超声相控阵相关知识

相控阵的概念起源于雷达天线电磁波技术，超声相控阵最早仅用于医疗领域。近年来，随着微电子、计算机等新技术的快速发展，超声相控阵逐渐被应用于工业无损检测领域。超声相控阵通过各阵元发出声束的有序叠加可以灵活地生成偏转及聚焦声束，不需更换探头即可完成对关心区域的高分辨率检测，且其特有的线性扫查、扇形扫查、动态聚焦等工作方式可在不移动或少移动探头的情况下对零件进行高效率检测。因此，较传统的单晶片超声检测，超声相控阵的声束更灵活、检测速度更快、分辨率更高、更适用于形状复杂的零部件检测。超声相控阵探头是将若干个独立的压电晶片按照一定的排列组合成一个阵列，通过控制压电晶片的激励顺序及延时，来实现声束的偏转以及聚焦。超声相控阵是基于Huygens-Fresnel 原理，由各个阵元发出的超声波经过干涉形成预期的声束。以同一频率的脉冲激发各个阵元，并对各个阵元的激发时间施加一定的延迟，于是各阵元的发射声波产生了相位差，从而影响干涉结果，即可以形成偏转及聚焦声束。各阵元的激发延时一般被称为聚焦法则或延时法则。与传统单晶片换能器的超声检测不同，超声相控阵不同的阵元组合与不同的聚焦法则相结合，形成了3 种特有的工作方式，即线性扫查，扇形扫查和动态聚焦。线性扫查线性扫查，又称为电子扫查，具体步骤为：1) 假设相控阵阵元总数为N，令其中相邻的n( 1n N) 个阵元为一组，对每一组阵元施加相同的聚焦法则;2) 以设定的聚焦法则激发第一组阵元;3) 沿阵列长度方向向前移动一个步进值(一般为一个阵元晶片)，以同样的聚焦法则激发第2组阵元。以此类推，直至最后一个阵元。一般将上述的一组阵元称为一个序列。这样扫查完成后会得到N-n+1个序列回波信号，在不移动探头的情况下就可以检测到较大区域。线性扫查的示意图如图3( a) 所示。扇形扫查扇形扫查即选择一组阵元，对这组阵元依次实施不同的聚焦法则，每次改变声束的偏转角度，从而形成一个扇形的扫查区域，如图3(b)所示。与线性扫查不同，扇形扫查阵元不变，而聚焦法则随时改变。动态聚焦动态聚焦是指在声轴的不同深度进行聚焦，即通过动态控制晶片的聚焦法则，实现声轴上不同深度点的动态聚焦，如图3(c)所示。动态聚焦适用于较薄工件的检测。全矩阵捕捉(full matrix capture)不同于上述传统数据采集方式，它采集并存储每个发射/接收阵元对所对应的A 扫时域信号，如图6 所示，由第一个阵元进行发射，所有阵元接收，照此规则依次单个激发所有的发射阵元。全矩阵捕捉的目的是在一次检测过程中获取所有发射/接收组合的回波数据，以便于进行多样的后处理操作。全矩阵捕捉会带来巨大的数据量，但在后处理中可呈现出多种聚焦形式，而无需多次测量，从这一角度来看提高了检测的效率。全矩阵捕捉及各种后处理算法的结合适用于静态的检测对象及允许离线处理数据的情况，随着计算机大数据处理能力的提高，具有很好的应用前景。在超声相控阵检测中，增大阵列孔径是提高分辨率的有效途径之一，但仅靠增加阵元数目来增大孔径会导致系统复杂度的增加，于是稀疏阵列的研究应运而生。稀疏阵列的目的是在不增加或少增加阵元数目的前提下增大阵列孔径，实现高分辨率检测，具有阵元间互辐射小