距對橫向分辨力的影響稍微復雜，圖4中（陣元數量為64、焦距為10mm）深度5mm、15mm橫通孔檢測圖像結果比圖3（陣元數量為8、焦距為10mm）差，說明相控陣超聲檢測時，并不是陣元數量越多越好，如果焦距等設置不當，可能檢測效果反而不如陣元數量少的檢測效果。這是由于陣元數量越多，焦距越小，焦點附近聲束越不均勻，稍微偏離焦點位置，聲束寬度迅速增加，導致橫向分辨力變差。

從圖5的扇掃結果可以看到：焦距設置在孔深度附近時，陣元數量越多，焦距處的聲束寬度越小，檢測分辨力越高。

根據圖6，利用64陣元的相控陣探頭對30mm深孔，進行扇掃成像，焦距分別設置為10mm、30mm、70mm，可以看到焦距設置為30mm時的檢測分辨力最好，焦距設置為10mm時的檢測分辨力最差。陣元數量為64、焦距為10mm的檢測效果不及陣元數量為8，焦距為30mm的檢測效果，說明了陣元數量越多，橫向檢測分辨力并不是一定越高。要獲得好的檢測橫向分辨力，不應當單純增加陣元數量，而應當選擇合適的陣元數量和焦距，使得缺陷處聲束寬度盡可能小。

4 結論

通過理論分析、仿真分析、檢測試驗說明相控陣超聲檢測時，陣元數量以及焦距均會影響聲束寬度，進而影響橫向分辨力。陣元數量越多，焦距處聲束寬度越小，橫向分辨力越高；陣元數量越多，橫向檢測分辨力并不一定越高，這主要受焦距的影響。要獲得好的檢測橫向分辨力，不應當單純增加陣元數量，而應當選擇合適的陣元數量和焦距，使得缺陷處聲束寬度盡可能小。

參考文獻

[1]GB/T 12604．1—2005 無損檢測 術語 超聲檢測[S]．