导读

超声相控阵因其灵活的声束形成以及快速成像性能得到了越来越多的关注，成为超声无损检测领域新近发展起来的研究热点。

相控阵的概念起源于雷达天线电磁波技术，超声相控阵最早仅用于医疗领域。

近年来，随着微电子、计算机等新技术的快速发展，超声相控阵逐渐被应用于工业无损检测领域

超声相控阵通过各阵元发出声束的有序叠加可以灵活地生成偏转及聚焦声束，不需更换探头即可完成对关心区域的高分辨率检测，且其特有的线性扫查、扇形扫查、动态聚焦等工作方式可在不移动或少移动探头的情况下对零件进行高效率检测。

因此，较传统的单晶片超声检测，超声相控阵的声束更灵活、检测速度更快、分辨率更高、更适用于形状复杂的零部件检测。

超声相控阵探头是将若干个独立的压电晶片按照一定的排列方式组合成一个阵列，利用计算机技术控制压电晶片的激励顺序及延时，来实现声束的偏转以及聚焦。

造型各异的相控阵探头

为适应不同的应用需求，超声相控阵换能器有多种不同的组合形式，主要包括线形（线阵列）、面形（二维矩形阵列）和环形（圆形阵列）。

如下图

所有排列形式的相控阵都可以通过控制阵元的发射延时获得灵活的声束，并在不移动探头的情况下进行较大区域的检测。

我们知道普通的超声聚焦探头可以将超声波聚焦在某一点处，从而可以在该点处获得最好的分辨率和灵敏度，但对不处于该位置的缺陷就没有这么好的分辨率和灵敏度了。 

而相控阵探头的聚集位置是可以由计算机控制的，是动态可变化的，所以可在声程范围内设定聚集的范围，计算机可自动控制探头各个晶片发射和接收超声波，从而在该范围内进行动态聚集，所以聚集是一条线。

我们可以在仪器中设定超声波扫查的角度范围，计算机就驱动扫查晶片的合适方式，使超声波在某一角度范围内进行扫查检测，如下图图示。

在每个重复脉冲周期里，在晶片电子扫查过程中同时被激发和接收的组，按预定程序移动。无需光珊移动，就能全面覆盖被检区域。

如图所示

如此时探头沿着与晶片排列垂直的方向移动，并由一编码器配合记录行程，这就可以完成超声相控阵C扫描检测，与传统的C扫描相比，效率高得多。

超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。

换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列,每个晶片称为一个单元,按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个单元,使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面。 

同样,在反射波的接收过程中,按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成,再将合成结果以适当形式显示。 

由其原理可知,相控阵换能器最显著的特点是可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布。

其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调；而且探头内可快速平移声束。

因此，与传统超声检测技术相比,相控阵技术的优势是：

①单轴扇形扫查可提高检测速度。

②不移动探头或尽量少移动探头可扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域，成为解决可达性差和空间限制问题的有效手段。

③通常不需要复杂的扫查装置，不需更换探头就可实现整个体积或所关心区域的多角度多方向扫查，因此在核工业设备检测中可减少受辐照时间。

④优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向,在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。

小结

目前，超声相控阵已成功地应用于核电、运输、冶金、建筑等各个工业领域，在生产质量检测、设备使用及安全性能评估、废品分选等方面发挥着重要的作用。

在无损检测发展大潮的推动下，超声相控阵检测精度、效率等各项性能不断提升，正持续快速向自动化、图像化、智能化、便携式的方向发展。