孔径和焦距对相控阵超声检测结果的影响

戈 浩 赵 立

（浙江省特种设备检验研究院 杭州 310020）

超声作为一种常用的无损检测方法，被广泛应用于工程结构、特种设备等领域。超声检测总是期望有更高的检测分辨力，因为分辨力越高，越容易获得缺陷的细节特征，缺陷定量和定性越准确。

超声检测分辨力，是以能够对两个反射体提供可分离指示时两者最小距离来确定[1]。超声检测分辨力分为在声波传播方向上的纵向分辨力和垂直于传播方向的横向分辨力。常规的超声检测方法实际上是超声A扫描，超声A扫描的检测分辨力往往受到探头以及仪器性能的制约，很难改变。相控阵超声不同于超声A扫描，对于选定的仪器和探头，通过参数孔径以及焦距的设置，检测分辨力其实是可以优化的。

本文通过研究焦距和孔径对相控阵超声检测横向分辨力的影响规律，指出通过优化相控阵超声的检测参数，可以获得更高的横向检测分辨力，对相关检测应用有一定的参考价值。

1 CIVA软件仿真分析

1.1 参数设置

在软件中设置钢制试块长450mm、宽25mm、高200mm。试块中有一系列直径2mm的横通孔，相邻横通孔之间水平和垂直距离均为5mm，如图1所示，仿真时设定探头中心频率为5MHz，阵元间距为0.6mm，阵元宽度10mm，阵元总数为64。

图1 试块的尺寸和缺陷的相对位置

设定探头的运动方向与横通孔的长度方向垂直，进行B扫描检测，如图2所示。为了模拟的方便，模拟纵波声束垂直向下入射。

图2 探头相对试块的运动方向

1.2 阵元数量和焦距对横向分辨力的影响

为了描述的简便，定义M-N表示阵元数量为M，焦距为Nmm的模拟结果。图3～图4分别是阵元数量分别为8、64时，不同焦距的检测结果。

图3 阵元数为8时，不同焦距的检测结果

图4 阵元数为64时，不同焦距的检测结果

2 检测试验

使用64阵元的相控阵超声探头，阵元数量分别设置为8阵元、32阵元、64阵元，对RB-2试块上深度30mm的横通孔进行扇扫成像。为了表述的方便，用M-N表示探头晶阵元数量为M、焦距为Nmm时的检测结果，检测结果中对应深度孔的扇扫图像用箭头指示，如图5、图6所示。

图5 焦距为30mm，不同阵元数目的扇扫结果

图6 阵元数目为64，不同焦距的扇扫结果

3 分析与讨论

从图3中可以看出，阵元数量为8，焦距大于10mm时，焦距增大，检测结果基本不变。

从图4中可以看出，阵元数量为64时，焦距小于100mm时，在焦点附近都有比较好的聚焦效果，焦距大于100mm时，焦距变化对检测结果影响很小。

根据CIVA软件模拟的结果，焦距超过某个值时，焦距增大，检测结果变化不大，主要是由于相控阵超声只能在超声探头的近场区聚焦，焦距超过近场区，就没有聚焦效果，阵元数量多，孔径大，探头近场区长度长，在更大的焦距范围内都会有聚焦效果，声束聚焦，会减小声束宽度提高检测横向分辨力；焦距相同时，阵元数量越多，检测结果中焦距处横通孔的尺寸越小，横向检测分辨力越高；焦距对横向分辨力的影响稍微复杂，图4中（阵元数量为64、焦距为10mm）深度5mm、15mm横通孔检测图像结果比图3（阵元数量为8、焦距为10mm）差，说明相控阵超声检测时，并不是阵元数量越多越好，如果焦距等设置不当，可能检测效果反而不如阵元数量少的检测效果。这是由于阵元数量越多，焦距越小，焦点附近声束越不均匀，稍微偏离焦点位置，声束宽度迅速增加，导致横向分辨力变差。

从图5的扇扫结果可以看到：焦距设置在孔深度附近时，阵元数量越多，焦距处的声束宽度越小，检测分辨力越高。

根据图6，利用64阵元的相控阵探头对30mm深孔，进行扇扫成像，焦距分别设置为10mm、30mm、70mm，可以看到焦距设置为30mm时的检测分辨力最好，焦距设置为10mm时的检测分辨力最差。阵元数量为64、焦距为10mm的检测效果不及阵元数量为8，焦距为30mm的检测效果，说明了阵元数量越多，横向检测分辨力并不是一定越高。要获得好的检测横向分辨力，不应当单纯增加阵元数量，而应当选择合适的阵元数量和焦距，使得缺陷处声束宽度尽可能小。

4 结论

通过理论分析、仿真分析、检测试验说明相控阵超声检测时，阵元数量以及焦距均会影响声束宽度，进而影响横向分辨力。阵元数量越多，焦距处声束宽度越小，横向分辨力越高；阵元数量越多，横向检测分辨力并不一定越高，这主要受焦距的影响。要获得好的检测横向分辨力，不应当单纯增加阵元数量，而应当选择合适的阵元数量和焦距，使得缺陷处声束宽度尽可能小。

参考文献

[1]GB/T 12604．1—2005 无损检测 术语 超声检测[S]．