Page 78 - 无损检测2021年第二期

杨理践, 等:

管道内检测的环形相控阵超声聚焦方法

的超声波形成聚焦区域。根据波的干涉原理, 由所
需阵元数量与焦点位置确定延时法则, 在预设焦点
位置形成聚焦区域, 焦点处超声波能量得到增强, 阵
元接收到回波信号后对其进行逆向聚焦, 获得焦点
处的检测信息 [ 6 ] , 多阵元信号叠加时, 结果显示在距
离焦点最近的阵元上。采用如图 1 ( b ) 所示的扫描
方式时, 聚焦点紧密排列于管道一周, 完成管道一周
的检测。该检测方式使检测区域的超声波能量增
强, 检测效果优于无聚焦检测方式的。
2 环形相控阵超声聚焦延时法则

2.1 管道中声束的传播原理
图 1 环形相控阵超声阵列模型及扫描方式示意
超声波纵波以一定的角度由耦合剂倾斜入射至
32 个, n ( 1≤n≤32 ) 个阵元按一定的延时法则发射 管道内壁, 产生反射纵波, 且由于波形转换, 产生折
声束, n R n R≤ n ) 个阵元按一定延时法则接收声束 射纵波与折射横波, 该过程由折射定律表示为
(

后合成, 并在某一阵元的显示界面显示结果。图 1 ( 1 )
c 1 sinθ 2 = c 2 sinθ 1
( b ) 所示为阵列扫描方式, 若工作阵元数量为 n , 则 为
式中: c 1 为耦合剂中的纵波声速; θ 1 为入射角; c 2
第 ① 组按顺时针由第 1 个阵元开始工作, 至第n 个
管壁中( 折射后) 的纵波声速; θ 2 为折射角。
阵元结束工作; 第 ② 组由第 2 个阵元开始工作, 至第
管道中环形相控阵聚焦声束时, 根据焦距 F 0 ,
n+1 个阵元结束工作, 依次按此模式, 直至所有阵 换能器半径r , 管壁内半径 R内 和外半径 R外 关系,
元依次工作, 接收并合成回波信号。若 n 为奇数,
存在如下 3 种聚焦情况:
显示合成 回 波 信 号 的 阵 元 为 中 间 阵 元; 若 n 为 偶 ( 1 ) 0<F 0<R内 -r , 此时聚焦点位于耦合剂

数, 显示合成回波信号的阵元为中间两个阵元中阵 内, 聚焦区域集中于耦合剂与管道内壁附近, 不能覆
元号较小的一个。
盖整个管壁厚度, 该聚焦方式不可取。
环形相控阵超声以弧线形顺时针旋转扫描的方 ( 2 ) R内 -r≤F 0<R外 -r , 此时聚焦点位于管

式进行管道内检测, 得到管道的周向检测信息。在 道内壁与管道外壁之间, 声束聚焦前, 在管道内壁处
换能器沿管道轴向前进的过程中, 即可实现管道的 发生折射。管壁内的声速大于耦合剂中的声速, 根
全覆盖检测。 据式( 1 ) 可知, 折射角大于入射角, 管壁中的实际聚
1.2 环形相控阵超声检测方式 焦区域在预设焦点以上的位置, 不能覆盖整个管壁

管道中环形相控阵超声检测方法如图 2 所示。 厚度区域, 该聚焦方式不可取。

( 3 ) F 0≥R外 -r , 此时聚焦点位于管道外壁以
外, 声束传播方式如图 3 所示。由图 3 可知, 预设聚
焦点 A 位于管道外部, 焦距大于管道外半径与换能
器半径之差, 聚焦区域在点 A 的前方位置, 此时的
检测方式最佳。

图 2 管道环形相控阵超声检测示意
环形相控阵超声进行管道内检测的检测方式包
括 2 种。一种是无聚焦检测方式( 见图 2 ), 即阵列
不施加延时法则, 所有阵元激励一次后完成管道一
周的检测, 此时换能器阵列声束会按一定的分散状
态向管道中辐射超声波; 另一种是聚焦检测方式, 该 图 3 聚焦点位于管道外壁以外时的声束传播示意
方式需要确定聚焦的工作阵元数量和焦距, 针对声 相比于超声横波, 超声纵波在介质中的声速较
束扫描过程中的某一聚焦点, 使同等数量阵元辐射 快, 上位机先接收超声纵波的回波信号, 显示其检测
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2021 年 第 43 卷 第 2 期

无损检测