相控阵超声传感器的参数选择

侯金刚 朱雨虹 杨 齐 原可义

（ 1.中国特种设备检测研究院 北京 100029；2. 国家质量监督检验检疫总局无损检测与评价重点实验室 北京 100029）

引 言

相控阵超声具有灵活的声场控制方式，通过应用不同的聚焦法则，在不改变检测探头的条件下，能够适应不同的检测需求[1，2]；相控阵超声的检测结果以图像显示，A扫数据能够逐点存储，检测结果的评判更为直观，数据存储方面也满足可记录需求，因此在工业检测中的应用日益广泛[3～5]。目前相控阵超声在仪器设备方面已经趋于成熟，2016年相控阵超声检测国家标准GB/T 32563-2016《无损检测 超声检测 相控阵超声检测方法》颁布实施，也推动了相控阵超声检测技术在国内较大规模应用的展开。

目前我国相控阵超声在工业检测中的应用尚处于试用阶段，检测工艺的设计、验证、实施及检测结果的评判等工艺体系尚未成熟，在应用过程中也凸显了很多问题，其中相控阵超声传感器的选型和正确使用也是其关键问题之一。本文主要针对线阵传感器的参数选择问题进行研究，重点对传感器的频率选择、主瓣和旁瓣的控制，以及栅瓣的抑制等问题展开探讨。

1 相控阵超声传感器的类型

图1 相控阵超声传感器的阵列形式[6]

与常规超声传感器不同，相控阵超声传感器由多个阵元组成，按照阵元分割方式的不同，可分为一维阵列和二维阵列。其中一维阵列又可以细分为平面线阵、凸面线阵、凹面线阵、环形阵列等；二维阵列包括 1.5维矩阵、2维矩阵、扇形矩阵，以及上述阵列的组合，即双线阵和双面阵等。相控阵超声传感器阵元分割方式参见图1。

由图1可见，相控阵超声传感器相当于将单晶传感器按照某种规则分割为多个阵元形成。由于每个阵元均可以独立控制激励信号，因此检测声场具备可调控的特征，根据相干性原理，可以通过激励控制形成预期的检测声场。理论上，相控阵传感器包含着的阵元数越多，对声场调控的能力越强，但相应的需要匹配的超声设备也越复杂，造价也越高。综合检测能力、造价、便携性等因素，目前在工业检测中应用的多为16或32阵元的线阵传感器。

对于一维线阵传感器，其主要的结构参数包括，频率f、阵元数N、阵元宽度e、阵元高度h、阵元间距P、阵元间隙g、主动孔径A等，各参数的定义参见图2。

图2 一维线阵的主要结构参数

2 相控阵超声传感器的参数选择

（1）频率选择超声检测的灵敏度约为λ/2，即半波长，因此检测频率提高有利于发现小缺陷；此外，高频脉冲的时域占宽较窄，有利于提高纵向分辨率。但声波的衰减和散射都会随着频率的提高而加剧，因此提高频率会降低信噪比；高频超声对于面积型缺陷具有一定的选择性，会降低检出率。在检测过程中需要综合考虑，平衡选择检测频率，一般可遵循以下原则：对于厚度较小，缺陷也较小的对象可选择较高频率；对于大厚度、高衰减的对象，则应选择较低频率。

（2）结构参数的选择目前对线阵传感器结构参数的选择主要以远场指向性函数为依据，其基本原则为：控制主瓣宽度、降低旁瓣能量，以提高检测灵敏度和分辨率；消除旁瓣，以避免检测过程中出现伪像，造成误检。

对于线阵传感器，其远场指向性函数[7]为

其中：θ为方向角，θs为偏转角，k=2π/λ为角波数，其他参数如图2所示。

根据式（1），对如下相控阵超声传感器的指向性进行计算，f=5MHz，e=0.4 mm，P=0.5 mm，N=16，k=1.77π，θ∈［-180。，180。］，θs=0。，20。。计算结果如图3所示。图中标出了主瓣、旁瓣和栅瓣的位置，可以看出随着偏转角度变化，主瓣和栅瓣都发生偏移且相互靠近，如果在目标检测区域内出现栅瓣，则会形成幅值较高的伪像，引起对检测结果的误判。

由式（1）可以推得，由零点限定的主瓣宽度可表达为

由于线阵传感器的阵元宽度（e）很小，将NP近似改写为主动孔径A，将角波数改写为频率关系K=2πf/C0，其中C0为介质中的声速，则式（2）可以改写为

图3 一维线阵的指向角

沿用本文前述参数，取 根据式（3） 计算主瓣随不同参数的变化情况，如图4所示，可知，主瓣宽度随主动孔径、激励频率变大而变小，而随偏转角绝对值增加而变大，可见偏转角增加会降低对缺陷的分辨力。但应该注意到，三者对主瓣宽度的影响程度是不同的，其中探头频率的影响最明显。

图4 主瓣宽度随传感器参数的变化

以第一零点和第二零点的中间位置作为第一旁瓣，以式（1）推定正半轴第一旁瓣幅值为

由图2可知，P=e+g，根据传感器加工制造现状可取g=0.1 mm，为定值，则式（4）可以改写为

按本文各项参数，根据式（5）计算第一旁瓣幅值随各项参数的变化，如图5所示，可知，旁瓣幅值随阵元宽度和频率的变化不明显；当阵元数较小时，对旁瓣幅值影响较大，但阵元数达到一定值后，旁瓣幅值基本不变；随偏转角的增大，正半轴第一旁瓣幅值变小。但应该注意到，负半轴第一旁瓣的变化趋势正好相反，因此偏转角对整体旁瓣能量的影响也不大。

图5 旁瓣幅值随传感器参数的变化

由图3可知，栅瓣的幅值与主瓣接近，如果检测声场中出现栅瓣，极可能造成伪像，形成误判，因此在超声相控阵应用中必须予以消除。根据式（1），栅瓣的位置可以表达为

其中，i表示第i个栅瓣，正值为正半轴，负值为负半轴。

图6 栅瓣扇扫偏转角度的变化

在相控阵超声传感器的选型中，需控制在扇扫体积内不存在栅瓣，按偏转角度为θs=±90°最大范围计算，根据式（6） 消除旁瓣的条件为c0＞ 2Pf，即

对于线阵传感器来说，式（7）为消除栅瓣的充分条件，如果减小扇扫范围，也可以适当放宽对阵元中心距P的限制。如果线阵传感器的频率和阵元中心距已经确定，为了消除栅瓣，则需控制扇扫角度范围如下

按如下参数使用CIVA软件对线阵传感器的声场进行模拟，f=5MHz，e=0.4 mm，P=0.5 mm，N=16，c0=5900m/s，θs=0°，25°，45°，所得到的纵波声场如图6所示，可知，到偏转角满足式（8）时未出现旁瓣（θs=0°，25°），而偏转角超出范围时出现了较为明显的旁瓣（θs=45°），此时易形成伪像。

3 结论

相控阵超声检测中对线阵传感器的选型着重考虑频率、主瓣宽度、旁瓣幅值、栅瓣位置等参数。其中频率、主瓣和旁瓣的控制主要以提高分辨率、保证检出率为目的，主瓣的宽度可以通过频率和主动孔径等参数调整，而通过结构参数对旁瓣进行调整的作用不明显。栅瓣为相控阵超声检测中必须予以抑制的因素，因为栅瓣的存在会形成伪像，造成误判。栅瓣的控制可以通过调整阵元中心距实现，对于确定的传感器则需保证扇扫偏转角度在一定范围内。