超声相控阵系统的聚焦特性研究

孙忠波，强天鹏

（1.天津诚信达金属检测技术有限公司，天津 300384；2.江苏省特种设备安全监督检验研究院，南京 210003）

近些年随着计算机技术的发展，超声TOFD及相控阵设备在国内外都得到了较积极的推广。由计算机控制的超声系统不仅应具有常规数字超声设备的一些普遍性能，如水平线性、垂直线性、横纵向分辨力、动态范围等，还应具有其独特的性能优势。这些独特的性能在传统的性能测试标准中并未涉及，因此需进行深入探讨。

美国材料试验学会（ASTM）已发布的ASTM E2491：2008［1］《超声相控阵检测系统性能评价导则》为当前针对相控阵系统性能测试最为先进的试验导则，该导则已被ASME增补引用为SE－2491。该导则对相控阵仪器的性能检验分成七部分，分别为：① 声束扩散的测定。② 声束偏转极限的测试。③ 相控阵晶片有效性的测试。④ 相控阵聚焦能力的评价。⑤ 相控阵参数控制及数据显示的评价。⑥ 对相控阵楔块衰减以及时间延迟的补偿的评价。⑦相控阵仪器线性的评价。该导则目的在于给相控阵性能测试提供指导，并未对具体的试验参数进行规定，对于验收评判需由具体标准进行规定。为研究超声相控阵系统的聚焦特性及偏转特性，文章参照了ASTM E2491：2008标准的测试方法进行试验设计。

1 测试方法及试验条件

1.1 试验条件

试验使用Olympus公司的OmniScan MX 32：128便携式相控阵检测仪，利用TomoView软件进行数据判读。选用焊缝检测较常用的探头及楔块，采用的探头是5L64A2，共有64个晶片，晶片间的距离为0.6mm；楔块是SA2－N55S，钢中自然折射角度为55°。

测试用的试块为参考ASTM E2491—2008标准自行设计的斜排孔试块（图1）。

图1 斜排孔试块

1.2 试验方法

在加装或不加装楔块的情况下，对仪器调整相应的参数组合，将相控阵探头置于图1试块上，使晶片长度方向与长横孔平行，设置适当的声程范围，调节仪器进入基于编码器（或基于线扫描）的B扫状态，沿图2所示方向移动探头进行B扫描成像。当加装楔块时，试验加入了偏转角度的变化，测试时探头朝向斜排孔一侧，以免声束方向与斜排孔朝向因夹角过小而影响测试。

图2 斜排孔试块扫查示意图

用离线分析软件调出存储的图像，用－6dB法测量不同深度孔回波的孔径大小并记录（如图3）。当加装横波斜楔块时，软件能够测得横向扩散长度L′，而实际声束扩散应垂直于声束方向，因此，实际扩散长度L应为：

图3 声束扩散测量示意图

式中L为沿声束方向扩散长度；L′为软件测量的水平方向扩散长度；β为工件中横波折射角。

1.3 试验内容

（1）不加装楔块可偏转方向声束扩散及聚焦能力试验设计 激发晶片数分别为4，8，16，32；聚焦深度分别为10，30，50，100，150，200mm。试验时两种参数交叉组合，表示方法为“激发晶片数－聚焦深度”。如4－50表示试验参数为：激发晶片数为4，聚焦深度为50mm。

（2）加装横波斜楔块可偏转方向声束扩散及聚焦能力试验设计 激发晶片数、聚焦深度、偏转角度的参数设置见表1。

2 测试结果及分析

2.1 聚焦特性测试结果及分析

2.1.1 不加装楔块时

按1.3（1）进行试验后，对各种参数下显示的孔径以－6dB的方式进行测量，对测量结果整理后可绘制得到曲线图4。

从图4看，曲线基本可分为两种形态，一种形态为单调上升的“1”字形，一种为曲折的“V”字形。当激发晶片数量较少时（如试验中激发晶片数量＜8个），测试结果为前者，表明在测试深度范围内声束没有实际焦点，成喇叭状扩散，曲线形态不随设置聚焦深度的改变而改变。激发晶片数量为8个时，变化不同的聚焦深度对测试结果图像基本没有影响，如图5所示。当激发晶片数量较多时（如试验中激发晶片数量＞16个），测试结果为后者，表明在测试深度范围内声束有实际焦点，“V”字形的最低点即代表实际焦点位置。从图4看，当激发晶片数量＞16个时，实际焦点深度随设置焦点深度的增加而增加，但两者有一定差距，该差距随设置值增加而增加，如图6。但当设置聚焦深度大于某一数值时，实际焦点深度不再增加，且该可聚焦深度的最大值随激发晶片数量的增加而增加，例如，激发16晶片时设置聚焦深度为10，30，50，100，150mm 时，实际焦点深度为10，15，20，20，20mm；激发32晶片时设置聚焦深度为10，30，50，100，150，200mm 时，实际焦点深度为10，25，40，65，65，65mm。

表1 加装横波斜楔块可偏转方向声束扩散及聚焦能力试验设计

图4 不加装楔块时聚焦特性测试结果

文献［2］指出：相控阵激发孔径的近场区长度决定了声束能够聚焦的最大深度，声束在超过近场区长度的深度处无法聚焦。激发晶片数量从4，8，16，32逐渐增多时，孔径随之增大，则近场区增加，因此，可聚焦的深度范围也随之增加。

从图4中还可以看出，相同的激发晶片数量基本成簇分布，表明相同的孔径在曲线中有着基本相同的斜率，曲线的斜率代表着声束截面尺寸随深度变化的快慢程度。可见，不加装楔块的情况下，工件中声束的扩散速率仅取决于激发孔径大小，与设置的聚焦深度及实际焦点深度无关。由矩形波源半扩散角公式（式（2））可知，声束扩散角度与工件中波长和可偏转方向上孔径大小相关，而该公式成立的前提是在远场区。因此，从图4中看，当激发晶片数量＞16个时，声束在工件中有实际焦点，在焦点后的声束扩散尤为贴切地符合上述规律：

式中φ0为可偏转方向上的半扩散角；λ为工件中波长；b为可偏转方向上孔径尺寸的1／2。

2.1.2 加装横波斜楔块时

依照表1进行试验后，对各种参数下显示的孔径的L′以－6dB的方式进行测量，代入式（1），计算得到L，将结果整理后绘制得到图7。

图7中，曲线在横坐标上的跨度代表着测试能够将孔信号分辨出的深度范围，跨度越大表明测试图像中能够识别的深度范围越大。对比图7（a）～（d）可见，当激发晶片数量和聚焦深度设置相同时，偏转角度越大，可识别的深度范围越小（如图8）。这是由于当偏转角度增加时，声束在楔块中的声程增加，也增加了声束在楔块中的扩散。声束进入工件后，相同深度的扩散范围增加，到达一定深度后大角度声束的回波先于小角度声束无法识别。

与不加楔块的测试一样，图7曲线的斜率代表了声束在工件中扩散速度的快慢，同样表征着声束在工件中的扩散角。可通过简单计算得到不同激发晶片数量时，可偏转方向上的声束半扩散角，进而计算出不同角度时工件中的上下扩散角度，从而得到工件中的扩散角。以激发16晶片为例，偏转角度分别为35°，45°，60°，70°时，计算得工作中的扩散角分别为8.2°，8.8°，10.7°，14.7°。

图7 加装斜楔块激发不同晶片，不同偏转角度及聚焦深度时聚焦特性测试结果

图8 加装横波斜楔块，激发16晶片，聚焦深度50mm，不同偏转角度时的聚焦特性测试图像

从计算结果可以看出，其余情况不变，当偏转角度增加时，工件中的扩散角随之增加，则图7曲线的斜率将随角度增加。

对比图7（a）～（d）还可以看出，除激发32晶片外，其余情况聚焦深度设置几乎对实际的声场没有任何影响。表2为计算得到加装斜楔情况下，不同激发晶片数量及不同偏转角度时，钢中剩余的近场区（已转换为深度）。从表中可以看出，大部分情况近场区在楔块中，由前述近场区内聚焦的原则，激发4，8，16个晶片时，在工件中不会产生真正的焦点，因此，聚焦设置不起作用，测试得到的曲线都成“1”字形。当激发32晶片时，偏转角度为35°，45°，60°时工件中有较大范围的近场区，因此，从图7（d）中可见该几条曲线成“V”字形，且随聚焦深度的不同设置，实际焦点也随之变化。

表2 加装横波斜楔块时计算得工件中的近场区（深度）mm

3 结论

（1）加装楔块与不加装楔块情况下，声束在工件中的聚焦特性主要由工件中的近场区长度决定，近场区外不能聚焦。

（2）同探头相控阵声束焦点外的声束扩散速度取决于激发孔径大小，与设置聚焦深度及实际焦点深度无关，激发孔径大，计算得到的扩散角小，则声束扩散速度慢，反之则相反。

［1］ASTM E 2491：2008 Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased－Array Ultrasonic Testing Instrucments and Systems：Annexes A2［S］.

［2］Michael D C Moles.Phased Array Ultrasonic Technology［M］.Canada Quebec：R／D Tech Corp，2004：77－79.