Page 80 - 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

差, 所以应将工作阵元数量控制在一定范围内。

3 试验方法与结果分析

设计相控阵超声在线检测试验系统进行管道检

测, 采用 CTS-PA22S / P A16 小型相控阵模块, 128
阵元环形相控阵超声换能器和上位机。被测管道尺
图 6 管道内检测偶数阵列聚焦数学模型
寸为 148 mm×168 mm×9 mm ( 长 × 外 径 × 壁
的距离及相关角度进行计算可得
厚), 发射与接收超声波的换能器直径为 100 mm ,
2
{ 2 ( ) -
F m = r +r+F 0 厚度为 31mm , 晶片长为 10mm , 宽为 2.45mm 。
1 / 2
)
2r ( r+F 0 cos [( m|-1 / 2 )] θ } ( 10 ) 3.1 试验平台
|
|
r×sin [( m|-1 / 2 ) θ ] 环形相控阵超声奇数阵列聚焦和偶数阵列聚焦
γ m = arcsin ( 11 )
管道检测试验装置外观如图 8 所示。在图 8 中, 相
F m
m 1 m 1
m
Δt d = F m -L BC -F 1 +L BC + L BC -L BC 控阵换能器中心与管道中心重合, 换能器激励电信
号与接收回波信号的处理由相控阵模块完成, 由上
c 1 c 2
( 12 )
位机得到检测结果。
根据对称性, 第 -1~-m 号阵元延时与第 1~
m 号阵元延时相同。
为保证阵元中心到聚焦点的距离最短, 选择由
第 1 号阵元显示结果。式( 12 ) 表示环形相控阵超声
偶数阵列聚焦检测时第 m 号阵元与第 1 号阵元之
间的延时。
偶数阵 列 聚 焦 检 测 时, 最 大 工 作 阵 元 数 量 为
32 , 阵元号与延时的关系曲线如图 7 所示。在图 7
中, 偶数阵列的中间两个阵元为第 -1 号阵元和第 1 图 8 环形相控阵超声检测试验装置外观
号阵元, 各个阵元的延时以第 -1 号阵元和第 1 号 设定管道外壁无缺陷区域为被检区域, 检测位

阵元连线的中垂线为对称轴, 呈对称分布。 置不变, 令工作阵元数量从 1 逐渐增加到 32 , 验证
奇数阵列延时法则和偶数阵列延时法则的可行性。
工作阵元数量为奇数时, 由距被检测点最近的
阵元显示结果。增加工作阵元数量时, 以接收合成
回波信号的阵元为中心, 阵元数向两侧递增; 工作阵
元数量为偶数时, 由距被检测点最近且阵元号较小
的阵元显示结果, 增加工作阵元数量时, 接收合成回
波信号的阵元保持不变, 以中间两阵元中心线为对

称轴, 逐渐向两侧递增。
图 7 32 阵列阵元号与延时关系曲线 3.2 管道聚焦检测试验
偶数阵列与奇数阵列延时法则的区别在于, 偶 设置数字增益为 0dB , 模拟增益为 19dB , 焦距

数阵列中间两个阵元延时相同, 且中间两个阵元中 为 34mm ( 聚焦点位于管壁外侧), 选择水作为耦合

心到聚焦点的距离与其相邻阵元中心到聚焦点的距 剂, 水中 的 声 速 为 1480 m · s , 管 道 中 的 声 速 为

-1
离相比, 差距较小, 中间两阵元与其相邻两阵元在延 5900m · s 。

-1
时上的差异没有奇数阵列明显。 3.2.1 工作阵元数量
增加工 作 阵 元 数 量 会 增 加 聚 焦 效 果, 但 环 形 应用环形相控阵超声对管道实施聚焦检测时,
相控阵换 能 器 阵 列 表 面 为 凸 曲 面, 工 作 阵 元 数 量 需预先确定工作阵元的数量。试验通过调整工作阵
超过某范围后, 边缘阵元受偏转能力限制, 辐射声 元的数量, 确定其与聚焦效果的关系。
场不能覆 盖 聚 焦 点 位 置, 合 成 回 波 信 号 有 较 大 误 保持其他参数不变, 工作阵元数量由 1 逐渐增
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2021 年 第 43 卷 第 2 期

无损检测