基于声场仿真技术的TRL相控阵探头设计与验证

丁松 余小侠 陶铸

【摘 要】TRL相控阵探头具有声束控制灵活、聚焦效果好等优点，广泛应用于粗晶材料的检测中。相控阵探头的选用直接影响了检测的有效性和可靠性。由于TRL相控阵探头参数设计复杂？成本较高，需要事先对检测对象进行分析研究，选用合适的探头参数进行声场仿真，以确定最优的检测探头，提高检测工艺的可靠性和降低加工后测试产生的成本。本文介绍了利用声场仿真技术进行TRL相控阵探头的设计方法和试验验证，经实例表明，声场仿真技术可作为复杂相控阵检测技术开发的可靠的辅助手段，提高相控阵检测工艺的开发效率，为探头各项参数的选取、检测方法等提供参考。

【关键词】相控阵探头;声场仿真;粗晶材料

中图分类号： TB553 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）25-0005-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.25.002

Design And Verification Of TRL Phased Array Probe Based On Sound Field Simulation Technology

DING Song YU Xiao-xia TAO Zhu

（China Nuclear Power Operation Technology Corporation Ltd， Wuhan Hubei 430223， China）

【Abstract】TRL phased array probe has the advantages of flexible acoustic beam control and good focusing effect， which is widely used in the detection of coarse crystal materials. The selection of phased array probe directly affects the validity and reliability of detection. Due to the complex design and high cost of TRL phased array probe parameters， it is necessary to analyze and study the detection object in advance. Sound field simulation is conducted with appropriate probe parameters to determine the optimal detection probe， improve the reliability of detection process and reduce the cost of post-processing testing. This paper introduces the use of sound field simulation technology for TRL phased array probe design methods and experimental verification， the examples show that the acoustic field simulation technology can be used as a complex phased array inspection technology to develop a reliable auxiliary means， improve the development efficiency of phased array inspection technology， to probe the selection of parameters， such as detection method to provide the reference.

【Key words】Phased array probe; Sound field simulation; Coarse crystalline material

0 前言

奧氏体不锈钢的晶粒粗大，各向异性，高衰减使常规超声检测存在信噪比底、草状回波多等，影响检测效果，超声相控阵检测技术是一种先进的超声检查技术，相比常规超声检测，相控阵技术具有聚焦能力强、声束可调等优点，可以通过设定不同的深度聚焦法则，实现对奥氏体不锈钢不同厚度的有效检测[1]。如针对奥氏体不锈钢环焊缝的超声相控阵检测技术应用进行了研究[2];针对核电站主管道奥氏体不锈钢焊缝，制定了相控阵超声检测方法，实现了相控阵在核电站主管道焊缝中的应用[3]等。以上检验技术中TRL相控阵探头设计是检测技术开发中的重要组成部分。在TRL相控阵探头的设计中，声场分析是检验其检测能力的有效途径。通过声场仿真技术可以判断探头的有效检测深度以及参数的合理性，提高探头设计的成功率。声场分析软件具有探头参数设计、楔块参数设计、聚焦法则计算以及声场仿真等功能，具有界面友好，操作方便等优点[4]。本文利用声场仿真技术对TRL相控阵探头进行仿真模拟，并经试验验证，其理论声场特征和实测结果吻合较好，表明该软件可作为奥氏体不锈钢焊缝相控阵检测工艺设计优化的工具，具有广泛地应用价值。

1 TRL相控阵探头结构特点

TRL相控阵探头根据晶片设置模块不同分为线阵探头和面阵探头。线阵探头只能在一个方向上对声束进行控制并获得聚焦效果，且需要楔块带有roof角来加强聚焦效果;面阵探头为二维矩阵，可在两个方向上进行声束控制，实现三维空间内的偏转和聚焦[5]。如图1所示。