相控阵超声检测中的近场和远场选择

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(1.中国特种设备检测研究院, 北京 100029;2.国家市场监督管理总局无损检测与评价重点实验室, 北京 100029;3.中石油渤海装备中成装备制造公司, 天津 300280)

相控阵超声检测使用多个阵元合成检测用激发孔径，通过控制不同阵元的激励时序、电压、波形等参数对检测声场进行调控，在保证检测灵敏度的同时实现对目标区域的针对性覆盖。相控阵超声具有灵活性、复杂结构适用性以及检测结果图像化、可记录等特点，随着仪器设备的成熟，其在实际工程检测中的应用日益广泛[1]。

相控阵超声对声场的调控是通过不同阵元声场的干涉效应实现的。在激发孔径的近场区存在干涉相消和干涉相长两种效应，通过激励时序的控制即可实现声束的聚焦、偏转等；在激发孔径的远场区则仅存在干涉相长效应，通常仅能实现声束的偏转。

与常规超声相比，使用相同的检测孔径，相控阵超声通过声场调控可以将近场区范围内的检测灵敏度提高；而在远场区范围内，由于仅具备偏转效应，相控阵超声的检测灵敏度与相同指向斜探头的检测灵敏度相近。

相控阵超声检测中，将目标区域放在近场区，采用体积型多点聚焦扫描的方式可以同时兼顾灵敏度和检出率；但目前在工程实际应用的相控阵超声设备中，仅有少数全聚焦设备(Full Matrix Capture Phased Array)具备上述功能，大多数设备仅采用定焦深多角度的扫描方式，一个角度上通常只有一个焦点，实际应用中焦点深度的选择通常与检测对象的壁厚相关，而较少考虑近场区和远场区对检测效果的影响[2-3]。针对上述现状，以CIVA仿真软件为工具，通过相控阵超声检测声场及缺陷响应的仿真分析，对相控阵超声检测中的焦点位置及近场区影响进行研究，总结了焦点位置选择的基本原则，为相控阵超声检测的工程应用提供参考。

1 超声检测的近场区

1.1 常规超声的近场区

图1 圆盘波源声束轴线上的声压分布及近场区示意

超声检测中，在波源附近由于波的干涉而出现的一系列声压极大、极小值区域，称为超声场的近场区，又叫菲涅尔区。波源声束轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，通常用N表示[4]。圆盘波源声束轴线上的声压分布及近场区示意如图1所示，使用CIVA软件，对10 MHz，φ10 mm的超声纵波探头进行仿真计算，分别计算连续波激励产生的声场和脉冲波激励产生的声场。对比可知，连续波激励条件下，声波的相干长度较大，干涉效应明显，在近场范围内出现多个极值点，远场也呈现出干涉条纹，而脉冲波激励的声场波动较小，仅有2个明显的极值点。

由以上声场图像可知，无论采用连续波还是脉冲波激励，波源的近场区范围内均存在较强的声压波动和一定数量的极值点。在实际检测中，如果缺陷位置与极小值点叠加，则回波较弱，可能造成漏检；如果缺陷位置与极大值点叠加，则回波增强，在采用当量法评判时会误判缺陷大小。因此，在常规超声检测中，通常避免在近场区进行检测，特别是在采用当量法的定量检测中。

1.2 相控阵超声的近场区

超声探头的近场区可以按式(1)进行估算[4]。

(1)

式中：N为近场区长度；Fs为超声探头的激励面积;λ为介质中的超声波波长。

由式(1) 可知，近场长度与探头的孔径面积有关，对于常规探头，近场长度是固定的；但对于孔径可变的相控阵探头，其近场长度可以通过调整激励孔径进行优化，而并非定值。为了便于分析，文中均以某一确定的激励孔径为基础。

相控阵超声通过调整不同阵元的激励或接收时间，在目标位置实现声场和检测灵敏度的加强，从而提高对特定区域缺陷的检出能力。相控阵超声对检测声场的调控有两种基本方式，即聚焦和偏转，相控阵超声对声场的2种调控方式示意如图2所示。建立如图2所示的右手坐标系，图中A为相控阵超声的激励孔径，e为相控阵超声探头中的阵元宽度，P为两个阵元间的中心距，则对第一象限中的任意点P0，聚集于该点的延时法则如式(2)所示。

Δti=T0-

(2)

式中：Δti为第i个阵元的激励时刻；T0为一常量，用来保证Δti为正值；R为焦点相对孔径中心的距离；θ为焦点相对于孔径对称轴的偏角，逆时针为正，顺时针为负；n为组成激励孔径的阵元数；i为当前阵元的编号；c为介质中的声速。

图2 相控阵超声对声场的2种调控方式示意

如果聚焦点与孔径中心的距离为∞，则式(2)失效，需按图2(b)所示的方式实现调控，即相控阵声场发生偏转，具体计算如式(3)所示。

(3)

在实际检测中，根据检测需求进行聚焦调控。

对于相控阵超声探头，其近场长度通常按图2(b)所示的聚焦法则进行估算，对于不同的偏转角度，一维线阵探头的近场长度可按式(4)进行估算。

(4)

由式(4)可知，随着偏转角度的变大，有效孔径减小，近场长度变短；但需要注意的是，随着偏转角度的增大，远端阵元的辐射能量减弱，实际孔径会减小得更快，能量也更弱，所以实际检测中很少使用超出探头生产商推荐角度的偏转。

对θ为0°,10°,20°,30°, 40°,50°时的相控阵超声声场进行仿真，其近场长度示意如图3所示，由图3可知，随着偏转角度的增大，不仅近场区前移，而且声束的远场能量也在减弱；但不同角度的远场声压分布近乎平行。

由图3可以看出，虽然相控阵超声在各个偏转角度上的声场分布在强度上有一定差异，但整体趋势具有很高的相似性，因此为了简化分析过程，在对焦点位置的研究中，统一选用0°入射的声场作为代表，通过对焦点深度的改变探讨焦点位置对检测能力的影响，并将结论推广到其他偏转角度的声场中。

图3 相控阵超声不同偏转角度的近场长度示意

2 试验方法及结果分析

2.1 检测声场的参数选择及试验条件

参考常规超声对检测声场的选择标准，将检测灵敏度和缺陷定量能力作为相控阵超声检测中声场选择的主要参数。其中，检测灵敏度是指在目标区域或声场覆盖区域发现最小缺陷的能力；缺陷定量能力是指发现缺陷后对其进行准确定量的可能性。检测灵敏度主要受相控阵超声场的强度和接收聚焦法则影响，缺陷定量能力则受声场的均匀性和可补偿特征影响。

主要通过CIVA仿真试验的方法对近场焦点和远场检测的能力进行分析，其中检测对象为均匀碳钢材料，纵波声速为5 900 m·s-1,横波声速为3 230 m·s-1,密度为7.8 g·cm-3，材料散射衰减不计，分别在不同深度处预制φ2 mm×10 mm(直径×长度)的横孔缺陷。所使用相控阵超声探头为32阵元，标称频率为10 MHz，阵元中心距为0.31 mm，单阵元尺寸为0.21 mm×7 mm(宽×长)。检测采用接触法，耦合介质为水，声速为1 500 m·s-1，密度为1.0 g·cm-3，介质散射衰减不计。为便于对比，使用常规单晶探头，标称频率为10 MHz，孔径为9.82 mm×7 mm(长×宽)，进行相同的检测试验。

2.2 检测灵敏度分析

检测对象是规格(长×宽×高)为400 mm×200 mm×200 mm的碳钢块材，在深度为20，45，80 mm处埋φ2 mm×10 mm 的横孔缺陷，其中45 mm为所选用常规超声探头的实际近场长度或者使用相控阵探头全部阵元时的实际近场长度。使用常规单晶探头、相控阵探头超声聚焦法则(设置焦点为20,45,80 mm)进行B扫描检测，检测结果如图4所示。对检测灵敏度和分辨能力的分析数据详见表1，其中以缺陷回波的最高幅值作为检测灵敏度的表征，以φ2 mm横孔B扫图像的-6 dB宽度作为分辨能力的表征。

图4 常规超声及相控阵超声对不同深度横孔的B扫图像

根据检测结果分析可知：① 相同孔径常规单晶探头的检测灵敏度通常高于相控阵探头的，使用近场聚焦法则时焦区位置除外，这主要是由于相控阵阵元间存在间距，单晶探头的有效激励或接收面积要高于同孔径的相控阵探头的，在试验中前者约为后者的1.5倍，因此当聚焦法则不能大幅提高检测灵敏度时，相控阵超声的检测灵敏度较低；② 比较两者的分辨能力，超声相控阵的分辨能力普遍优于常规探头的，近场焦点在焦区位置的分辨能力最强，但其远离焦区时的分辨能力和灵敏度严重下降；③ 通过对相控阵超声不同焦点检测灵敏度的比较，说明近场焦点适合检测焦区范围的缺陷，对焦区外缺陷的灵敏度和分辨能力下降较明显；远场干涉对于近场缺陷的检测灵敏度略有下降，但对焦区位置的缺陷灵敏度和分辨能力有提升。综合来看，焦点设置在近场长度处，能够兼顾近场和远场检测的需求。

表1不同检测方式对不同深度φ2mm×10mm横孔检测的灵敏度

检测方式回波幅值/dB分辨能力 (-6 dB宽度)/mm20 mm45 mm80 mm20 mm45 mm80 mm常规探头20.421.920.17.04.54.5相控阵超声焦点20 mm25.68.70.01.08.019.5相控阵超声焦点45 mm16.118.711.23.52.04.5相控阵超声焦点80 mm13.417.612.65.02.54.0

2.3 缺陷定量能力分析

在超声检测中，通常使用缺陷回波的最高幅值来判定缺陷的当量；由于声波的扩散及介质衰减等原因，相同当量缺陷的回波幅值会随检测声程的增加有所降低。为了补偿检测声程对回波幅值的影响，在检测前常使用对比试块制作DAC(距离-波幅曲线)或TCG(深度补偿曲线)来对不同声程的缺陷回波进行补偿。由于制作补偿曲线的人工缺陷数量有限，因此要求检测声场连续缓慢变化，如果检测声压波动剧烈(存在多个极值点)，则波动区补偿不准确，无法准确对缺陷定量，这也是常规超声定量检测回避近场区的原因。文章通过仿真试验对不同深度标准缺陷(φ2 mm ×10 mm)的定量误差进行比较，以分析不同聚焦深度对于幅值定量方法的适用程度。

使用2 000 mm×200 mm×200 mm(长×宽×高)的碳钢块材，深度在2.5～90 mm范围内，深度间隔2.5 mm，长度间隔50 mm，制作φ2 mm ×10 mm的横孔缺陷36个。使用常规单晶探头、相控阵探头超声聚焦法则(设置焦点分别为20,45,80 mm)对该试块进行B扫描检测。使用CSK-IIA试块制作的深度补偿曲线对检测结果进行补偿，补偿后的缺陷回波幅值分布如图5所示。

图5 常规超声及相控阵超声对不同深度横孔的幅值分布(深度补偿后)

整体来看，常规单晶探头和焦点为20 mm的相控阵超声检测的回波幅值波动较大，将检测范围划分为近场区和远场区(以45 mm为界限)，分别统计φ2 mm ×10 mm横孔的定量偏差，统计结果见表2。由结果可知，在近场范围内，常规单晶探头和焦点为20 mm的相控阵超声聚焦法则的定量误差最大，超过20%；而远场干涉(计算焦点80 mm)的定量误差最小；在远场范围内，所有方式的定量误差均较小，其中焦点在近场长度位置的远场定量误差最小，低于1%，其次为焦点20 mm的相控阵超声检测，远场干涉的检测误差与其接近。综合来看，相控阵超声检测方法的定量能力均优于常规超声检测方法的。

表2 不同检测方式对不同深度φ2 mm×10 mm横孔的最大定量误差 %

3 结语

(1) 相同孔径的常规超声检测灵敏度通常高于相控阵超声(近场焦区除外)的检测灵敏度，但其定量精度低于相控阵超声的。

(2) 相控阵超声检测中，如果目标区域位于远场区，综合考虑灵敏度、分辨能力和定量误差，建议将焦点设置于目标位置(远场区)；如果目标区域跨越近场区和远场区，建议焦点设置在近场长度位置；如果目标区域位于近场区且范围较大，优先考虑定量精度，焦点设置在远场区；如果目标区域位于近场区且范围较窄，可以选用近场焦点，但需要针对性的灵敏度矫正才能实现可靠定量。