超声相控阵技术细谈.docx

航空无损检测新技术之
超声相控阵技术的发展及应用

学院：测试与光电工程学院
班级：080812班
姓名：郭林

超声相控阵技术的发展及应用
郭林
(南昌航空大学测试与光电工程学院0808012班)

摘要:扼要介绍超声相控阵技术的发展历史、原理及特点。着重介绍其最新研究动态及其在无损检测与评价中的典型应用。指出将相控阵技术同其它诸如纵波一发一收(TRL)、声时衍射(TOFD)技术、数字信号处理(DSP)及成像等技术结合起来,将有助于充分发挥其特点,提高其检测能力,促进无损检测与评价的发展及应用。
关键词:超声检验;相控阵技术;换能器;
Abstract:Thedevelopmenthistory,theoryandcharacterizationofultrasonicphasedarraytechnique,especiallythestate2of2the2artsandapplicationsofthetechniqueinnuclearindustrynondestructivetestingandevaluation(NDT&E)aredescribed.CombiningphasedarraytechniquewithTRL(thetransmitter2receivertechniqueforlongitudinalwaves),TOFD(timeofflightdiffraction),DSP(digitalsignalprocessing)andimagingtechniquewillimprovedetectabilityandpromoteNDT&Edevelopmentandapplication.
Keywords:Ultrasonictesting;Phasedarraytechnique;Transducer;

前沿：超声检测是根据超声波在材料中传播特性，检测材料中的缺陷。向工件中发射超声波；超声波在工件中传播，遇到缺陷，传播特性改变，检测变化后的超声波，并进行处理和分析；根据接收波的特征，评估工件内存在缺陷的特性。在超声无损检测新技术中，大概有相控阵检测技术、电磁超声检测技术、激光超声检测技术、声振检测技术等。其中超声相控阵技术已有近20多年的发展历史。初期主要应用于医疗领域,医学超声成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官成像利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌,使目标组织升温并减少非目标组织的功率吸收。最初,系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限。然而随着电子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,特别是在核工业及航空工业等领域。如核电站主泵隔热板的检测;核废料罐电子束环焊缝的全自动检测及薄铝板摩擦焊焊缝热疲劳裂纹的检测。
近几年,超声相控阵技术发展尤为迅速,在第15届世界无损检测会议中,关于超声相控阵技术的文献有17篇之多。在相控阵系统设计、系统仿真、生产与测试和应用等方面已取得一系列进展,如采用新的复合材料压电换能器改善电声性能;奥氏体焊缝、混凝土和复合材料等的超声相控阵检测;R/DTECH,SIEMENS及IMA2SONIC等公司已生产超声相控阵检测系统及相控阵换能器。而动态聚焦相控阵系统[10],二维阵列、自适应聚焦相控阵系统,表面波及板波相控阵换能器和基于相控阵的数字成像系统等的研制、开发、应用及完善已成为研究重点。其中,自适应聚焦相控阵技术尤为突出,它利用接收到的缺陷回波信息调整下一次激发规则,实现声束的优化控制,提高缺陷(如厚大钛锭中的小缺陷或埋藏较深的大缺陷)的检出率。目前,国内在超声相控阵技术上的研究应用尚处于起步阶段,主要集中于医疗领域。

1原理及特点
超声相控阵就是采用一个探头多个晶片的有机排列，利用计算机技术不同时间对每个晶片发出激励信号
和接收声波，使合成的超声波形受计算机的控制，产生不同的方向，聚焦点等等。从而完成检测。我们知道普通的超声聚焦探头可以将超声波聚焦在某一点处，从而可以在该点处获得最好的分辨率和灵敏度，但对不处于该位置的缺陷就没有这么好的分辨率和灵敏度了。而相控阵探头的聚集位置是可以由计算机控制的，是动态可变化的，所以可在声程范围内设定聚集的范围，计算机可自动控制探头各个晶片发射和接收超声波，从而在该范围内进行动态聚集，所以聚集是一条线。如下图。

这样扩展了聚集范围，其优点可以从下面的例子看出，这是一块试块，有三个人工孔，最近的离表面距
离为25mm,试块高75mm。如采用聚集在25mm处时，如图可见孔的图像清楚，但底面回波图像模糊。如采用聚集在75mm处时，如图可见孔的图像模糊，但底面回波图像清楚。如采用动态聚集，聚集在25mm—75mm处时，如图