加楔块超声相控阵的聚焦特性测试

刘晓睿，强天鹏，邬冠华

（1.苏州热工研究院有限公司，苏州 215004；2.江苏省特种设备安全监督检验研究院，南京 210003；3.南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063）

1 相控阵聚焦原理

超声相控阵区别于常规超声的两个重要特性是声束偏转和聚焦。所谓“声束聚焦”是指由于各个晶片距离焦点的声程不同，通过改变晶片间的延时时间，让距离焦点远的晶片先发射信号，而距离焦点近的晶片后发射信号，从而使各个晶片发射的信号同时到达焦点，并在一个小区域内 形成一个高强度声场。假设晶片间的距离为p，聚焦深度为F，介质中的声速为c，则各个晶片的延时时间为：

式中n为晶片序号；t0是为了防止出现一个负的延时时间而设置的时间常数。

2 安装楔块条件下相控阵聚焦能力测试

2.1 测试装置

试验使用的仪器是OLYMPUS公司的OmniScan MX 32：128便携式相控阵检测仪，利用TomoView软件进行数据判读。采用的探头是5L64A2，共有64个晶片，晶片间的距离（pitch）为0.6mm。采用的试块是 ASTM E2491—2008［1］附录中的图A1.1所示的试块，试块中横孔为φ2mm×25mm，相邻孔深度和水平间距均为5mm。此项试验中采用特定角度编码器B扫，安装的楔块是SA2－N55S，折射角度为55°，激发晶片数量是8个、16个和32个，设置的聚焦深度为：10，50，100，150，200mm。

试验条件基于ASTM E2491—2008的附录1，测试相控阵的偏转和聚焦能力，在扫查上使用带编码器线扫。试块及扫查示意见图1。

2.2 近场区计算结果

利用公式：

式中Neff——近场长度；

k矩形——近场长度修正系数；

L——探头长度；

β——声束折射角；

α——声束入射角；

L斜楔——楔块中声程；

v试件——试件声速；

v斜楔——楔块声速。

计算得到不同晶片数和不同折射角的探头的近场区见表1。

图1 相控阵聚焦能力的测试

表1 带有楔块的相控阵探头在工件中的近场区 mm

此次试验激发的起始晶片都是探头的第一个晶片，从表1的数据可以看出，由于激发孔径的近场区是一定的，斜探头加装楔块后，楔块中声程占据了一部分近场区。在激发8个晶片时，近场区都在楔块中，激发16个晶片时，近场区也基本在楔块中，工件中的近场区范围非常小。激发32个晶片时，工件中有一定的近场区，其值随着扫查角度的增大而减小。

2.3 试验结果

试验中利用6dB法测量焦点尺寸，当波幅太低且无法用6dB法测量时，结果用“不能分辨”注释。图2～4、表2给出了加装楔块后的聚焦能力测试结果，此处省略了聚焦深度为150mm的数据。

2.4 分析

通过以上表格中的数据可以看出，不管是激发8个、16个还是32个晶片，同聚焦深度下，角度45°时聚焦焦点最小，聚焦声束最均匀，聚焦效果最好，其余依次是35°，60°和70°。

图3 激发16个晶片不同聚焦深度不同偏转角度的聚焦能力

在8个晶片激发状态下，不同角度相同聚焦深度设置下，聚焦效果基本上相同；在16个晶片激发状态下，只有聚焦深度在10mm时焦点才小于2倍孔径，聚焦深度50，100，200mm下聚焦声束基本相同，且焦点大小都超过2倍孔径；在32个晶片激发状态下，只有聚焦深度在10和50mm时部分角度的焦点小于2倍孔径，聚焦深度100，200mm下聚焦焦点都超过2倍孔径。

在8个晶片激发状态下，所有的结果都不能在所设定的位置聚焦，深度越小焦点越小，深度越大焦点越大，焦点大小都超过2倍孔径；在16个晶片激发状态下，所有的结果都不能在所设定的位置聚焦，不同角度下最小焦点的实际深度只能达到15～30mm；在32个晶片激发状态下，所有的结果实际最小焦点的聚焦深度都小于所设置的聚焦深度，相同的聚焦深度不同角度设置下，角度越小，最小焦点的实际聚焦深度越大。

另外，在16个晶片激发状态下，聚焦深度超过50mm时，改变聚焦深度对聚焦声束改变不明显，在32个晶片激发状态下，聚焦深度超过100mm时，改变聚焦深度对聚焦声束改变也不明显。

图4 激发32个晶片不同聚焦深度不同偏转角度的聚焦能力

表2 加楔块激发不同晶片数的相控阵聚焦的焦点尺寸1） mm

续表2 mm

3 结论

（1）楔块对聚焦能力的影响主要是声束角度和声程（延迟），因此不同的楔块可以改变探头的角度覆盖范围和实际焦点深度，相比无楔块的设置，加装斜楔块进行横波检测时，大部分近场区都在楔块内，工件中近场区很小，致使工件中聚焦能力变差，聚焦范围变小。在相同激发晶片数的情况下，角度越小，在工件中的近场区就越大。在激发晶片数为8和16时，随着角度的增大，聚焦能力变弱。在激发16和32个晶片时，除非聚焦深度过大，一般小角度有较好的聚焦能力。

（2）激发晶片数量越多，聚焦能力越强，能获得的焦点尺寸会越小，实际焦点深度会越大。

（3）焦点尺寸随聚焦深度的增加而增大。随着激发晶片数量的增加，工件中的聚焦能力变强，聚焦范围变大，但是在激发晶片数量过大（激发32个晶片）时，由于晶片孔径的原因，导致深度较浅的孔连在一起，无法分辨。

（4）同样激发晶片数量的情况下，实际焦点尺寸与楔块的角度以及声程有关，同声程时设置角度越接近楔块角度，实际焦点越小；同角度情况下，声程越小，实际焦点越小；二者当中，声程对焦点尺寸的影响大于设置角度的影响。

（5）设置角度越接近楔块的主声束角度，声束越均匀，分辨率更好。

［1］ASTM E 2491—2008 Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased Array Ultrasonic Examination Instruments and Systems［S］.