无楔块条件下超声相控阵的聚焦特性测试

刘晓睿，强天鹏，邬冠华，孙忠波，肖 雄，郑 凯

（1.南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063；2.江苏省特种设备安全监督检验研究院，南京 210003；3.天津诚信达金属检测有限公司，天津 300384；4.江苏中特创业设备检测有限公司，南京 210014）

1 相控阵聚焦原理

声束偏转和聚焦是超声相控阵区别于常规超声的两个重要特性。所谓“声束聚焦”是指由于各个晶片距离焦点的声程不同，通过延时法则改变晶片的激发时间——距离焦点远的晶片先发射信号，距离焦点近的晶片后发射信号——可使各个晶片发射的信号同时到达焦点，在一个小区域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 无楔块条件下相控阵聚焦能力测试

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软件作数据判读。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《相控阵超声波检查仪和系统工作特性评定指南》标准附录中的图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。试验激发的晶片数为8，16，32个，设置的聚焦法则为：聚焦深度10，30，50，100，150和200mm。

试验条件基于ASTM E2491标准的附录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。

采用不同激发晶片数和不同聚焦深度，得到的回波信号聚焦情况见图2～4。

在Tomoview软件中以－6dB的方式对孔径进行测量，对于那些由于深度较浅或者波幅较低，用6dB法无法准确测量的结果，用“不可分辨”表示。各个扫查图像测量后结果见表1～3。

超声波束聚焦特性与近场有关，分析相控阵聚焦特性就需要知道其近场长度。相控阵探头晶片阵列为矩形，其近场长度由下式给出［1］：

表1 激发8晶片时在不同聚焦深度下不同孔深的测量孔径

表2 激发16晶片时在不同聚焦深度下不同孔深的测量孔径

式中 k矩形——近场修正系数（图5）；

L——探头长度，mm；

W——探头宽度，mm；

f——频率，MHz；

v——试件声速，mm／μs。

图5 矩形探头的近场修正系数

表3 激发32晶片时在不同聚焦深度下不同孔深的测量孔径

根据公式计算激发8，16和32个晶片时近场区长度，分别为5.19，28.39，79mm。

表4将试验中测得的最小孔径数值记为“实测焦点尺寸”；将测量孔径值不大于2倍实际孔径（即≤4mm）的声程范围记在“有效聚焦范围”的括号前，将测量孔径值不大于3倍实际孔径（即≤6mm）的声程范围记在“有效聚焦范围”的括号内，将以上各表检测结果总结后得到表4。

表4 不装楔块情况下相控阵聚焦能力测试结果

由聚焦声束焦点处的声压公式P＝πNP0／F（其中P为焦点处声压；N为近场区长度；P0为波源处声压；F为焦距）。可知，在大于近场区长度N的深度无法聚焦。上面的分析结果与相控阵探头的聚焦试验结果相符，即聚焦只能发生在孔径的近场区内。

从表4中可以看出，实测最小焦点的深度与设置的聚焦深度并不一致，实测最小焦点的深度总是小于设置的聚焦深度。但是实测有效聚焦范围（即测量孔径值不大于2倍实际孔径的声程范围）与设置的聚焦深度是一致的。因此应用相控阵聚焦特性时，不应以最小焦点的深度值，而应以有效聚焦范围作为聚焦深度（焦距）指标。

从表1～4的数据可以看出，如果用最小焦点尺寸、有效聚焦范围、有效聚焦的深度范围3项指标衡量相控阵聚焦特性，则激发晶片数量越多，聚焦特性越好。

（1）最小焦点尺寸 该尺寸随激发晶片数量的增加而减小。激发8晶片的最小焦点为1.5mm；16晶片的最小焦点为1.4mm；32晶片的最小焦点为0.8mm。

（2）有效聚焦范围 该范围随激发晶片数量的增加而增大。激发8晶片的有效聚焦范围约为10（20）mm；16晶片的有效聚焦范围约为10～35（10～50）mm；32晶片的有效聚焦范围约为10～35（10～60）mm。

（3）有效聚焦的深度（焦距）该距离随激发晶片数量的增加而增大。激发8晶片的有效聚焦深度范围约为5～15（5～25）mm；16晶片的有效聚焦深度范围约为10～50（5～55）mm；32晶片的有效聚焦范围约为10～85（5～105）mm。

从表1～3的数据可以看出，激发晶片数量增加对近表面区域聚焦有不利影响。仅在激发8晶片时，可实现深度5mm孔的聚焦，而其他大都无法识别。为了实现近表面区域的聚焦，应在设置小聚焦深度的同时减少激发晶片的数量。

从表4中可以看出，晶片数量不变的情况下，设置的聚焦深度越小，实测焦点尺寸也越小，但有效聚焦的深度范围同时减小，且有效聚焦的深度范围以外的声场发散度增大。为保证足够大的有效聚焦范围，聚焦深度不宜设置过小。另一方面，如果设置的聚焦深度超过近场，相控阵声场的聚焦效果将变得不明显。

3 结论

（1）试验表明，不加装楔块的相控阵纵波声场，在近场区内表现出了明显聚焦的现象；在超过近场区长度的地方，无法实现聚焦。

（2）随着激发晶片数量的增加，相控阵声场的聚焦能力变强，有效聚焦范围变大，有效聚焦深度也变大。

（3）在近场区内，焦点尺寸随设置的聚焦深度的增加而增大。

（4）晶片数量增加对近表面区域聚焦不利，欲实现近表面区域聚焦，应采用较少晶片数量。

［1］Michael D，Moles C.Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications［M］.Quebec：Olympus，2004：50－51.