Page 100 - 无损检测2021年第三期

陈积乐, 等:

相控阵超声检测曲面阵列与平面阵列的对比

最成熟的相控阵换能器阵列。在小径管相控阵超声 进入到工件中的能量最大。
检测中, 主要使用的是一维阵列换能器, 一维阵列常 声场中某处的声压为
用的阵列形式有平面线阵列和曲面自聚焦阵列( 见 P 0 F S
P = ( 1 )
图 1 )。平面阵列与曲面阵列技术在小径管检测应 λr
用中, 缺陷成像效果存在很大不同, 笔者分析了平面 式中: P 0 为初始声压; F S 为波源面积; λ 为波长; r
阵列与曲面阵列的成像机制, 并进行了成像效果的 为声场中某处到波源的距离。
在小径管相控阵超声检测中, 声束能在晶片排列
对比试验。
的方向上聚焦, 使得工件内部各个角度方向上的灵敏
度得到提升。由于工件检测面存在曲率, 由声束的折
射特点可知晶片的长度方向上会产生一定的发散。
由图2可见, 晶片长度方向上的聚焦能力较弱。
声束进入工件中的能量大小会直接影响相控阵
超声检测的灵敏度。通过分析不难得出平面阵列检
测曲面工件相对于检测平面工件的灵敏度更低的结

论, 平面工件在相控阵超声检测时需要更大的增益,
得到的缺陷的 A 扫图像中波高较低, 缺陷 S 扫图像
图 1 相控阵换能器晶片阵列形式示意
颜色淡, 且 C 扫图像中干扰较多。
1 相控阵超声平面阵列成像特点 2 相控阵超声曲面阵列成像特点

相控阵一维平面阵列换能器由多个独立的压电 曲面阵列检测曲面工件时, 耦合性得到了很大
晶片组成, 压电晶片按照线型排 列组成一个阵列。 的提高。晶片的弯曲能使声束汇聚, 使得曲面阵列
平面阵列换能器各阵元按一定延迟发射声波, 通过 换能器在管子周向产生的超声波束宽度较窄, 接近
平面楔块斜入射进入管道, 在金属管道上产生横波, 于入射处的波束宽度从而减小了超声波束在管子内
通过控制各阵元发射声波的相位差, 在管道上形成 外壁的固有扩散角。为保护换能器以及适应不同管

聚焦, 使得管道内部各点具有较高的检测灵敏度。 径的工件, 检测中通常使用曲面楔块, 曲面楔块的曲
在刚性的理想条件下平面阵列换能器与小径管 率半径越接近工件的曲率半径, 声束能量的损失就
接触时相交成一条线, 但实际接触时两者都会产生 越小。当楔块的曲率半径与工件的曲率半径一致
弹性形变, 从而使得两者的接触为一个矩形面。在 时, 换能器产生的声束能全部进入到工件中, 能量损

实际检测中, 换能器与工件之间还需要填充耦合剂, 失极小。图 3 所示为曲面楔块检测曲面工件的自聚
使得接触面积加大。在相同能量的换能器中, 换能 焦示意, 可见检测时, 声束不仅能在晶片排列的方向
器与工件的接触面大小直接影响到进入工件中的声 上汇聚, 也能在晶片长度的方向上汇聚。曲面阵列
束能量大小。平面阵列与管道工件的接触面大小则 检测曲面工件的聚焦示意如图 4 所示, 其汇聚后的
因为管径的不同和耦合剂的黏度不同而不同。平面
声束能量集中, 检测灵敏度很高。
阵列换能器与工件的矩形接触面如图 2 所示。

图 2 平面阵列换能器与工件的矩形接触面示意
声束只能通过接触面进入工件内部, 由矩形波
源辐射的纵波声场分布可知, 工件内部某处的能量 图 3 曲面楔块检测曲面工件的自聚焦示意
与接触面的大小成正比。管径越大, 接触面越大, 工 综上可知, 采用曲面阵列检测曲面工件, 不仅能
件内部的声束能量越大, 当工件的检测面为平面时, 强化换能器与工件的耦合效果, 还能使声束聚焦, 这
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2021 年 第 43 卷 第 3 期

无损检测