相控阵声束焦距深度与晶片数目的优化研究

摘 要： 相控阵技术的突出优点包括实现灵活聚焦和激发孔径的自由选择。相控阵技术在实际检测过程中聚焦深度一般会固定但是其聚焦深度与激发孔径的大小（即激发晶片数目的多少）之间具有复杂的相互关联和制约关系。因此基于相控阵声束形成及聚焦的原理，采用32阵元线型阵列换能器，通过实验方式研究了聚焦深度为10～50 mm时激发孔径的最佳范围。研究结果希望会对今后的相控阵检测起到重要的参考价值。

关键词： 相控阵技术； 聚焦深度； 激发孔径； 线型阵列换能器； 声束

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）24?0020?02

Optimization for acoustic beam focal depth and excitation aperture of phased array

YU da1， QI xiang?qian2， SUN Ya?juan2， ZHENG Yu2

（1. Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300384， China； 2. Tianjin Chengxinda Metal Detector Co.， Ltd.， Tianjin 300384， China）

Abstract：The advantages of phased array technology include flexible focus and free choice of excitation aperture. The focus depth of phased array technology is generally fixed in the actual testing process. However， the inbetween of focal depth and excitation aperture size exists a complex correlative and restrictive relation. Based on the phased array acoustic beam forming and focusing principle， when the focal depth was 10～50 mm， the optimal excitation range of the aperture was experimentally studied by means of 32 array elements linear array transducer. It is hoped that the result can play an important role in the future inspection of phased arrays.

Keyword： phased array technology； focal depth； excitation aperture； linear array transducer； acoustic beam

相控阵探头的声场理论是超声相控阵检测的基础[1]。在计算一个有限尺寸的阵列探头发射的声场时，可以按照惠更斯原理（行进中的波阵面上任一点都可看作是新的次波源，而从波阵面上各点发出的许多次波所形成的包络面，就是原波面在一定时间内所传播到的新波面）进行分析[1]。

1 激发孔径对相控阵声束的影响

矩形平面阵及其计算坐标[2]如图1所示。

由于激发孔径的大小直接取决于激发晶片的数目，因此在以后的讨论中只讨论激发晶片的数目。设有N 个矩形条换能器组成的均匀线阵，阵元长 b，宽 a，间距 d，当各个阵元以同频率做等振幅振动时，其辐射声压为[3]：[P（x，y，z）=jρ0c0uaθjωtλ-b2b2dx1N-1N（n-1）dn-1dθ-j（kr+an）rdy1] （1）

式中：[r=（x-x2）2+（y-y2）2+z2。]

由上式可得出，当a，b，d等其他参数固定后，声压会随着N值的增大而增大。对于声压的指向性可以根据乘积定理求出。因此对于N个线源组成的均匀线阵，假设振源频率、相位和振幅相同时，该探头的指向性函数为[4]：

[D（θ1，θ2）=sin（Nkd2sinθ1）Nkd2sinθ1·sin（Nkd2sinθ2）Nkd2sinθ2] （2）

式中：d为相邻阵元的间距；[θ1]为声线在xOz平面上的投影与z轴的夹角；[θ2]声线在平面上的投影与z轴的夹角；k为角波束。

图1 矩形平面阵及其计算坐标

本文讨论激发孔径大小对检测的影响，即为激发晶片数目对检测的影响，则可以假设N为自变量，在其他参数完全不变的情况下，应用数学基础得出，当N越大时d值越小，则指向性越好。可以理论上认定孔径越大检测效果越好。

2 实验方法

本实验采用奥林巴斯Omnlscan MX2相控阵检测仪，线型阵列换能器（频率为5 MHz、32个阵元斜探头），CX?3A试块等。由于相控阵超声声束偏转角度不同时，检测效果有所差异，因此在每一次实验过程中始终固定探头，并且保持声束偏转角度不变，在这种前提下对A扫描回波进行比较和分析[5]。实验方法见图2。

图2 实验方法

实验过程中当焦距深度为10 mm，30 mm，50 mm时将探头放在位置2，焦距深度为20 mm，40 mm时放在位置1，分别测定标准试块上不同深度处θ3横通孔的A扫描回波幅度。在保证聚焦深度不变的同时保证探头的位置和声束偏转角度不变，其他参数同样保持不变，只调节晶片数目，在显示器上观察S扫描和A扫描。在保证可以在S扫描窗口明显看到缺陷的同时，保证A扫描的波幅保持在屏幕的80%的位置。达到或超过这个值时通过调节增益来改变波幅，使其保持在80%位置，同时记录增益大小。

3 实验结果及分析

3.1 实验结果

为了更为清晰地分析数据结果，将数据结果用坐标形式表现，横坐标为激发晶片的数量，纵坐标表示A扫描波幅达到屏幕80%时所需增益值，此数值越低，说明要达到基准波高所需的增益越小，即A扫描回波幅值相对越大，则聚焦效果越好。如图3所示。

3.2 实验结果分析

经过理论计算得到孔径的增大有利于更好地聚焦，但是通过实验发现：聚焦深度一定时晶片数量在某个范围内可以使聚焦效果很好，但是超越这个范围则会出现很难聚焦的现象，可以将实验结果进行总结如表1所示。

图3 不同聚焦情况下晶片数量与增益的关系

表1 聚焦深度一定时晶片的最佳激发数目范围

通过分析可得其原因为：根据常规超声矩形探头的近场区计算原理，可以得到当晶片数目增加时，近场区的长度也在增加，盲区增大；在增加晶片数目的同时不仅主声束的能量在增加，其中栅瓣的能量也在增大，极易形成伪像而降低成像分辨力。上述实验结果及分析表明，在进行相控阵超声检测时，聚焦深度与激发晶片的数目之间存在相互制约的关系[6]，在实际应用中当聚焦深度一定后，应设置相应的激发镜片数目，以适应不同的检测需求。

4 结 语

使用相控阵技术进行检测时，当聚焦深度固定后，孔径的选择应符合一定的范围内。本文列出的研究结果希望对相控阵超声检测在实际应用中提供参考价值。

参考文献

[1] 李海华，赵立凡，郭兴建.应用超声相控阵检测技术对钢制对接焊接接头的检测实例与分析研究[J].压力容器，2008（8）：10?15.

[2] 周海鹏.相控阵超声检测系统相关技术的研究[D].大连：大连理工大学，2005.

[3] 詹湘琳.超声相控阵油气管道环焊缝缺陷检测技术的研究[D].天津：天津大学，2006.

[4] 燕会明.相控阵技术及其应用研究[D].太原：中北大学，2008.

[5] 杨力.厚壁CCASS管道焊缝相控阵超声检测探头的优选[D].大连：大连理工大学，2012.

[6] 田安定.相控阵超声检测技术应用[J].无损检测，2011（6）：58?63.