相控阵超声检测横向分辨力的影响因素

(浙江省特种设备检验研究院，杭州 310020)

超声检测被广泛应用于工程结构、特种设备、核电、航空等领域。超声检测的分辨力越高，越容易获得缺陷的细节特征，缺陷的定量和定性检测结果越准确。超声检测分辨力是由对两个反射体提供可分离指示时两者的最小距离来确定的,分为在声波传播方向上的纵向分辨力和垂直于传播方向的横向分辨力。常规的超声检测方法是超声A扫描，超声A扫描的检测分辨力往往受到探头以及仪器性能的制约。相控阵超声检测不同于常规的超声A扫描，对于选定的仪器和探头，可以通过孔径以及焦距等参数的设置来优化检测分辨力。

笔者通过研究焦距和孔径对相控阵超声检测横向分辨力的影响规律，指出通过优化相控阵超声的检测参数，可以获得更高的横向检测分辨力，对相关检测有一定的参考价值。

1 相控阵超声检测的基本理论

1.1 线阵换能器的几何参数

线阵换能器的主要参数有阵元数量N，阵元间距d，阵元宽度a，阵元长度b，其几何参数如图1所示。

图1 线阵换能器的几何参数

孔径D=(N-1)×d+a，通常阵元间隙很小，则可认为d=a，则近似表示为[1]

D=N×d

(1)

1.2 线阵换能器的声场参数

相控阵超声通过对不同阵元设置不同的延迟时间，来实现声束的偏转和聚焦。线阵换能器的声场参数示意如图2所示。

图2 线阵换能器的声场参数示意

对于阵元数量为N、阵元间距为d、阵元宽度为a的线阵相控阵换能器，当换能器孔径D远大于波长λ时，近场长度可表示为[2]

(2)

常将主声束上焦点两侧相对于聚焦点处声压下降20%的主声束长度定义为聚焦深度Fe，焦距为F，在采用球面聚焦方式时，聚焦深度可表示为[3]

Fe=8.16λ(F/D)2

(3)

2F/D>1

(4)

对于线阵换能器，x≪F的区域[3]

(5)

式中：e为声压降低6 dB的焦点直径。

x≈F的区域

e=λx/D

(6)

x≫F的区域

(7)

横向分辨力Δd可表示为[4]

Δd=e/4

(8)

2 CIVA软件仿真分析

2.1 参数设置

在CIVA软件中设置钢制试块长450 mm，宽25 mm，高200 mm。试块中有一系列直径为2 mm 的横通孔，相邻横通孔之间水平和垂直距离均为5 mm，试块尺寸和缺陷的相对位置示意如图3 所示，仿真时设定探头中心频率为5 MHz，阵元间距为0.6 mm，阵元宽度为10 mm，阵元总数为64。

图3 试块尺寸和缺陷的相对位置示意

设定探头的运动方向与横通孔的长度方向垂直，进行B扫描检测，探头相对试块的运动方向示意如图4所示。为了模拟的方便，将纵波声束设置为垂直向下入射。

图4 探头相对试块的运动方向示意

2.2 阵元数量和焦距对横向分辨力的影响

图5～7是阵元数量分别为8,32,64时，不同焦距的仿真结果。

图5 阵元数为8时，不同焦距的仿真结果

图6 阵元数为32时，不同焦距的仿真结果

图7 阵元数为64时，不同焦距的仿真结果

3 检测试验

使用64阵元的相控阵超声探头，阵元数量分别设置为8，32，64，对RB-2试块上深度为30 mm的横通孔进行扇扫成像。为了表述的方便，检测结果中对应深度孔的扇扫图像用箭头指示。焦距为30 mm，不同阵元数目的扇扫结果如图8所示，阵元数目为64，不同焦距的扇扫结果如图9所示。

图8 焦距为30 mm时，不同阵元数目的扇扫结果

图9 阵元数目为64时，不同焦距的扇扫结果

4 分析与讨论

从图5可以看出，阵元数量为8，焦距大于10 mm时，横向检测分辨力基本不变；从图6可以看出，阵元数量为32，焦距大于100 mm时，焦距的变化对横向分辨力影响很小，焦距小于50 mm时，在焦点附近有明显的聚焦效果，横向检测分辨力高；从图7可以看出，阵元数量为64时，焦距在150 mm范围内均有聚焦效果。阵元数量为8，32，64时，根据式(2)计算得到的近场区长度分别为4.88，78.1，312.4 mm，由于相控阵超声只能在超声探头的近场区有效聚焦，故焦距超过了近场区就没有聚焦效果。阵元数量多，孔径大，探头近场区长度长，在更大的焦距范围内都会有聚焦效果，声束聚焦后，声束宽度减小，从而提高了横向检测分辨力。

从图5～7可以看出，焦距相同时，阵元数量越多，检测结果中焦距处横通孔的尺寸越小。根据式(6)，焦距处焦点直径与孔径的倒数成正比，阵元数量越多，孔径越大，焦距处焦点直径越小，因而横向检测分辨力越高。

焦距对横向分辨力的影响稍微复杂，图7中(阵元数为64，焦距为10 mm)深度为5 ，15 mm横通孔的检测图像结果比图5(阵元数为8，焦距为10 mm)、图6(阵元数为32，焦距为10 mm)中的横向分辨力更低，说明相控阵超声检测时，并不是阵元数越多越好。根据式(3)，(5)，(7)，阵元数为8，焦距为10 mm时，计算得到的聚焦深度为41.8 mm，在深度为10，15 mm 处的声束直径为1.2 mm；阵元数为32，焦距为10 mm时，计算得到的聚焦深度为2.6 mm，在深度为10，15 mm处的声束直径为4.8 mm；阵元数为64，焦距为10 mm时，计算得到深度为10，15 mm处的声束直径为9.6 mm。随着阵元数的增多，虽然焦点处声束直径小，横向检测分辨力高，但是聚焦深度会显著减小;而稍微偏离焦点位置,声束宽度会迅速增加，故如果焦距等设置不当，可能横向分辨力反而不如阵元数量少时的横向分辨力高。

从图8的扇扫结果可以看出，焦距设置在孔的深度附近时，阵元数越多，横通孔图像的尺寸越小，焦距处的声束宽度越小，检测分辨力越高。

从图9可以看出,焦距设置为30 mm时的检测分辨力最好，焦距设置为10 mm时的检测分辨力最差。阵元数为64，焦距为10 mm时的横向分辨力不及阵元数为8，焦距为30 mm时的横向分辨力高，说明了阵元数量越多，横向检测分辨力并不一定越高。

5 结论

通过理论分析、仿真分析、检测试验说明相控阵超声检测时，阵元数量以及焦距均会影响声束宽度，从而影响横向检测分辨力。超声相控阵探头只能在近场区聚焦，阵元数越多，焦距越小，焦距处声束宽度越小，而稍微偏离焦点范围，声束直径会显著增大，故阵元数量越多，横向检测分辨力不一定越高。要获得好的检测横向分辨力，不应当单纯增加阵元数，而应当选择合适的阵元数和焦距，使得缺陷处声束宽度尽可能小。