Page 79 - 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

结果。为避免其他超声回波信号的干扰, 环形相控 ( r+F 0 sinγ m

)
φ 2 = arcsin ( 6 )
阵超声管道内检测的超声波类型选择为纵波。 R外
环形相控阵超声阵元尺寸较小, 声场覆盖范围 m R外 sin ( 180- φ 2 -γ m )
L CA = ( 7 )
较大, 根据超声波的叠加和干涉原理, 管道内超声波 sinγ m
的能量得到增强。在环形相控阵超声聚焦延时法则 式中: 为第 m 号阵元发射声束与外壁交点C 的
φ 2
m
的计算过程中, 需确定阵元中心与聚焦点之间的距 法线与CA 连线之间的夹角; L CA 为点C 与点 A 之
离。 间的距离。
2.2 环形相控阵超声延时法则的计算 点 B 与点C 之间的距离为
m m m
2.2.1 奇数阵列聚焦延时法则 L BC =L BA -L CA ( 8 )
m
环形相控阵超声在管道内检测的声束扫描过程 则第 m 号阵元的延时 Δt d 为
m
中, 设置聚焦所需工作阵元数量为奇数, 预设聚焦点 m F m -L BC -F 0 + R外 -R内 )
(
Δt d = +
A 位于管壁以外时, 即为奇数阵列聚焦检测方式, c 1
m
(
其聚焦数学模型如图 4 所示。 L BC - R外 -R内 )
( 9 )
c 2
式( 9 ) 表示第 m 号阵元与第 0 号阵元之间的延
时。环形相控阵超声奇数阵列聚焦检测时, 最大工
作阵元数量为 31 , 阵元号与延时的关系曲线如图 5
所示。奇数阵列的中间阵元为第 0 号阵元, 阵元间
延时以第 0 号阵元为对称轴, 呈对称分布。
图 4 管道内检测奇数阵列聚焦数学模型

在图 4 中, 工 作 阵 元 数 量 为 2m +1 ( 0≤m ≤
15 ), 阵元号以 OA 为对称轴, 中间阵元号为 0 , 第 0
号阵元上方由近及远为 -1~-m 号, 下方由近及
远为 1~m 号, 聚焦声束成对称分布, 相邻阵元圆心

角θ 为 2.8125° 。在 ΔONA 中, 根据余弦定理可知
2 ( ) )
2
F m = r +r+F 0 -2 r ( r+F 0 cos ( mθ ) ( 2 )
式中: 点 O 为环形相控阵超声换能器圆心; 点 N 为
图 5 31 阵列阵元号与延时关系曲线
为第m 号
第m 号阵元的中心; 点A 为聚焦焦点; F m
中间第 0 号阵元与相邻第 -1 号和第 1 号两阵
阵元与焦点 A 之间的最短距离。
元相比, 延时之差较大, 由于第 0 号阵元与第 -1 号
由正弦定理可得
和第 1 号阵元中心到聚焦点之间的距离比其他各个
r×sin ( mθ )
γ m = arcsin ( 3 ) 阵元到聚焦点的距离大, 故第 0 号阵元的延时较大,
F m
为 NA 与OA 之间的夹角, 可 其他各个阵元的延时相对较小。
在 Δ OBA 中, γ m
计算 2.2.2 偶数阵列聚焦延时法则
若设置聚焦所需工作阵元数量为偶数, 预设聚
)
( r+F 0 sinγ m
φ 1 = arcsin ( 4 ) 焦点 A 在管壁以外 时, 则 为 偶 数 阵 列 聚 焦 检 测 方
R内
式中: 为第 m 号阵元发射声束与内壁交点 B 的 式, 工作阵元数量为 2m ( 1≤m≤16 ), 其聚焦数学模
φ 1
法线与BA 连线之间的夹角。 型如图 6 所示。
可计算 在图 6 中, 工作阵元中间两阵元的中点到聚焦
所在直线
) 点 A 的距离为焦距F 0 , 工作阵元号以 F 0
R内 sin ( 180- φ 1 -γ m
m
L BA = ( 5 ) 为对称轴, 对称轴上方由近及远为 -1~-m 号阵
sinγ m
m 元, 对称轴下方由近及远为 1~m 号阵元, 第 m 号
式中: L BA 为第m 号阵元中心与点A 连线上的点B
和点 A 之间的距离。 阵元中心线与焦距所在直线夹角 ∠AON'为 ( m -
在 Δ OCA 中, 可计算 1 / 2 ) θ , 以相同的计算步骤对各个阵元中心到聚焦点
5
4
2021 年 第 43 卷 第 2 期

无损检测