超声波相控阵检测技术的新进展与应用

超声波相控阵检测技术的新进展与应用目录内容概览．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41.1超声波相控阵检测技术概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41.1.1技术基本原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．91.1.2技术发展历程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．111.2超声波相控阵检测技术优势分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．131.2.1相比传统超声的优势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．141.2.2在工业检测中的应用价值．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．171.3本文档研究目的与意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18超声波相控阵检测技术核心原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．192.1相控阵基本概念介绍．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．252.1.1探头结构组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．272.1.2发射与接收机制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．302.2波束控制技术详解．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．322.2.1波束形成方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．342.2.2扫描方式探讨．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．352.3声场调控方法研究．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．382.3.1声束聚焦特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．442.3.2声束偏转能力．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．45超声波相控阵检测关键技术．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．483.1探头设计与制造技术．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．493.1.1压电材料选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．513.1.2探头阵列结构优化．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．543.2数据采集与处理技术．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．553.2.1高速数据采集系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．583.2.2信号处理算法研究．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．603.3成像技术与方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．643.3.1A扫、B扫、C扫成像．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．673.3.2三维成像技术探索．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．683.4信号分析与模式识别技术．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．713.4.1信号特征提取．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．723.4.2缺陷识别与分类．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．75超声波相控阵检测技术新进展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．774.1新型探头研发进展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．784.1.1曲面阵列探头应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．814.1.2柔性阵列探头发展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．834.2先进信号处理算法突破．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．854.2.1人工智能算法应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．864.2.2多通道协同处理技术．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．884.3高性能成像技术发展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．914.3.1实时成像技术进展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．964.3.2高分辨率成像技术探索．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．984.4新兴应用领域拓展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1024.4.1航空航天领域应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1034.4.2医疗诊断领域应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．104超声波相控阵检测技术应用案例分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1065.1桥梁结构检测应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1075.1.1桥梁混凝土缺陷检测．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1095.1.2桥梁钢结构损伤评估．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1125.2压力容器检测应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1135.2.1容器焊缝无损检测．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1175.2.2容器缺陷定量评估．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1185.3船舶与海洋工程检测应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1205.3.1船体结构检测．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1225.3.2海洋平台结构检测．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1255.4其他行业应用案例．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1265.4.1能源行业应用案例．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1275.4.2汽车行业应用案例．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．131超声波相控阵检测技术发展趋势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1326.1技术集成化发展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1346.1.1多模态检测技术融合．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1366.1.2检测系统集成化趋势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1386.2智能化发展趋势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1406.2.1自适应检测技术．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1426.2.2智能缺陷识别技术．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1436.3微型化与便携化发展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1446.3.1微型相控阵探头．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1486.3.2便携式检测设备．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1506.4标准化与规范化发展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1516.4.1检测标准制定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1546.4.2检测人员培训．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．156结论与展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1587.1研究结论总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1597.2未来研究方向展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1601.内容概览超声波相控阵检测技术，简称UTPA，作为无损检测领域的一项重要技术，近年来实现了显著的进步与创新。此技术依托于精确控制超声波的相位，利用叠加效应提升检测的灵敏度与解析能力。本文将提炼该领域的基础知识，探讨技术进展，并阐述其在多个工业及科学研究领域的应用潜力，展示其在促进工业检测效率、提升材料检测精准度以及保障产品质量安全方面的具体成效。我们还将通过表格形式展示最新的技术参数与性能对比，正本清源，以确保信息传达的严谨与清晰。这一段内容概览旨在为读者提供一个全面的技术概览，为深入解析其进步与应用奠定基础。1.1超声波相控阵检测技术概述超声波相控阵（UltrasonicPhasedArray,USPA）技术是一种先进的非破坏性测试方法，它通过电子方式控制阵列中多个独立的超声波换能器单元发射和接收信号，实现对声束方向、聚焦点位置和扫查范围的灵活调节，从而获取更丰富、更精确的被测物体内部信息。与传统的单晶探头相比，相控阵技术凭借其优越的成像能力和强大的数据分析潜力，在许多工业领域展现出了显著的优越性，并逐渐成为无损检测领域的研究热点和重要发展方向。（1）基本原理超声波相控阵技术的核心在于“波束控制”。它利用一组紧密排列的超声波换能器（即换能器阵列），通过独立的电子学系统对每个换能器施加时间延迟或相位调制。这种精确的时序控制使得从不同位置的换能器发射出的子波束在空间中发生干涉，从而可以在特定方向上形成增强的、聚焦的波束，同时抑制其他方向的信号。通过改变各换能器激发信号的时间延迟，就可以实现对声束方向的动态调整，如同一个“电子透镜”一样控制超声波的传播路径。此外相控阵技术能够实现声束的聚焦，即将在特定深度和位置的反射信号集中起来，提高信噪比和分辨力。通过组合不同角度的聚焦声束数据，可以构建出被测物体的二维或三维声学内容像，揭示内部的缺陷特征、结构信息以及材料性质。（2）主要优势超声波相控阵检测技术相较于传统超声检测方法，具有以下几个显著优势：灵活的波束控制能力:能够动态调整声束的传播方向、聚焦位置和聚焦深度，便于对复杂几何形状的工件进行检测，特别是可实现对焊缝、管材等长距离表面的远程扫描。高的检测灵敏度和分辨率:声束聚焦可以显著提高缺陷检测的灵敏度和对缺陷尺寸的分辨能力。丰富的信息获取方式:可采用多种数据采集模式，如全矩阵捕获（FullMatrixCapture,FMC）技术，能够一次性采集阵列中所有换能器之间两两组合的声时或相位信息，为后续的内容像形成和模式识别提供了极大的数据维度和灵活性，支持多种成像算法（如孔径合成、偏移聚焦、全聚焦方法等）。自动化和智能化潜力:易于与自动化扫查系统、计算机辅助设计（CAD）模型结合，实现高效、重复性的自动化检测，并能集成先进信号处理和模式识别算法，提高缺陷识别的准确性和效率。（3）技术组成与参数典型的超声波相控阵系统主要包含以下几部分：换能器阵列(TransducerArray):由多个（通常是16个或更多）独立的压电换能器紧密排列组成，可以是线性、平面、曲面或球面等形式，其中心距（Center-to-CenterSpacing,C2C）和晶片尺寸是阵列设计的关键参数。不同的阵列形式及其几何参数会影响波束的传播特性和成像能力。脉冲发生器与接收器(PulseGeneratorandReceiver):用于产生多个独立的时序控制信号，激励阵列中的各个换能器，并同时接收来自被测物体的回波信号。现代系统通常集成了T/R（Transmit/Receive）开关或使用多通道同步技术。数据采集系统(DataAcquisitionSystem):以高采样率和精度采集来自阵列各个通道的回波数据。对于FMC模式，则需要高速的数据采集卡来一次性获取整个矩阵的原始数据。信号处理单元(SignalProcessor):负责执行各种信号处理算法，如波束形成、聚焦、降噪、模式识别等，最终提取有用的检测信息。关键性能参数：参数(Parameter)说明(Description)影响(Influence)中心距(C2C)换能器单元中心点之间的距离。决定波束宽度、分辨率和覆盖范围。通常C2C越小，纵向分辨率越高，但横向分辨率可能受限制。晶片尺寸(ElementSize)单个压电晶片的物理尺寸。影响换能器的带宽和频率响应。通常晶片尺寸越小，带宽越宽，频率越高。频率(Frequency)使用的超声波频率。影响穿透深度和分辨率（频率越高，穿透越浅，但分辨率越高；频率越低，穿透越深）。矩阵大小(MatrixSize)阵列中换能器的数量(MxN)。决定可获取的多种波束控制角度的数量，直接影响成像质量和数据处理量。波束形式(BeamFormingModes)如线性(LinearSweep),SectorialSector(sectorialscan),AngleScan等。定义声束扫查的方式和能力。聚焦方式(FocusingMethod)如偏移聚焦(OffsetFocus),单点聚焦(SinglePointFocus),全聚焦(FullFocusFrame)等。影响聚焦点的精度和检测深度。扫查模式(ScanningPattern)手动、机械扫查、自摆动或在线扫查。决定检测效率和覆盖率。总结而言，超声波相控阵技术通过其灵活的波束控制和丰富的信息获取能力，克服了传统超声检测在复杂结构检测、自动化和深度分辨率方面的诸多局限，为工业无损检测领域带来了革命性的变化。深刻理解其基本原理、优势及关键参数对于认识该技术并推动其在各领域的深入应用至关重要。接下来本节将重点介绍该技术在近年来取得的主要新进展。1.1.1技术基本原理超声波相控阵检测技术是一种基于超声波相控阵原理的非破坏性检测方法，它利用多个换能器按照一定的相位关系排列在一起，形成一个具有特定指向性和分辨率的波束。当探头接收到激励信号后，这些换能器会同时发射超声波，形成一个密集的声波场。由于相位的精确控制，声波场在空间上呈现出特定的传播模式，从而使检测系统能够准确地获取物体内部的结构信息。以下是超声波相控阵检测技术的基本原理：（1）传播过程中的叠加原理在超声波相控阵检测中，多个换能器同时发射的超声波在介质中传播，并在传播过程中相互叠加。根据波的叠加原理，叠加后的声场强度与各个换能器发射的声波强度、相位和传播路径有关。通过调节换能器的相位，可以控制声波场的传播方向和能量分布，实现对物体内部结构的精确检测。（2）相控阵的相位控制为了实现精确的相位控制，通常采用电子扫描技术。电子扫描技术通过计算机控制换能器的驱动电压，使得每个换能器在不同时间收到相应的相位差的激励信号。这样声波场在空间上的传播模式可以根据需要进行调整，从而实现对物体不同深度和方向的结构信息的获取。（3）季节性伪距和距离分辨率在超声波相控阵检测中，距离分辨率受季节性伪距的影响。季节性伪距是由于声波在传播过程中受到介质密度、温度和压力变化的影响而产生的附加距离误差。为了提高距离分辨率，可以通过提高电子扫描频率、优化波动方程和采用先进的波束形成算法等方法来减小季节性伪距的影响。（4）波束形成和聚焦通过电子扫描技术和先进的波束形成算法，可以将多个换能器发射的超声波聚焦在一个特定的区域，从而提高检测系统的空间分辨率。波束聚焦可以减小检测范围内的噪声干扰，使得目标信号更加清晰。（5）数据采集与处理超声波相控阵检测系统需要对采集到的信号进行预处理、特征提取和内容像重建等处理。预处理包括滤波、放大和去噪等操作，以去除噪声和提高信号的信噪比；特征提取包括峰值检测、边缘检测和形状识别等操作，以提取目标信号的特征；内容像重建则根据波束形成的原理，将离散的声波信号转换为直观的内容像，以便对物体内部结构进行可视化分析。超声波相控阵检测技术通过精确的相位控制、电子扫描技术和先进的波束形成算法，实现了对物体内部结构的非破坏性、高精度和高分辨率的检测。这种技术在航空航天、机械制造、船舶制造等领域具有广泛的应用前景。1.1.2技术发展历程超声波相控阵检测技术作为无损检测领域的重要发展方向，其发展历程可大致分为以下几个阶段：起步阶段（20世纪60年代-80年代）在技术起步阶段，超声波相控阵检测主要基于单个换能器进行检测。这一时期的主要特点是，技术理论研究相对匮乏，设备功能性有限，且成本高昂，限制了其在实际工业中的广泛应用。此阶段的代表性技术包括：单阵元检测技术：利用单一的压电晶片产生和接收超声波信号，通过简单的时差法测量材料内部的缺陷信息。早期矩阵阵列技术：通过增加阵元数量，初步实现了对检测区域的多角度探测，但阵元间距大，刷新率低。代表性公式为：v其中v为超声波在介质中的传播速度，L为超声波传播距离，t为超声波传播时间。发展阶段（20世纪90年代-2000年代）进入20世纪90年代后，随着计算机技术和电子技术的发展，超声波相控阵检测技术进入快速发展阶段。这一时期的主要特点是通过控制阵元激励信号的相位差，实现了波束的电子控制，即相控技术。相控阵技术：通过控制多个阵元的激励信号相位，实现波束的电子控制，从而实现对检测区域的多角度、实时探测。信号处理技术：引入数字信号处理技术，提高了信号的信噪比和分辨率。代表性公式为：het其中hetamax为最高可探测角度，c为超声波在介质中的传播速度，v为阵元间距，成熟阶段（21世纪至今）进入21世纪后，超声波相控阵检测技术进一步发展成熟，并开始在工业领域得到广泛应用。这一时期的主要特点是技术理论研究的进一步深入，设备的小型化、智能化，以及与其他检测技术的融合。全矩阵捕获（FullMatrixCapture,FMC）技术：通过捕获全矩阵的回波数据，实现超高分辨率的缺陷成像。人工智能与机器学习：结合人工智能与机器学习技术，实现缺陷的自动识别和分类。多模态检测：将超声波相控阵检测技术与其他检测技术（如X射线、红外热成像等）相结合，实现多模态综合检测。代表性应用包括：应用领域具体应用航空航天飞机发动机叶片检测船舶工业船舶结构检测能源电力核电站压力容器检测汽车制造部件的无损检测1.2超声波相控阵检测技术优势分析相控阵技术不仅保留了传统超声检测的自容性、非侵入性等优点，而且通过相控阵技术对声波的空间相位、发射和接收以及褶积处理等进行控制，实现了对缺陷或材料内部结构的精密检查。相控阵检测技术在检测深度、角度探测、斑点缺陷检测、裂纹定位、检测系统便携性及检测速度等方面具有明显优势。检测深度与检测范围参数优势检测深度相控阵技术通过控制声波的声束特性，可以可以有效提升检测深度检测范围可以通过改变声束扫查角度扫描更大的检测区域角度探测能力参数优势角度探测相控阵探头具有通过改变延迟实现声束角度调整的能力，可以进行多角度检测，提高检测覆盖率检测盲区减少检测盲区，提高检测灵敏度检测中小型缺陷的能力参数优势小型缺陷检测相控阵技术可以通过小角度声束探测，检测小型缺陷检测精度较高的检测精度和分辨率，尤其是对于材料内部细微的缺陷系统便携性与检测速度参数优势系统便携性相控阵检测系统体积较小、重量轻便，便携手持，适合现场应用检测速度通过同时发射多声束以及声波数字聚焦技术，相控阵检测速度较快，提高了检测效率使用相控阵检测技术，可以更全面地节日材料内部的缺陷情况，提高检测可靠性，同时提升了检测工作的效率和便携性。1.2.1相比传统超声的优势相比传统超声检测技术，超声波相控阵检测技术（PhasedArrayUltrasonicTesting,PAUT）在检测效率、数据质量、诊断精度等方面具有显著优势。以下是详细对比：探头结构与检测灵活性传统超声探头通常采用单一晶片或简单组合，而相控阵探头由多个独立驱动的小晶片组成，通过电子方式独立控制每个晶片的激发时间（相位差）。这种结构使得PAUT在检测方向和聚焦区域上具有更高的灵活性，具体优势如下：特性传统超声(TUT)相控阵超声(PAUT)探头晶片数量少（通常1-4片）多（通常XXX片或更多）扫描方式机械旋转或手动电子切换，无机械运动检测角度范围固定或有限可调可实时调整（±70°甚至更大）扫描效率低，扫描时间长高，数字化数据快速采集聚焦能力与分辨率相控阵技术通过控制各晶片激发的相位差，可实现对特定深度区域的动态聚焦，其聚焦深度和精度可通过公式计算：Tfocusλ为超声波在介质中的波长heta与传统超声单点聚焦相比，PAUT可实现焦斑尺寸持续减小（如公式所示），典型焦斑尺寸可小至50μm，大幅提升缺陷检测的分辨率。◉聚焦能力对比聚焦方式传统超声相控阵超声焦点数量单一焦点多个可调焦点扫描范围固定全程动态调整聚焦深度有限可达到1.5米及以上多通道并行处理能力相控阵系统可采用多通道并行处理技术，每个通道负责不同晶片组的控制与数据采集。这种架构不仅提高了检测速度，还可实现：多角度实时成像（PAUT成像）缺陷三维重构偏移波检测（O-scatter检测）◉数据处理效率对比参数传统超声相控阵超声数据采集速率XXX点/秒1000-10,000点/秒通道数1-4XXX成像时间（典型）5-10分钟/区域30秒-2分钟/区域自动化与智能化检测PAUT技术可与自动化‘,’.scanning设备集成，通过预置程序实现：预扫描畸变校准自动缺陷识别（基于AI算法）剩余强度预测这种全流程自动化大幅降低了人为误差，提高了检测的一次合格率。◉应用场景扩展由于以上优势，相控阵超声已从常规材料力学检测扩展至以下领域：能源管道应力腐蚀裂纹监测（偏移波模式）航空航天复合材料层合缺陷成像生物医学心脏瓣膜血流动力学成像相控阵检测技术的优势为其在高端制造与安全监测领域的广泛应用奠定了技术基础。1.2.2在工业检测中的应用价值在工业检测领域，超声波相控阵检测技术凭借其独特的优势，展现出极高的应用价值。以下是其在工业检测中的主要应用价值和特点：1）高效、精确的缺陷检测超声波相控阵技术可以实现对材料内部缺陷的高精度检测，通过调整波束的方向和聚焦点，相控阵技术能够精确地定位微小缺陷，如裂纹、气孔等。相较于传统检测技术，相控阵技术检测效率更高，准确性更好。2）非接触式检测超声波相控阵检测是一种非接触式检测技术，可以在不损伤被测材料表面的情况下进行检测。这一特点使得它在高温、高压、高腐蚀等恶劣环境下的工业检测中具有显著优势。◉（3a）灵活的扫描模式超声波相控阵技术具有灵活的扫描模式，可以通过改变波束的方向和角度，实现对复杂形状工件的全面检测。这一特点使得相控阵技术在复杂工业部件的检测中具有广泛应用价值。◉（3b）可视化成像通过先进的处理软件，超声波相控阵技术可以实现检测结果的可视化成像。这一特点使得检测结果更加直观，便于分析和理解。同时可视化成像还可以用于实时监控，提高工业生产的安全性和效率。4）成本效益分析尽管超声波相控阵技术的初期投资可能较高，但由于其高效、精确的检测结果，可以降低误判和返工率，从而降低成本。此外由于相控阵技术的灵活性和适应性，它可以应用于多种工业检测领域，提高了其在不同行业中的成本效益。◉应用价值表格应用价值点描述高效、精确的缺陷检测通过调整波束方向和聚焦点，实现对微小缺陷的高精度定位。非接触式检测在不损伤被测材料表面的情况下进行检测，适用于恶劣环境。灵活的扫描模式可改变波束方向和角度，适应复杂形状工件的全面检测。可视化成像通过处理软件实现检测结果的可视化成像，便于分析和实时监控。成本效益分析虽然初期投资较高，但高效的检测结果降低了误判和返工率，提高了在不同行业中的成本效益。超声波相控阵检测技术在工业检测领域具有广泛的应用价值，为工业生产的安全性和效率提供了有力支持。1.3本文档研究目的与意义随着科技的不断发展，超声波相控阵检测技术在工业、医疗、安防等领域的应用越来越广泛。为了更好地推动该技术的发展，本文将探讨超声波相控阵检测技术的新进展及其在各领域的应用。（1）研究目的本文档的研究目的主要有以下几点：总结现有研究成果：通过对已有文献的分析，梳理超声波相控阵检测技术的最新进展，为后续研究提供参考。分析技术瓶颈：针对当前超声波相控阵检测技术存在的问题，提出解决方案，促进技术的进一步发展。展望未来发展趋势：结合当前科技发展趋势，预测超声波相控阵检测技术的未来发展方向，为相关领域的研究和应用提供指导。（2）研究意义本文档的研究具有以下意义：提高检测效率：通过研究超声波相控阵检测技术的新进展，可以为实际应用提供更高效的检测手段，提高生产效率。拓展应用领域：本文的研究成果可以为超声波相控阵检测技术在更多领域的应用提供理论支持和技术指导，推动技术的普及和发展。促进学科交叉：超声波相控阵检测技术涉及多个学科领域，本文的研究将有助于促进相关学科的交叉融合，为解决复杂问题提供新的思路和方法。培养专业人才：通过对超声波相控阵检测技术的深入研究，可以培养更多具备专业知识和技能的人才，为相关领域的发展提供人才支持。本文档旨在通过对超声波相控阵检测技术的新进展及其应用的探讨，为相关领域的研究和应用提供有益的参考和指导。2.超声波相控阵检测技术核心原理超声波相控阵检测技术（UltrasonicPhasedArrayTesting,UT-A）是一种先进的非破坏性检测方法，其核心在于利用电子控制器对多个超声发射器和接收器（即阵元）进行独立控制，通过调整各阵元发射信号的时间延迟或相位差，形成指向性可控的超声波束，实现对被检物体的精确扫描和成像。与传统的单一探头检测相比，相控阵技术具有扫描效率高、分辨率高、灵活性强、可进行全矩阵捕捉（FullMatrixCapture,FMC）成像等诸多优势。（1）基本组成典型的超声波相控阵系统主要由以下部分组成：阵元阵列（TransducerArray）：由多个（通常为16个以上）独立的压电晶片组成，这些晶片排列成一行或二维阵列。电子控制器（ElectronicControlUnit）：核心处理单元，负责接收操作员的指令，生成发射信号，并根据预设的延迟时间/相位差，精确地控制每个阵元的激励时序。信号发生器（SignalGenerator）：产生特定频率的超声脉冲信号。接收放大器（ReceiverAmplifier）：放大从被检物体反射回来的微弱超声信号。数据采集系统（DataAcquisitionSystem）：高速采集来自所有阵元的回波信号。处理与成像软件（ProcessingandImagingSoftware）：对采集到的全矩阵数据进行处理，生成各种缺陷内容像（如A扫描、B扫描、C扫描、S扫描等）和定量评估结果。（2）相控阵波束形成原理相控阵技术的核心在于波束形成（Beamforming），特别是电子波束形成（ElectronicBeamforming）。其基本原理可以类比声学中的扬声器阵列或光学中的透镜聚焦。假设一个一维线性相控阵包含N个沿x轴等间距排列的阵元，阵元中心间距为d。每个阵元的坐标可表示为(id,0)，其中i=0,1,2,...,N-1。当向被检物体发射超声波时，理想情况下，每个阵元都会向特定方向辐射球面波。为了使所有阵元辐射的子波在空间某一点P(x_p,z_p)处同相叠加，形成一个指向该点的窄波束，必须对每个阵元的信号施加一个特定的时间延迟（TimeDelay）τ_i。2.1时间延迟计算对于阵元i，其到目标点P的声程R_i为：R_i=sqrt((x_p-id)^2+z_p^2)假设超声波在介质中的传播速度为c，则阵元i的信号需要延迟的时间τ_i为：τ_i=R_i/c=sqrt((x_p-id)^2+z_p^2)/c通过引入相位延迟（PhaseDelay）φ_i，可以避免计算平方根，简化处理：φ_i=2πR_i/λ=2πsqrt((x_p-id)^2+z_p^2)/λ其中λ是超声波在介质中的波长(λ=c/f,f为频率)。相位延迟与时间延迟的关系为：τ_i=φ_i/(2πf)2.2波束形成方程在目标点P处，来自所有阵元i的信号s_i(t)叠加。为形成指向P的波束，需对所有阵元信号施加相位φ_i或时间延迟τ_i。令s(t)为激励信号，则阵元i在P点产生的信号为：s_i(t-τ_i)=s(t-τ_i)exp(-j2πfτ_i)=s(t-τ_i)exp(-jφ_i)在t=T时刻（假设所有信号叠加），总信号S_T为：S_T=sum_{i=0}^{N-1}s_i(T-τ_i)=sum_{i=0}^{N-1}s(T-τ_i)exp(-jφ_i)如果激励信号s(t)是一个宽度为T_s的脉冲，则在T_s时间内，s(T-τ_i)=1，则：S_T=sum_{i=0}^{N-1}exp(-jφ_i)通过调整相位φ_i，可以使S_T在空间某点达到最大值。例如，当所有阵元相位相同(φ_i=0)时，信号同相叠加，波束在阵列的法线方向(x_p=0)最大。当引入时间延迟τ_i，使得exp(-jφ_i)=exp(-j2πdsin(θ)/λ)时，波束会指向角度θ方向。波束最大值条件：当exp(-jφ_i)形成一个复数向量阵列，其矢量和最大时，波束指向该方向。对于等间隔线性阵列，当满足：sum_{i=0}^{N-1}exp(-jφ_i)=sum_{i=0}^{N-1}exp(-j2πidsin(θ)/λ)=exp(-j(N-1)πsin(θ)/λ)sum_{n=-floor(N/2)}^{floor(N/2)-1}exp(-j2πndsin(θ)/λ)如果选择sin(θ)=λ/(2d)，则内部求和项sum_{n=-floor(N/2)}^{floor(N/2)-1}exp(-j2πnλ/(2d^2))为N项（如果N为偶数）或接近N项（如果N为奇数），其和趋于最大值N（或接近N）。2.3全矩阵捕捉(FMC)相控阵最强大的功能之一是FMC技术。在FMC中，不是只形成一个固定的波束，而是通过快速切换不同的延迟组合，一次性采集来自所有N个发射阵元到所有N个接收阵元之间，在所有可能角度θ和深度z处的声学信息（即回波数据）。这会生成一个包含NN个独立通道的庞大数据矩阵（FullMatrix）。通过对这个庞大的矩阵数据进行后处理和成像，可以获得被检物体内部结构的二维（B扫描）、三维（C扫描、S扫描）甚至四维（包含时间信息）的高分辨率内容像，能够更全面、更直观地定位和评估缺陷。（3）主要优势总结基于上述原理，超声波相控阵检测技术相较于传统超声检测具有以下核心优势：特性相控阵技术(UT-A)传统超声检测(UT-T)波束控制电子控制，方向、聚焦点、焦点深度均可灵活调整机械转动/倾斜探头，控制相对固定检测效率扫描速度快，可一次性获取大量数据（FMC）扫描速度慢，逐点或逐线采集分辨率高空间分辨率（横向、厚度方向），高轴向分辨率较低空间分辨率成像能力可生成B,C,S等多种模式内容像，实现三维可视化通常只生成A扫描，或简单的B扫描复杂结构检测对焊缝根部、角落、曲面等复杂区域检测能力强检测效果受探头耦合和角度影响大数据量数据量巨大（FMC），需要强大的数据处理能力数据量相对较小灵活性可通过软件轻松改变检测策略和成像方式探头和角度选择需物理操作超声波相控阵检测技术的核心原理在于利用电子学手段精确控制阵列中各阵元的信号发射时序或相位，实现声束的灵活控制、高分辨率成像以及高效的数据采集，从而极大地扩展了超声检测的应用范围和性能。2.1相控阵基本概念介绍◉相控阵天线◉定义相控阵天线是一种利用电子技术实现相位控制的天线阵列，它通过调整各个发射单元的相位差，使得天线波束指向任意方向，从而实现定向扫描和波束形成等功能。◉组成相控阵天线通常由多个发射单元（如喇叭、缝隙等）组成，每个发射单元都可以独立控制其相位。此外还可能包括接收单元、信号处理单元等辅助设备。◉工作原理相控阵天线的工作原理是通过调整各个发射单元的相位差来实现波束指向。具体来说，当某个发射单元被激活时，它的相位与相邻发射单元的相位差为0；当某个发射单元被关闭时，它的相位与相邻发射单元的相位差为90度。通过不断调整这些相位差，可以实现对波束指向的精确控制。◉优势相控阵天线具有以下优势：灵活性高：可以灵活地改变波束指向，适应不同的应用场景。增益高：由于采用了相控阵技术，可以提高天线的增益，从而提高通信质量和传输速率。抗干扰能力强：相控阵天线可以通过调整波束指向，将干扰信号隔离到其他方向，提高系统的抗干扰能力。◉相控阵雷达◉定义相控阵雷达是一种利用相控阵天线进行目标检测和跟踪的雷达系统。它通过调整波束指向，实现对目标的快速定位和跟踪。◉组成相控阵雷达通常由天线阵列、信号处理单元、控制单元等部分组成。天线阵列是相控阵雷达的核心部分，它由多个相控阵天线组成。信号处理单元负责对接收到的信号进行处理和分析，提取目标信息。控制单元则负责根据信号处理单元的分析结果，调整波束指向，实现对目标的快速定位和跟踪。◉工作原理相控阵雷达的工作原理是通过调整波束指向，实现对目标的快速定位和跟踪。具体来说，当雷达发射信号并接收回波时，信号处理单元会提取出目标回波信号。然后控制单元会根据信号处理单元的分析结果，调整波束指向，使得雷达能够快速准确地定位到目标。最后通过进一步处理和分析，可以实现对目标的跟踪和测量。◉优势相控阵雷达具有以下优势：快速响应：由于采用了相控阵技术，相控阵雷达可以在短时间内完成对目标的定位和跟踪，提高了雷达的响应速度。抗干扰能力强：由于采用了相控阵技术，相控阵雷达可以将干扰信号隔离到其他方向，提高了系统的抗干扰能力。多目标跟踪：相控阵雷达可以通过调整波束指向，实现对多个目标的同时跟踪和测量。◉相控阵声纳◉定义相控阵声纳是一种利用相控阵天线进行水下探测和导航的声纳系统。它通过调整波束指向，实现对水下目标的快速定位和跟踪。◉组成相控阵声纳通常由天线阵列、信号处理单元、控制单元等部分组成。天线阵列是相控阵声纳的核心部分，它由多个相控阵天线组成。信号处理单元负责对接收到的声纳信号进行处理和分析，提取目标信息。控制单元则负责根据信号处理单元的分析结果，调整波束指向，实现对水下目标的快速定位和跟踪。◉工作原理相控阵声纳的工作原理是通过调整波束指向，实现对水下目标的快速定位和跟踪。具体来说，当声纳发射声波并接收回波时，信号处理单元会提取出目标回波信号。然后控制单元会根据信号处理单元的分析结果，调整波束指向，使得声纳能够快速准确地定位到目标。最后通过进一步处理和分析，可以实现对水下目标的跟踪和测量。◉优势相控阵声纳具有以下优势：高精度定位：由于采用了相控阵技术，相控阵声纳可以实现对水下目标的高精度定位。抗干扰能力强：由于采用了相控阵技术，相控阵声纳可以将干扰信号隔离到其他方向，提高了系统的抗干扰能力。多目标跟踪：相控阵声纳可以通过调整波束指向，实现对多个目标的同时跟踪和测量。2.1.1探头结构组成超声波相控阵探头（PhasedArrayUltrasonicTransducer,PAUT）的结构通常由以下几个核心部分组成：压电换能器阵、阵元驱动电路、延迟线、水楔、保护膜和外壳等。这些部分协同工作，实现超声波的产生、控制、传输和接收。以下是各组成部分的详细说明：（1）压电换能器阵压电换能器阵是相控阵探头的核心，负责将电信号转换为超声声波或反之。通常由多个独立的压电晶片（TransducerElements）构成，这些晶片按一定阵列排列。每个晶片均可独立驱动，从而实现波束的电子控制。压电材料常用的压电材料包括铍钛酸铅（PZT）、锍钛酸铅（PZT）及其改性材料。压电材料的性能由其压电系数（PiezoelectricConstants）决定，常见的压电系数包括：dij：机电耦合系数，描述电压变化引起的应变。eki：机电耦合系数，描述应变变化引起的电压。晶片阵列晶片阵列的排列方式通常为矩形（Rectangular）或线性（Linear）。阵列的参数包括：M:水平方向晶片数N:垂直方向晶片数d:晶片间距假设阵列大小为M×N，则总晶片数为Nelements=MimesNx公式中，( mod （2）阵元驱动电路阵元驱动电路用于为每个压电晶片提供独立的电信号，控制其电压或电流。常见的驱动方式包括：电压驱动：为每个晶片施加不同的电压。电流驱动：为每个晶片提供不同的电流。驱动电路的典型结构包含：信号发生器：产生所需频率的脉冲信号。功率放大器：将信号放大到驱动压电晶片所需的功率。数字到模拟转换器（DAC）：将数字延迟信号转换为模拟电压信号。（3）延迟线延迟线用于对每个阵元信号施加不同的时间延迟，从而实现波束的电子偏转。延迟线的实现方式包括：数字延迟线：通过数字处理实现延迟。模拟延迟线：通过电阻或电容网络实现延迟。假设某个阵元的延迟时间为aui，则其延迟电压V其中ω为角频率。（4）水楔水楔（Wedge）用于将超声波从压电晶片耦合到被检测物体中。水楔的材料通常为有机玻璃（PMMA）或陶瓷，其作用包括：声透镜：聚焦超声波。耦合介质：减少声阻抗失配。水楔的几何形状和材料选择会影响声束的聚焦特性和传播损耗。（5）保护膜保护膜位于探头最前端，用于保护压电晶片和后续部分不受损伤。保护膜通常为薄金属膜（如不锈钢），具有良好的声阻抗匹配性能。（6）外壳外壳用于保护整个探头的结构和各部分组件，防止外界环境的干扰和损伤。外壳材料通常为金属或聚合物，具有良好的密封性和耐腐蚀性。总结以上各部分，超声波相控阵探头的整体结构示意内容如下：组成部分功能材料压电换能器阵产生和接收超声波PZT,PZT改型阵元驱动电路独立驱动每个晶片信号发生器,功放延迟线施加时间延迟控制波束方向电阻/电容网络或数字电路水楔耦合超声波到被检物体PMMA,陶瓷保护膜保护晶片不锈钢外壳保护探头结构和组件金属,聚合物通过以上各部分的协同工作，超声波相控阵探头能够实现对超声波的精确控制，从而在无损检测领域发挥重要作用。2.1.2发射与接收机制超声波相控阵检测技术中的发射与接收机制是实现精确检测和成像的关键环节。在本节中，我们将详细介绍发射和接收的过程以及所涉及的关键技术。（1）发射机制超声波相控阵的发射过程主要包括以下几个步骤：信号源：首先，需要一个适合产生连续波或脉冲波的信号源。常用的信号源有压电晶体振荡器、音圈等。这些信号源产生的信号频率和幅度可以根据检测需求进行调节。波束形成：将信号源产生的信号馈入到阵列中的各个压电元件（例如压电晶片）上。通过控制各个元件的驱动电压或电流，可以控制信号在阵列中的传播方向和相位，从而形成具有一定形状和焦点的超声波波束。波束控制：为了实现空间的扫描和聚焦，需要使用数字信号处理器（DSP）或其他控制电路来控制各个压电元件的驱动信号。这可以通过调整驱动信号的时序和幅度来实现，常见的波束控制方法有线性相位控制、振幅调制等。（2）接收机制超声波相控阵的接收过程主要包括以下几个步骤：信号接收：将超声波在目标物体表面反射后的回波信号收集到阵列中的各个压电元件上。信号放大：将接收到的微弱信号放大，以便进一步处理。这通常通过前置放大器、匹配网络等电路实现。波束成形：与发射过程类似，接收到的信号也需要经过波束成形，以便将接收到的信号转换为具有特定形状和焦点的电信号。信号处理：将波束形成的电信号转换为数字信号，并进行信号处理，例如滤波、整形等。这些处理有助于提高信号的质量和分辨率。以下是一个简单的发射与接收过程的数学模型：发射信号表示为：s(t)=Asin(2πft+φ)其中A是振幅，f是频率，t是时间，φ是相位。接收到的回波信号表示为：r(t)=r(t)e^(-2πtfφ’)sin(2πf’t)其中r(t’)是目标物体的反射系数，φ’是反射角的函数。通过解离复数指数项，可以得到接收到的信号与发射信号之间的相位差：δφ=φ-φ’通过测量相位差，可以计算出目标物体与探头之间的距离和方向。此外还可以通过叠加接收到的信号来获得目标物体的二维或三维内容像。为了进一步展示超声波相控阵检测技术的应用，这里举两个具体的例子：工业检测：超声波相控阵检测技术广泛应用于工业领域，例如金属材料的无损检测、管道检测等。在这些应用中，需要检测材料内部的缺陷和裂纹。通过发射超声波并在材料表面反射后的回波信号进行处理，可以准确地判断材料的质量和性能。医学影像：超声波相控阵检测技术也被应用于医学领域，例如超声成像。在医学成像中，发射超声波并探测到人体组织的反射信号，可以生成内容像，用于诊断疾病和观察组织结构。例如，超声造影技术可以利用微泡或造影剂来实现更清晰的成像。超声波相控阵检测技术具有高的分辨率和灵敏度，可以在各种应用中实现精确的检测和成像。在发射与接收机制方面，采用了先进的信号处理和控制技术，以确保信号的精确传播和高质量的处理。2.2波束控制技术详解波束控制技术是超声波相控阵检测技术中的核心部分，它通过精确控制声波的发射和接收，实现了对检测区域的细化、高频化和聚焦化，从而提高了检测的分辨率和灵敏度。波束控制技术主要包括以下几个方面：延时补偿：超声波的行进速度在不同介质中会有差异，为了保证各发射通道信号的时间同步性，需要对每个发射通道的信号进行延时补偿。补偿的延迟量可以通过预先标定每个通道与探头相对位置的延时来确定，必要时还需兼顾声速在探头下方介质中的变化。相位控制：相控阵检测技术的核心在于通过调整各发射通道信号的相位来控制声波的合成波形，实现声波的聚焦与偏转。相位调整的最小步长单位为波长的1/4，通过计算和控制，多个发射通道之间的相位差精确到该步长单位。声束成形：相控阵探头由多个微小单元组成，每个单元产生相应方向的声波。通过调节每个单元的驱动时间，可以形成以探测距离和方向为变量的聚焦波束，实现对特定区域的高分辨率和深穿透检测。动态聚焦：动态聚焦技术允许在探查到不同深度、大小的缺陷时，自动调整声束的聚焦位置，从而提高对深层缺陷的检出率。通过数字信号处理，根据检测深度信息动态调节各通道的延时，实现动态聚焦。多通道激励与接收：在相控阵系统中，多通道激励技术可以提高系统的工作频率，改善信噪比。对于接收信号，通过多通道接收和信号处理技术可以增强解析度，检测细小的缺陷特征。波束控制技术的改善和创新推动了超声波相控阵检测的发展，使其在现代无损检测中发挥着越来越重要的作用。这些技术的不断进步也促进了超声波相控阵设备性能的提升，为各种材料和结构的安全与质量提供可靠保障。通过合理运用波束控制技术，可以极大地提高超声波相控阵检测的可靠性、准确性和检测效率。随着技术的进一步发展，波束控制技术将会进一步精细化，使得该技术在实际应用中能够更加精确地定位和量化缺陷。2.2.1波束形成方法波束形成（Beamforming）是超声波相控阵检测技术中的核心环节，其基本原理通过调整阵元上的激励信号的时延和幅度，将声能聚焦到特定的检测区域，从而提高检测灵敏度和分辨率。根据信号处理方式和应用场景的不同，波束形成方法主要可分为传统波束形成、自适应波束形成和智能波束形成三大类。（1）传统波束形成传统波束形成是最基础的波束合成技术，通常采用固定的相控策略，通过计算每个阵元信号的线性组合来实现波束steerig。其数学模型可表示为：s其中：stN是阵元总数ant是第xnt是第相位加权是传统波束形成的关键技术，通过对不同阵元信号施加特定的相位延迟ϕnϕ其中：dn是第nheta是聚焦角度c是超声波在介质中的传播速度【表】展示了不同阵型（线性、矩形、圆形）的传统波束形成性能比较：阵型分辨率方向性实时性线性中等较高较高矩形高高中等圆形中等中等高（2）自适应波束形成自适应波束形成能够根据环境噪声和目标特性动态调整权重系数，具有更好的噪声抑制能力和目标检测性能。常用的自适应算法包括：最小方差无干噪比（MVDR）：该算法通过最小化信号方差同时保持噪声功率恒定，实现干扰抑制。其优化目标函数为：min其中：w是权重向量z是接收信号向量Rw恒定模量（CMV）：适用于相干信号处理，通过保持输出信号模值恒定来实现波束聚焦。自适应波束形成的优势在于能够适应动态变化的环境，但其计算复杂度较高，实时性受限。（3）智能波束形成智能波束形成结合了深度学习和人工智能技术，通过神经网络模型自动学习信号特征和权重分配，在复杂环境下展现出更优异的性能。主要应用包括：深度波束形成：通过卷积神经网络（CNN）自动提取时空特征，实现端到端的波束合成强化学习波束形成：通过与环境交互优化权重分配，适应非线性场景智能波束形成技术的挑战在于需要大量标注数据进行训练，但在特定应用中能够显著提升检测准确率和鲁棒性。未来，波束形成技术将朝着更高效率、更低功耗、更智能化方向发展，为超声波相控阵检测提供更强大的技术支撑。2.2.2扫描方式探讨超声波相控阵检测技术中的扫描方式有多种，每种扫描方式都有其独特的特点和应用场景。本文将对几种常见的扫描方式进行探讨。（1）arrayscanArrayscan是一种常用的扫描方式，它通过控制相控阵换能器的元件顺序和相位，使得超声波在检测物体上的传播路径发生改变，从而实现深度和幅值的调节。Arrayscan主要包括行扫描和列扫描两种方式。1.1行扫描行扫描是指相控阵换能器中的元件按照一定的顺序依次切换激发信号，使得超声波在检测物体上形成一条线状的波束。这种扫描方式适用于检测物体上的线状缺陷或者需要获取物体深度信息的情况。例如，在检测金属材料的内部结构时，可以使用行扫描方式来获取不同深度处的材料属性。1.2列扫描列扫描是指相控阵换能器中的元件同时切换激发信号，使得超声波在检测物体上形成一列状的波束。这种扫描方式适用于检测物体上的圆形或者椭圆形缺陷，以及需要获取物体横向尺寸的信息。例如，在检测金属板材的厚度时，可以使用列扫描方式来获得更精确的测量结果。（2）2Dscan2Dscan是通过组合行扫描和列扫描的方式，使得超声波在检测物体上形成二维的波束。这种扫描方式可以更全面地获取物体的信息，适用于检测物体上的各种形状和尺寸的缺陷。2Dscan可以分为线性扫描、扇形扫描和矩形扫描等多种方式。2.1线性扫描线性扫描是指相控阵换能器按照一定的顺序依次切换激发信号，同时改变发射角度，使得超声波在检测物体上形成一条线状的波束。这种扫描方式可以获得物体的二维平面内容像，适用于检测物体的表面缺陷。2.2扇形扫描扇形扫描是指相控阵换能器同时切换激发信号，并且改变发射角度，使得超声波在检测物体上形成一个扇形的波束。这种扫描方式可以获得物体的二维平面内容像，适用于检测物体上的大面积缺陷或者需要获取物体特定区域的详细信息。2.3矩形扫描矩形扫描是指相控阵换能器同时切换激发信号，并且改变发射角度和行扫描的步长，使得超声波在检测物体上形成一个矩形波束。这种扫描方式可以获得物体的整体内容像，适用于检测物体的整体结构。（3）3Dscan3Dscan是通过控制相控阵换能器的旋转速度和激发信号的顺序，使得超声波在检测物体上形成三维的波束。这种扫描方式可以获得物体的三维内容像，适用于检测物体的内部结构和形状。3Dscan可以分为切片扫描和旋转扫描等多种方式。2.1切片扫描切片扫描是指相控阵换能器按照一定的顺序旋转，并且每次旋转后进行行扫描或列扫描，从而获取物体的三维内容像。这种扫描方式可以获得物体的逐层内容像，适用于检测物体的厚度和内部结构。2.2旋转扫描旋转扫描是指相控阵换能器围绕物体中心旋转，并且每次旋转后进行行扫描或列扫描，从而获取物体的三维内容像。这种扫描方式可以获得物体的整体内容像，适用于检测物体的整体结构和形状。◉结论不同的扫描方式具有不同的特点和应用场景，选择合适的扫描方式可以提高超声波相控阵检测技术的效率和准确性。在实际应用中，需要根据检测对象的特性和需求来选择合适的扫描方式。2.3声场调控方法研究声场调控是超声波相控阵检测技术中的核心环节，其目的是通过精确控制阵列各阵元激励信号的相位和幅度，实现对检测区域内声场的灵活塑造。有效的声场调控能够提高检测灵敏度和分辨率，拓展探测器的工作模式，并增强对复杂结构的适应性。近年来，声场调控方法研究在理论创新与实践应用两方面均取得了显著进展。（1）相控阵波束形成技术波束形成是利用相控阵最基本也是最重要的调控手段，其基本原理是通过对阵列各阵元施加有特定相位和幅度关系的激励信号，使得在特定方向上的声压幅值得到增强（波束聚焦），而在其他方向上的声压得到抑制（波束抑制）。1.1线性相位编码最基础的波束形成方法是利用线性相位延迟，对于一维N阵元的相控阵，沿考察方向（例如x轴）设置角度θ，令相邻阵元间的固定延时为Δτ=-2Lsinθ/λ(L为阵元间距，λ为超声波波长)，则第i个阵元的激励信号可表示为：s经过FIR(FiniteImpulseResponse)滤波器处理后的输出信号Y(θ)为该角度θ方向的响应：Yai在理想情况下(采样满足抽样定理且无失真)，相邻阵元信号间的相位差为线性变化的，输出信号形成单一主波束。这种方法结构简单，计算量小，但波束宽度较宽，旁瓣电平较高。1.2优化波束形成方法为了克服传统线性相位编码方法的局限性，研究者们提出了多种优化波束形成算法定以提高波束质量：方法核心思想优点缺点广义线性相位(GLP)引入权重系数对相位谱进行加权，实现变带宽或变形状波束可调波束宽度、旁瓣/零陷性能相比标准线性相位计算复杂度增加频率不变波束形成(FIB)基于对多维相位进行非线性映射，使合成信号在多个频点上具有一致性大幅减少计算量，适用于宽带信号检测存在误差线性放大问题连续相位波束形成(CPB)通过Sinc函数等连续相位函数生成控制波束良好的分辨率和信噪比性能对硬件相位分辨率要求高自适应波束形成(ABF)利用信号统计特性或环境信息，在线调整权值或相位分布能够抑制干扰、聚焦于时变目标算法复杂度高，需要实时处理能力这些优化方法通过调整激励信号之间的相位关系，可以生成更窄的主波束、更低的旁瓣水平、更灵活的波束指向或形状，从而显著提升检测性能。（2）多波束技术多波束技术通过对相控阵多个驱动平面或通过人射角变换，在同一时间激励阵列的不同部分，同时形成多个独立的声束。这种方法将阵列划分为多个子阵，每个子阵可以独立控制其激发的波束方向，极大地提高了空间填充率和覆盖范围。2.1时间延迟和聚焦矩阵(TDFM)TDFM技术是典型的多波束实现方式，其基本原理是将相控阵分成MxN的网格，通过在每个矩形子阵内施加固定的延时来进行波束聚焦。第(i,j)个子阵的输出信号Y_ij可表示为：Y其中r_{mn}是从(m,n)子阵中心到探测点的距离。通过控制整个TDFM矩阵的时延，可以在空间中密集地布设声束。TDFM的主要优点是结构规整，易于实现；缺点是子阵数量与声道数量相乘，计算量随阵元数和子阵尺寸剧增，且波束在空间上分布不够灵活，难以形成任意形状的波束。2.2分层多波束作为TDFM的改进，分层多波束技术将阵列划分为沿深度方向的一组子阵，通过控制每个子阵的聚焦深度，实现声束在三维空间中的控制，特别适用于水下声纳和医学超声成像。（3）空间复数延迟阵(SCDA)空间复数延迟阵（SpatialComplexNumberDelayLine,SCDA）是一种先进的声场调控技术，它使用具有复数系数的数字延迟线或模拟电感电容网络，对每个阵列单元的激励信号进行独立的幅度和相位控制。H其中A_i和Φ_i分别代表第i个阵元的幅度和相位控制量。SCDA方法通过实时调整每个阵元激励的幅度和相位，可以实现：全相空间扫描：没有传统相控阵受限于最小角度分辨率的限制，可获得更窄的波束和更高的空间分辨率。任意形状波束：能够形成非线性、畸变或任意复杂形状的波束，以适应特定检测需求。动态波束整形：波束参数可以根据检测任务的需要实时、快速地改变，增强了检测的灵活性。SCDA技术的关键在于复杂的控制算法设计和高精度的幅度/相位调节器件。近年来，随着数字信号处理技术的发展和可编程器件成本的下降，SCDA在医疗超声、无损检测、声全息等领域展现出巨大的应用潜力。（4）基于学习/仿生的声场调控近年来，人工智能和仿生学思想也被引入声场调控研究，通过机器学习算法（如深度学习）或模拟生物听觉系统（如蝙蝠声呐、鲣鱼-Echo）的功能来优化声场分布或波束形成策略。深度学习波束形成：利用神经网络学习复杂的声场映射关系，实现更优化的波束质量和目标检测性能，尤其是在面对复杂噪声环境或多散射体场景时。仿生声学：模仿生物的声学系统，如使用分布式、自适应的阵列模拟蝙蝠的回声定位系统，研究如何实现高效的声源定位、目标识别和成像。◉未来发展方向声场调控方法的研究正从传统的固定算法朝着智能化、自适应和功能化的方向发展。未来的研究将更注重不同调控技术的融合应用、算法的实时实现效率、大规模阵列的控制策略以及软硬件的协同优化，旨在推动超声波相控阵检测技术在更高性能、更多功能层面上的突破，满足日益复杂的工业和科研应用需求。具体而言，智能优化算法、多模态声场协同、多功能波束集成（如检测、成像、测振一体化）以及低成本高性能调控器件的开发将是未来研究的重要方向。2.3.1声束聚焦特性超声波相控阵技术通过控制多个换能器单元的相位延迟，实现声束的动态聚焦。这一特性对于提高检测灵敏度和分辨率至关重要，以下是声束聚焦特性的详细介绍。◉声束聚焦的工作原理相控阵声束聚焦主要是通过调节各个换能器单元的发射时间来实现的。相控阵由多个换能器按照一定规则排列组成，这些换能器的大小和形状通常是一致的，但它们的发射时间可以独立控制。根据菲涅尔波带的概念，声波从多个换能器源散开后在空间中形成波带，这些波带交汇后可以相互干涉构建一个单一的焦点。例如，在二维相控阵中，相位控制使汇聚声波在距离阵列某一特定位置处汇聚为尖锐的焦点区域。◉声束聚焦的参数在进行声束聚焦时，需要考虑以下几个主要参数：孔径大小：孔径是指声波的发散区域，可以影响聚焦点的深度和大小。声波频率：频率越高，波长越短，聚焦点直径越小，但穿透深度也相应减小。声束入射角度：入射角度会影响声波的发散距离和聚焦深度，需要根据具体需求进行优化。相位器延迟量：通过精确调节每个换能器的延迟时间，可以优化声波的聚焦特性。◉声束聚焦的应用场景声束聚焦的主要应用场景包括：内部缺陷的检测：利用微小聚焦提高对构件内部小缺陷的敏感度。层间和界面检测：聚焦声波能够穿透不同材料层间，有效检测层间或界面间隙。发布会聚的宽波束：在大面积检测时可以通过调整相位，实现波束的宽度控制，以提高扫描速度。◉典型声束聚焦技术标准目前，在超声波相控阵检测中已形成了一套成熟的声束聚焦技术标准。例如：ASMEP92规范：对相控阵检测中声波的发射聚焦和接收聚焦进行了详细规定。ISOXXXX系列规范：涵盖了相控阵检测全过程的技术要求，包括声束聚焦。声束聚焦技术的发展不断推进，其精度和适用性也在不断提升。利用计算机辅助设计（CAD）下的模拟技术辅助优化声束聚焦设计是未来的发展方向之一。通过有效的声束聚焦，超声波相控阵检测可以更精确地定位和评估材料内部的缺陷情况，这在众多工业应用中都发挥着重要作用。未来的研究将继续深入优化声束聚焦特性，为更广泛的应用场景提供更可靠、更高效的检测方法。2.3.2声束偏转能力声束偏转能力是超声波相控阵检测技术中的一个核心优势，它允许操作者在检测过程中动态调整声束的方向和聚焦点，从而实现更灵活、更精确的检测。相控阵系统通过控制阵列中各个换能器单元的激励相位和幅度，可以合成出具有特定方向和形状的超声波束。这种能力对于检测复杂几何形状的部件以及实现多角度检测至关重要。（1）声束偏转原理声束偏转的基本原理基于惠更斯原理和波的相干叠加，对于由N个换能器组成的线性相控阵，每个换能器单元的激励信号可以表示为：s其中A是激励信号的幅度，f是频率，ϕi是第i个换能器的激励相位。通过调整各换能器的相位差Δϕ声束的偏转角heta可以通过以下公式近似计算：sin其中λ是超声波在介质中的波长，d是相邻换能器单元的中心距。（2）声束偏转能力的影响因素声束偏转能力主要受以下几个因素影响：相控阵尺寸：相控阵的尺寸越大，其理论上的最大偏转角度通常越大。换能器单元数量：更多换能器单元可以提供更平滑的波束偏转和更小的波束宽度。频率：较高频率的超声波具有更短的波长，可以实现更精细的波束控制。相位调整精度：相位调整的精度直接影响声束偏转的准确性和稳定性。（3）应用实例声束偏转能力在以下应用中具有重要价值：汽车部件检测：对于具有复杂内腔的汽车零部件，如发动机缸体、变速箱壳体等，声束偏转可以实现多角度入射，有效检测内部缺陷。航空航天结构检测：在飞机wing桁架、机身蒙皮等部件的检测中，声束偏转可以避开大面积的平滑表面，聚焦于关键区域。医疗器械检测：对于植入式心脏瓣膜、人工关节等复杂医疗器械，声束偏转可以实现无损伤的多角度检测。以下是不同相控阵系统的声束偏转能力对比表格：相控阵类型换能器单元数量最大偏转角度常用频率范围(MHz)应用领域线性相控阵XXX±1-15车辆零部件、工业部件平面相控阵XXX±5-50航空航天、医疗器械曲面相控阵XXX±2-20汽车发动机部件声束偏转能力的提升不仅提高了检测效率，还扩展了超声波相控阵技术的应用范围，使其成为现代无损检测领域不可或缺的重要工具。3.超声波相控阵检测关键技术超声波相控阵检测技术是一种先进的无损检测方法，其关键在于相控阵技术及其应用。下面将详细介绍超声波相控阵检测的关键技术。（1）相控阵技术原理超声波相控阵技术利用多个独立的超声波换能器（也称为阵列元素）产生和控制超声波束。通过电子方式控制每个换能器的激发时间和相位，可以实现超声波束的定向发射和接收。这种技术使得超声波束可以像雷达一样进行电子扫描，具有高度的灵活性和适应性。（2）关键技术要素波束形成：通过控制阵列元素的激发顺序和相位，形成特定的超声波束。这需要精确的波束形成算法和高速的硬件处理平台。电子扫描：相控阵技术可以实现超声波的电子扫描，无需物理移动探头。电子扫描提高了检测效率，并可以覆盖更广泛的区域。动态聚焦：通过调整阵列元素的激发时间和相位，实现动态聚焦，从而提高检测分辨率和深度。信号处理与优化：相控阵检测涉及复杂的信号处理，包括回波信号的接收、放大、滤波和数字化等。优化信号处理技术可以提高检测灵敏度和准确性。（3）关键技术应用自动化检测：相控阵技术可以实现自动化检测，减少人为干预，提高检测效率和准确性。复杂结构检测：对于复杂结构，相控阵技术可以灵活调整超声波束的方向和焦点，实现更精确的缺陷检测。实时成像：结合内容像处理技术，相控阵可以实现实时成像，直观地展示检测结果。◉表格：超声波相控阵检测关键技术应用概述技术应用描述优势自动化检测通过自动化装置实现连续、高效的检测过程提高效率，减少人为误差复杂结构检测灵活调整超声波束方向和焦点，适应复杂结构提高检测精度，适应复杂环境实时成像结合内容像处理技术，实时展示检测结果直观展示缺陷，便于分析和诊断（4）技术挑战与发展趋势尽管超声波相控阵检测技术取得了显著进展，但仍面临一些技术挑战，如成本较高、对操作人员的专业要求较高、对复杂材料的检测精度有待提高等。未来，随着新材料、新工艺的发展，超声波相控阵检测技术将面临更多的应用场景和挑战。发展趋势包括降低成本、提高检测精度和自动化程度、结合人工智能和机器学习等技术进一步提高检测效率和质量。超声波相控阵检测技术在无损检测领域具有广泛的应用前景，通过掌握其关键技术，不断优化和改进，将为工业、医疗等领域提供更高效、准确的检测手段。3.1探头设计与制造技术（1）概述随着科技的不断发展，超声波相控阵检测技术在各个领域的应用越来越广泛。为了满足不同应用场景的需求，对探头的性能和精度提出了更高的要求。本文将重点介绍超声波相控阵探头的设计与制造技术。（2）探头设计2.1通道数选择根据实际应用需求，选择合适的通道数对于提高检测效率和精度至关重要。通道数的选择需要权衡成本、检测速度和精度等因素。通常情况下，通道数越多，检测分辨率越高，但成本也相应增加。2.2阵元尺寸与间距阵元尺寸和间距是影响探头性能的关键因素，阵元尺寸越小，分辨率越高；间距越小，检测范围越大。然而阵元尺寸和间距的减小会带来制造难度和成本增加的问题。因此在实际应用中需要根据具体需求进行权衡。2.3换能器设计换能器是超声波相控阵探头的核心部件，负责将电能转换为声能，以及将接收到的声能转换为电能。换能器的设计需要考虑频率响应、指向性、阻抗匹配等因素。此外为了提高探头的性能，还可以采用复合换能器、聚焦换能器等先进技术。（3）探头制造3.1材料选择探头制造过程中，材料的选择对于提高探头的性能和寿命至关重要。常用的材料包括压电陶瓷、高分子聚合物等。这些材料具有不同的物理和化学性能，可以根据实际需求进行选择。3.2生产工艺探头的生产工艺主要包括铸造、注塑、腐蚀、印刷等。这些工艺的选择和优化对于提高探头的性能和可靠性具有重要意义。例如，采用先进的铸造工艺可以提高探头的结构强度；采用纳米技术可以提高材料的性能。3.3表面处理表面处理是提高探头性能的重要手段之一，常见的表面处理方法包括镀层、阳极氧化、刻蚀等。这些处理方法可以提高探头的耐腐蚀性、耐磨性和导电性等性能。（4）探头性能测试与评价为了确保探头的性能满足实际应用需求，需要对探头进行性能测试与评价。常用的测试方法包括扫描换能器阵列性能测试、超声波参数测量、探伤实验等。通过对测试数据的分析，可以评估探头的性能优劣，并为后续改进提供依据。超声波相控阵探头的设计与制造技术涉及多个方面，包括通道数选择、阵元尺寸与间距、换能器设计、材料选择、生产工艺以及表面处理等。在实际应用中，需要根据具体需求进行综合权衡，以实现高性能、低成本和高可靠性的超声波相控阵探头。3.1.1压电材料选择压电材料是超声波相控阵检测技术的核心组成部分，其性能直接决定了阵列的激发和接收能力。压电材料的选择需综合考虑多种因素，包括压电系数、机械品质因数、介电常数、机械强度、温度稳定性以及成本等。以下将从几个关键指标出发，探讨常用压电材料及其特性。（1）常用压电材料及其特性目前，常用的压电材料主要包括锆钛酸铅（PZT）、钛酸钡（BaTiO₃）和弛豫铁电体等。【表】列出了几种典型压电材料的性能参数。材料压电系数d33机械品质因数K介电常数ε机械强度(MPa)温度稳定性PZT-5A12000.651700300良好PZT-811000.601500250良好BaTiO₃2000.0151200150一般驰豫铁电体20000.453000200较好（2）压电系数d压电系数d33是衡量压电材料机电转换效率的关键参数，表示单位机械应力下产生的电位移。在相控阵应用中，高d33值有助于提高超声波的激发和接收效率。例如，PZT-5A和PZT-8的d33值分别为1200和1100pC/N，远高于（3）机械品质因数K机械品质因数Kp反映了压电材料的机械能量储存能力，高Kp值意味着材料具有更好的能量聚焦性能，有助于提高检测的分辨率。PZT-5A和PZT-8的Kp值分别为0.65和0.60，而BaTiO₃的（4）介电常数ε介电常数εr影响压电材料的电容特性，进而影响阵列的驱动和匹配。PZT-5A和PZT-8的εr