详解相控阵超声成像检测，必须整套收藏！

发展史　　在最初的二十几年中，商业超声仪器完全依靠以下几种类型的探头：使用一个压电晶片生成并接收声波的单晶探头，将发送晶片和接收晶片分开的双晶探头，以及以串联方式使用一对单晶探头的一发一收系统或穿透系统。
　　当前为工业缺陷检测及厚度测量而设计的大多数商业超声仪器仍然在使用上述这些方法，不过在超声无损检测（NDT）领域中，使用相控阵技术的仪器正在稳步彰显其重要性。1801年，英国科学家托马斯.杨在其著名的试验中通过使用两点光源生成干涉图形的方法向世人演示了波的相互加强和相互抵消作用的原理。在传播中同相位的波的能量得到增强，而不同相位的波的能量被减弱。
　　超声相控阵声波叠加“相移”，或称“定相”，是一种对干涉模式进行控制的操作，方法是为两点源或多点源发出的声束设定不同的时间延迟，从而使每条声束的波前具有不同的相位。对相位的控制可以弯曲、偏转或聚焦波前的能量。
　　二十世纪六十年代，研究人员开始开发超声相控阵系统。这些系统使用脉冲触发多点源探头，所生成的声束传播情况都如上述受控干涉模式。二十世纪七十年代初期，首次出现用于医疗诊断的商业相控阵系统，这些系统通过控制声束的传播方向，生成人体各个部位的横截面图像。
　　医用超声检测技术
　　最初，超声相控阵系统的应用主要集中在医学领域。出现这种情况的一个原因是人体具有可预见的组织和结构，因而使仪器的设计及图像的解读相对来说更简便直接。而相控阵技术在工业方面的应用则没有这么简单。
　　由于金属、复合材料、陶磁、塑料、纤维玻璃等材料在声学特性方面的多样性，以及工业检测环境中不同被检工件在厚度及几何形状上的巨大差异，相控阵技术在工业上的应用具有更大的挑战性。　　第一批工业相控阵系统问世于二十世纪八十年代。这些系统的形体极大，而且需要将数据传输到计算机中进行处理并显示图像。这些系统一般用于电力工业中的在役检测。
　　在很大程度上，相控阵技术在核能市场上得到了大力开发，因为提高关键性评估中检出率的目标极大地促进了这项前沿技术的使用。其它早期的应用还包括一些对大型锻轴和低压涡轮机部件的检测。
　　二十世纪九十年代出现了用于工业领域的便携式、电池供电的相控阵仪器。模拟式设计需要足够的功率与空间才能创建声束偏转所需的多通道配置，然而，随着数字化时代的到来，以及价格便宜的嵌入式微处理器的迅速发展，新一代相控阵设备也得到了突飞猛进的发展。此外，低功耗电子部件的出现，更节电的仪器结构的实现，以及表面安装式印刷电路板的设计在工业领域中的广泛应用，也促使这项先进的技术得以应用在小型仪器中。由此问世了集电子设置、数据处理、显示、分析于单一便携式设备的相控阵工具，从而拓宽了相控阵技术在工业领域中的应用范围。这些发展进而又为普通应用确定了标准相控阵探头的规格。
技术优势
　　超声相控阵系统可被用于几乎任何在传统意义上可以使用常规超声探伤仪的检测应用中。焊缝检测和裂缝探测为两项最重要的应用，因为在包括航空航天、电力生产、石油化工、金属坯材和管件商品供应、输运管线建造与维护、结构金属、以及一般制造业在内的各种工业领域中都会用到这两项检测。
　　相控阵技术还可有效地用于腐蚀测量应用，以纵剖面图形式表现材料的剩余壁厚。

超声相控阵检测
　　相控阵技术优于常规超声技术之处在于它可以使用单个探头组合件中的多个晶片对声束进行偏转、聚焦和扫查。利用通常被称为扇形扫查的声束偏转，可以适当的角度生成被测工件的映射图像。　　这样就极大地简化了检测几何形状较为复杂的工件的过程。此外，在检测空间有限，不能方便进行机械扫查的情况下，探头的狭小底面及其无需被移动即可以不同角度发射声束的能力更有助于检测这类形状复杂的工件。
　　扇形扫查一般还用于焊缝检测。使用单个探头以多个角度检测焊缝的能力极大地提高了探测焊缝异常状态的几率。电子聚焦可在会出现缺陷的位置处优化声束的形状和大小，从而可进一步提高检出率。
　　在多个深度位置聚焦的能力，还可提高体积检测中定量关键性缺陷的能力。这种聚焦特点可以显著改进挑战性应用中的信噪比，而且沿多组晶片进行的电子扫查还可以迅速生成C扫描图像。
　　相控阵系统的潜在弱势是相对较高的成本，以及对操作人员进行培训的要求。然而，由于相控阵技术具有较大的灵活性以及在具体检测中可以节省很多时间，因此成本较高这个缺点常常会得到补偿。
　　超声相控阵系统进行脉冲触发，并从一个阵列的多个晶片接收信号。对这些晶片进行脉冲触发的方式是要使多条声束汇合到一起，并形成一个以所期望的方向传播的单个波前。同理，接收器的功能是将来自多个晶片的输入汇集成一个单个的表现形式。
　　因为超声相控技术可以实现电子声束的形成和偏转，从而可以从单一阵列探头中生成大量不同的超声声束的束流剖面，而且这种声束偏转可被动态编程配置以创建电子扫查：

复合材料检测超声相控阵检测用途
　　（1）使用软件控制声束角度、焦距和声束点的大小。在每个检测点可以动态扫查这些参数，以为每个不同几何形状的工件优化入射角和信噪比。
　　（2）可使用一个单个多晶片的小探头和楔块进行多角度检测，既可以单一固定角度进行扫查，也可以多个角度进行扫查。
　　（3）得益于这些性能，在检测复杂几何形状的工件，或在进行因工件的几何形状而限制接触范围的检测时，相控阵系统具有更大的灵活性。
　　（4）通过多个晶片而实现的多路传输技术，可使探头从一个位置上，无需移动，即可完成高速扫查。探头在同一个位置就可以不同的检测角度进行一次以上的扫查。 根据随时间而变化的波幅绘出的超声波形。这个波形可以被校正，也可以保持非校正状态（RF）。
　　衍射控像法：是由计算机控制的一个功能：将较低的激励电压施加到阵列边缘处的晶片，以降低不想要的旁瓣的波幅。
　　孔径：在相控阵检测中，同时被脉冲激励的晶片或晶片组的宽度。
　　方位角扫描：扇形扫描的另一种说法。这是一个两维视图，包含来自一个相控阵探头的所有聚焦法则的全部波幅和时间或深度数据，这个视图已经过延迟及折射角度的校正。B扫描：超声数据的两维图像，表现相对于声束位置的反射体的深度或距离。B扫描可以是单值B扫描，也可以是横截面B扫描。
　　单值B扫描：基于闸门内第一个或最大的一个反射体绘出的两维图像。这种图像形式一般用于超声探伤仪和高级测厚仪中，只显示每个数据点上的一个反射体。
　　横截面B扫描：超声数据的两维图像，在每个数据点保存完整的波形，可以显示出横截面中的所有反射体，而不是只显示第一个或最大的一个反射体。这种图像可以显示样件内部近表面和远表面的反射体。
　　带宽：处于特定波幅范围内的频率响应的部分。在这种情况下，应该注意典型的NDT探头不会在单一的频率下生成声波，而只能在以额定的频率值为中心的频率范围内生成声波。工业标准将这个带宽确定在–6 dB（或半波幅）的位置处。一般来讲，带宽越宽，近表面轴向分辨率越好；带宽越窄，能量输出越高，因此灵敏度也越高。
　　声束形成：在相控阵检测中，通过对阵列探头中各个晶片的序列脉冲激励，会在特定位置、以特定角度、和/或特定的聚焦形式，生成声束。
　　声束扩散角度：声束在其远场从其中心线算起的扩散角度。
　　声束电子偏转：改变由相控阵探头生成的声束的折射角度的能力。
　　楔块延迟校准：以电子方式补偿不同声束在楔块中的不同声程之间的差异，用于使所测量的、到反射体的声程长度一致化。
　　灵敏度校准：在相控阵扫查中，以电子方式使所有声束的波幅响应一致化的过程。这种灵敏度校准一般可补偿晶片到晶片的灵敏度差异，以及不同折射角度上能量传输的差异。C扫描：超声波幅或时间/深度数据的二维视图，显示为被测样件的顶视图。
　　远场：超过最后一个声轴上最大压力的那部分声束。声束扩散出现在远场中。
　聚焦法则：聚焦法则是指在脉冲激励与接收时，对阵列探头的每个晶片所设置的时间延迟模式，进而可以电子方式对声束和回波响应进行偏转和/或聚焦。
　　焦点：在超声学中，焦点指声束汇聚并达到最小直径和最大声压的点，超过这点，声束开始扩散。
　　栅瓣：声束扩散到能量中心以外的突波部分，由在探头不同晶片上所进行的均匀采样引起。只有相控阵探头会产生栅瓣，小晶片之间规则和周期性的间距致使它们的声束分量合成栅瓣。另见“旁瓣”。
　　惠更斯原理：声波的一种数学表现模式，即行进中的波前上的每一个点可被想象成一个会产生新的球面波的点源，最后得到的统一波前就是所有这些单个球面波的总和
　　线性扫查：不通过任何机械移动方式使声束沿阵列主轴移动的扫查方式。单一聚焦法则在一组激活晶片之间被多路转换，创建一条垂直声束或以某个单一角度传播的声束，这条声束沿探头的长边行进。
　　近场：探头与声轴上最后一个最大声压之间的那部分声束。探头只可在近场聚焦。
　　相控阵：一种多晶片超声探头（一般为16、32或64个晶片），通过定相脉冲激励与接收方式生成电子偏转声束。
　　相控：两个或更多具有相同频率，但是具有不同时间延迟的声波相互作用，可以产生相互增强或抵消的干涉。
　　晶片间距：相控阵探头上的单个晶片之间的距离。
　　主动平面：平行于包含多个晶片的相控阵探头轴的方向。
　　被动平面：与单个晶片的长度或探头的宽度平行的方向。
　　电子偏转平面：相控阵探头工作时，在其声束方向上发生变化的平面。
　　脉冲持续时间：波形的上升沿上代表某个波幅（一般来说是相对于峰值的–20 dB）的一点到其下降沿上代表相同波幅的点之间的时间间隔。较宽的带宽一般可减少脉冲持续时间，而较窄的带宽会增加脉冲持续时间。脉冲持续时间与脉冲发生器的设置紧密相关。
　　角度分辨率：在相控阵系统中，角度分辨率是两个A扫描之间的最小角度值，这两个A扫描能够分辨出处于同一深度的不同相邻缺陷。
　　轴向分辨率：两个特定反射体之间的、可以清晰辨别每个缺陷的最小深度间距。较高的频率和/或较高的带宽一般可增加轴向间距。
　　远表面分辨率：到底面的最小距离，在这个位置的特定反射体的回波波幅至少比底面回波的上升沿多6 dB。更概括地说是可识别反射体的、到底面最近的位置。
　　横向分辨率：在相控阵系统中，两个特定的反射体之间的、使反射体被分别识别的最小横向距离。横向分辨率与阵列探头的设计以及所选聚焦法则的配置有关。
　近表面分辨率：到声束入射面的最小距离，在这个位置的特定反射体的回波波幅至少比激励脉冲、延迟块或楔块回波的下降沿大–6 dB。更概括地说，近表面分辨率是可识别反射体的、到声束入射面的最近距离。这个点以外的区域被称为盲区，而且随着增益的提高，这个点也会向外扩展。
　　扇形扫描：这是一个两维视图，包含来自一个相控阵探头的所有聚焦法则的全部波幅和时间或深度数据，这个视图已经过延迟及折射角度的校正。
　　旁瓣：声束扩散到能量中心以外的突波部分，从探头晶片泄露的声压以不同于主波瓣的角度传播而生成突波。所有类型的超声探头都会生成旁瓣。另见“栅瓣”。
　　虚拟孔径：被同时触发的一组相控阵晶片的整个宽度。
　　探头参数对声场（主瓣、旁瓣、栅瓣等）的影响
　　超声波相控阵检测技术逐步应用于工业无损检测领域，得益于电子技术与计算机技术的快速发展。超声相控阵是超声波技术的一种全新的技术，相控阵可以同时激发多个通道作用于独立的晶片，通过控制激发晶片的时间延迟，实现声束偏转与聚焦。
　　相控阵探头与常规超声波探头不同，相控阵探头可以看做传统超声波探头切割成多个独立的小晶片单元，每个独立的小晶片单元称作一个阵元，单独的阵元可以看作为一个独立声源。阵元的参数是影响相控阵超声声场特性的重要因素，也是关系到相控阵探头性能的决定性的因素。

　一、单一阵元对超声波声场的影响
　　根据相关研究表明，激发单一的阵元产生的超声波声场呈发散性分布，超声波声场中包含大量的旁瓣波与栅瓣波，阵元宽度w越宽，旁瓣与栅瓣越多。
二、多阵元对超声波声场的影响
　　某实验通过仿真模拟软件控制单一变量法，仿真控制激发16个阵元，改变聚焦深度，研究聚焦深度对超声波声场的影响；仿真控制相同的聚焦深度，改变阵元数量和阵元宽度对超声波声场的影响。

软件模拟结果如图2、图3所示，激发探头阵元数量越多，阵元宽度越大，聚焦效果越好，但是栅瓣和旁瓣反而增多。焦点离探头越远，孔径变大，聚焦效果变差，同时栅瓣和旁瓣干扰更加 明显。　　多元阵列探头声场分布情况远远优越于单一阵元。多元阵列探头主声束轴线上的能量较大，但是也出现能量集中旁瓣与栅瓣的。旁瓣与栅瓣的出现会影响测试的结果，特别是栅瓣的影响更大。　　三、仿真研究多阵元探头参数对旁瓣与栅瓣的影响1、阵元宽度、阵元中心距对旁瓣与栅瓣的影响研究参数包括：（a）超声波的频率、声速、波长，（b）阵元宽度，（c）阵元数，（d）阵元间距，（e）声轴允许偏转角度。
　　图4所示，为仿真激发相同阵元的前提下改变阵元宽度，研究相控阵探头的阵元宽度对超声波声场的影响。
　　仿真结果表明：阵元宽度越大超声波声束能量越集中，主瓣宽度越小。但是出现了较多的旁瓣与栅瓣，与图2、图3仿真结构相同。

　图4 阵元宽度对超声波声场的影响
　　图5所示，通过控制单一变量的方法，仿真控制激发16个阵元，改变阵元中心距，研究相控阵探头的阵元中心间距对超声波声场的影响；以及仿真控制相同的阵元中心间距，改变激发阵元数量，研究相控阵探头的激发阵元数量对超声波声场的影响。
　　仿真结果表明：（1）阵元中心距越宽，对主瓣以外的栅瓣旁瓣抑制效果更好。（2）激发阵元数量越多，主声束能量越集中，主瓣和栅瓣宽度均较小。（3）相邻阵元间隙越大，栅瓣出现的越多。相邻阵元间隙一定时，阵元宽度决定了相邻两阵元间距。所以，阵元宽度宽度应该尽量大，相邻阵元间隙尽量小。

　图5. 阵元中心距与激发阵元数量对超声波声场的影响
　　2、探头频率、偏转角度对旁瓣与栅瓣的影响
　　（1）为了消除栅瓣的影响，通过相关数据推导出阵元间距的公式。

　公式 [1]
　　　　d——阵元中心距
　　　　N——阵元数量
　　　　λ——超声波波长
　　　　θ0——偏转角度
　　公式[1]可知，阵元中心距与波长成正比，与偏转角度有反比的关系。要获得较大的偏转角度，应减小阵元中心距。
　　　　（2）保证栅瓣不出现，通过相关数据可推导出偏转角度的公式，其中Δθ为主瓣宽度。

公式 [2]
　　应用数据处理软件计算公式[2]，通过控制单一变量法绘制主瓣与频率、偏转角度、阵元数量的关系图，具体处理结果图6所示。

图6. 主瓣与频率、偏转角度、阵元数量的关系　
　　　四、总结
　　（1）主瓣宽度与频率成正比，频率越高，主瓣宽度越大，主瓣能量越不集中。反之，主瓣能量越集中。因此，选择较低的频率优化主瓣的能量，但是频率越低超声波声束指向性越差。
　　（2）阵元中心距越大，主瓣宽度越小，能量越集中，但是最大偏转角受到阵元中心距的影响。
　　（3）阵元数量越多，主瓣宽度越小，能量越集中，超声波声束指向性越好，聚焦效果越明显，但是增加阵元数量会提高成本。
　　（4）阵元宽度越大超声波声束能量越集中，主瓣宽度越小，能量越集中，而阵元中心间距越大阵元宽度越大超声波声束能量越集中，主瓣宽度越小，但是出现了较多的旁瓣与栅瓣。