超声相控阵检测技术及其应用

　　超声相控阵检测技术的应用始于20世纪60年代,目前已广泛应用于医学超声成像领域^[1,2]。由于该系统复杂且制作成本高,因而在工业无损检测方面的应用受到限制。近年来,超声相控阵技术以其灵活的声束偏转及聚焦性能越来越引起人们的重视^[3,4]。由于压电复合材料、纳秒级脉冲信号控制、数据处理分析、软件技术和计算机模拟等多种高新技术在超声相控阵成像领域中的综合应用^[5,6],使得超声相控阵检测技术得以快速发展,逐渐应用于工业无损检测,如对气轮机叶片(根部)和涡轮圆盘的检测^[7]、石油天然气管道焊缝检测^[8]、火车轮轴检测^[9]、核电站检测和航空材料的检测等领域^[10,11]。

　　目前,国内对超声相控阵技术的研究主要集中在医疗领域,对工业无损检测领域的研究尚处于探索阶段^[12]。以下主要介绍国外超声相控阵检测技术在焊缝和火车轮轴检测方面的应用及成效。

　　1　相控阵探头

　　超声相控阵技术需使用不同形状的多阵元换能器来满足构件检测的需求。图1为不同形状的超声相控阵换能器,按其阵元排列方式分为一维线形阵列、一维环形阵列、二维矩形阵列、二维分段交错环形阵列和圆形阵列四种形式^[13]。

　　与面形和环形阵列相比,线形阵列具有容易加工,发射接收延迟控制电路较简单,容易实现等优点,因此在实际应用中使用较多。环形阵列由于不能进行声束偏转控制,大多应用在医学成像和脉冲多普勒体积流量计中。其中二维分段交错环形阵列比较特殊,专门用于棒材检测。由于目前加工工艺限制,及电路复杂和制作成本高,使二维矩形阵列仍主要应用于医用B超上,工业上很少使用。圆形阵列主要用于检测管子的内外壁缺陷^[13,14]。

　　2　超声相控阵成像原理及特点

　　超声检测时需要对物体内某一区域进行成像,为此必须进行声束扫描。常用的快速扫描方式是机械扫描和电子扫描,两种方式均可获得图像显示,在超声相控阵成像技术中通常结合在一起使用。

　　超声相控阵成像技术是通过控制换能器阵列中各阵元的激励(或接收)脉冲的时间延迟,改变由各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系,实现聚焦点和声束方位的变化,完成声成像的技术^[15]。由于相控阵阵元的延迟时间可动态改变,所以使用超声相控阵探头探伤主要是利用它的声束角度可控和可动态聚焦两大特点。

　　图2为超声波束偏转聚焦示意。超声相控阵中的每个阵元被相同脉冲采用不同延迟时间激发,通过控制延迟时间控制偏转角度和焦点。实际上,焦点的快速偏转使得对试件实施二维成像成为可能。