Page 66 - 无损检测2023年第十二期

刘春华, 等:

相控阵超声检测缺陷识别与分类研究进展

控阵超声缺陷识别与分类的研究, 文章在总结和分 波的时间, 从而实现波束的偏转和聚焦, 达到对被检
析近年来国内外研究成果的基础上, 梳理出常用相 测物体进行全方位扫描和成像的目的。该章节将从
控阵超声缺陷识别算法并做出简要概述, 并从相控 阵列结构、 扫描方式、 声场建模和成像技术等4个方
阵超声检测的基本原理、 识别与分类的流程、 应用和 面对相控阵超声的基本原理进行概述。
算法、 挑战和问题、 发展趋势等5个方面进行综述。 1.1 阵列结构
相控阵超声的阵列换能器可以分为一维阵列、
1 基本原理
二维阵列、 环形阵列和扇形阵列等, 其阵列结构示意
相控阵超声检测通过控制探头各阵元发射超声 如图1所示 [ 5 ] 。

图1 相控阵超声阵列结构示意

一维阵列是最广泛使用的阵列, 可以在主轴方 列, 因此文中的相控阵超声阵列排布方式默认为一
向控制波束, 成本低, 算法相对简单, 通常, 一维阵列 维阵列。
中阵元的长度远大于宽度, 其单个阵元近似表现为 1.2 扫描方式
无限长条形源。二维阵列可以在主轴和副轴两个方 阵列中各个阵元发出的超声波会发生干涉, 为
向控制波束, 能对前方物体进行三维成像, 在医疗领 了适应不同场景下的无损检测, 利用时间延时法则
域有着广泛的应用, 但其制作成本高, 在工业无损检 对各个阵元的激励信号进行调制。相控阵超声波束
测领域并未得到广泛使用。环形阵列并不能控制波 偏转及聚焦示意如图2所示, 同一脉冲信号不施加
束的转向, 其优势在于可提供可变焦深, 能灵活地控 延迟, 各个阵元激发的声波将不会有相位差, 超声波
制焦点深度。扇形阵列主要应用于棒材的检测。还 阵面在声场中向前传播, 经过相互干涉后, 波的传播
有一些阵列属于特殊阵列的范畴, 主要应用于特殊 方向不发生改变, 在远场等效于一个阵元发射的超
工件的检测, 例如凸面阵用于管道内壁的检测, 凹面 声波[ 见图 2 ( a )]。如果按照一定的延时法则对各
阵用于弯管检测, 以及用于检测接触面复杂工件的 个阵元施加一个延迟, 那么各阵元激发的超声波将
柔性阵列。为了提高阵列的成像精度和能力, 稀疏 会产生相位差, 从而产生波束的偏转或聚焦[ 见图2
阵列也被引入到相控阵超声检测中, 用来提高合成 ( b ),( c )]。
孔径, 从而提高成像能力, 但该阵列设计方案目前仍 相控阵超声有3种基本的扫描方式, 分别是线
处于研究阶段。 性扫描、 扇形扫描和动态聚焦( 见图3 )。
阵列几何形状的设计也不是任意的, 其受到阵 线性扫描是指采用相同的延时法则, 顺序激励
元材料、 阵列连接方式、 阵列通道数量以及阵列制造 各组阵元, 可以沿着阵列的方向扫描被检测物体。
成本的限制。工业上应用最为广泛的还是一维阵 扇形扫描是指对阵列的同一组阵元在不同时刻施加
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2023年 第45卷 第12期
无损检测