一、超声相控阵检测技术的发展

超声相控阵技术已有近40年的发展历史。国外研究及应用超声相控阵较为深入的国家主要有法国、加拿大、英国、德国、美国等。

1959年，世界上第一个超声相控阵检测系统(环形动态聚焦换能器系统)由Tom Brown研制出。

20世纪70年代初期，市场上出现了第一个医用超声相控阵换能器，医学超声成像中用相控阵换能器对人体被检器官进行横断成像。系统的复杂性、波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限，此后很长一段时间仅在医学中发展。

在80年代第一台工业用超声相控阵检测仪研制成功，但这台检测仪系统非常复杂，体积大且价格昂贵，因此在工业中的应用并不广泛。

然而随着电子技术和计算机技术的快速发展，技术逐渐应用于工业无损检测，特别是在核工业及航空工业等领域。

1992年，美国通用电气公司(CE)研制成功了数字式超声相控阵实时成像系统，实现完全可编程的数字式声束形成，可更加灵活地控制声束；

1994年，英国科学家Hatfield研制了可手持式操作的高集成度超声相控阵系统；

1998年，法国原子能委员会(CEA)研制了自适应聚焦超声成像系统(即FAUST系统)，实现了更灵活、适应性更强的检测；

2000年，CEA又成功研发了曲率半径为15mm的曲面换能器，用于曲表面零件的检测。

同年，柔性相控阵探头于法国研制成功、用于不规则表面零件的检测；加拿大的R/D TECH公司致力于管道环焊缝的检测系统研究，于2002年研制了PipeWIZARD超声相控阵管道检测系统；

2005年，GE研发的超声相控阵油气管道检测系统正式投入使用，得到良好的检测效果；同时，GE与联邦材料试验研究所(BAM)、德国铁路(DB)联合研发了用于检测火车轮轴关键部位横向裂纹的超声相控阵系统。

与国外相比，国内对于超声相控阵的研究起步较晚，但也已有部分高校和研究机构做出了较为深入的研究，并取得显著成果。

清华大学基于DDS技术提出了高精度相控发射电路，相位分辨率达到了1.14；对混频相控阵的聚焦特性进行了研究；设计了二维矩阵相控阵，对检测区域进行了三维成像；成功研制了一维柔性探头，并对曲面进行了检测。

天津大学研制了超声相控阵管道环焊缝检测系统，并对环焊缝的相关检测方法进行了研究，获得很好的缺陷分析结果；应用超声相控阵对飞机复合材料进行了检测，并对缺陷进行定性分析。

哈尔滨工业大学研制了用于海洋平台结构探伤的超声相控阵检测系统。

上海交通大学也做了关于超声相控阵海洋平台结构检测的相关研究，并对相控阵列进行了优化设计，研究了动态聚焦算法。

声学所研制了8通道环形阵列，实现了轴向的动态聚焦。

中北大学研制了16通道超声相控阵高精度触发系统，可实现10ns的延时分辨率，并对相控阵的声场特性进行了一系列研究。

西南交通大学研制了车轮轮辋(wăng)相控阵检测系统，对火车轮辋进行在线检测。

在研究热潮的推动下，超声相控阵检测技术日趋成熟。

目前，对于超声相控阵的研究主要集中在新型相控阵探头的研发及优化、针对不同检测对象的检测方法的研究、数据处理、缺陷分析等方面。

二、超声相控阵检测基本原理

超声相控阵检测技术的基本思想来自于雷达电磁波相控阵技术。

相控阵雷达是由许多辐射单元排成阵列组成，通过控制阵列天线中各单元的幅度和相位，调整电磁波的辐射方向，在一定空间范围内合成灵活快速的聚焦扫描的雷达波束。

超声相控阵换能器由若干个形状相同、大小相等的压电晶片组成阵列，每个晶片独立地发射超声波束，并通过按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个晶片单元，从而调节控制焦点的位置和聚焦的方向形成聚焦声场。

1. 相控阵声束的发射与接收

相控阵声束的激发和接收过程主要由激发与接收模块、延时器、探头阵元三个模块组成，工作时激发模块将一定幅值的的触发信号传送至延时器，按发射聚焦法则分别计算各阵元声束发射的延迟时间，并对触发信号的脉冲宽度进行整合，整合后的脉冲信号分别加载至各个阵元。

由于延迟的存在，各阵元发射的声束相位不一，声束在空间中产生叠加形成入射波波阵面，并聚焦在一定深度，以此进行工件中缺陷的检测。

阵元发射出的声束在工件中遇到缺陷会反射回来，而处于聚焦区域的缺陷会形成振幅较大的反射波波阵面。

由于探头阵元排列的空间位置不同，缺陷的反射回波到达各阵元的时间也会不同。

延迟器按照接收聚焦法则计算各阵元的接收延迟，依次对每个阵元的回波信号进行叠加，反馈至信号接收模块。

超声相控阵的超声脉冲发射和缺陷回波接收示意图，如下图所示：

超声相控阵的超声脉冲发射和缺陷回波接收示意图

2. 相控阵声束的聚焦与偏转

相控阵依照聚焦法则控制探头各个阵元发射和接收信号的时间，由于时间差的存在，每个阵元发射声波的波阵面在空间中传播逐渐汇聚成一点，从而达到声束聚焦的效果。

以轴线聚焦为例，分别计算各阵元至预设焦点的声程，从而得到声束由阵元传播至该焦点处所需的时间，并与其中最大值进行差值计算从而得到各阵元的延迟值。

相控阵的聚焦和偏转示意图如图2所示，其中(a)为声束在轴线上聚焦，(b)为声束呈现一定角度偏转。

超声相控阵的聚焦和偏转示意图

3. 相控阵的扫描模式

超声相控阵进行工作时主要有三种扫描方式，分别为：扇形扫描、线性扫描和动态深度扫描。

扇形扫描：

扇形扫描即S扫描，在设定深度上，相控阵探头按聚焦法则分别计算每个偏转角度得聚焦延迟，激发时以从左至右的顺序分别激发，形成一定范围内的扇形扫查。

扫查时须要设置扇扫范围、角度间隔和聚焦深度。

右图给出了扇形扫查的检测原理和扫查成像图。

扇形扫查的检测原理和扫查成像图

动态深度扫描：

动态深度扫描又称动态深度聚焦，超声声束沿阵元中轴线，对不同深度的焦点进行扫描。

分为发射动态深度聚焦和接收动态深度聚焦：发射动态聚焦即在发射时以不同聚焦深度延迟对探头进行分别激发，声束焦点在空间中深度方向延伸；接收动态聚焦在发射时使用单个聚焦脉冲，通过接收时不同深度接收延迟对回波脉冲重新聚焦。

右图为动态深度扫描示意图，以及普通扇形扫描成像和动态深度聚焦成像对比。

动态深度扫描示意图，

以及普通扇形扫描成像和动态深度聚焦成像对比

特点：

由其原理可知，超声相控阵最显著的特点是可以灵活、便捷而有效地控制声束形状，极大的提高了检测效率。

由于探头中阵元由计算机控制，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，超声相控阵可以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。

而且，相控阵探头由多个晶片同时聚焦，聚焦区能量远大于普通单晶聚焦探头，具有更高的检测灵敏度和分辨力。

超声相控阵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区域的多角度 多方向扫查。

三、超声相控阵关键技术

超声相控阵关键技术：声束控制和探头参数的影响。

1.相控阵声束控制

超声相控阵检测扫描时声束的控制方式主要有3种：声束偏转、声束聚焦和声束偏转与聚焦。

声束偏转：

假设阵列换能器有N个阵元，声束偏转以探头中心为参考点，那么相邻声程差为：

式中：d为相邻中心距之间的距离；θ为声束偏转后于法线的夹角，第n阵元相对于第0个阵元的延迟时间为：

按这个延迟时间激励各个阵元就可以使合成波 旋转一个角度。

声束中心聚焦：

阵元数为N的线阵换能器，对于任意的第n个阵元在几何三角形OPB中有：OB=n·d

根据余弦定理有：PB^2=F2+(nd)^2

其中，d相邻阵元之间的距离；BP为第n阵元到焦点的距离；

F为线阵中心到焦点的距离则第n阵元与线阵中心的声程差为：∆S=F-PB

假设声速为c，由此可以得出第阵元相对于中心阵元的延时值Δtn为：Δtn=∆S/c，再将参数带入即可。

按这个延迟时间激励各个阵元就可以实现中心聚焦。

声束偏转且聚焦:

阵元数为N的线阵换能器，对于任意的第n个阵元在几何三角形OPB中有：

OB=n·d

根据余铉定理三角变换有：

PB2=(nd)^2+F2+2Fndsinθ

其中：PB为第n阵元到焦点的距离；F为线阵中心到焦点的距离；θ为声束中心线偏转角度。

则第n阵元与线阵中心的声程差为：

∆S=F-PB

假设声速为c，由此可以得出第阵元相对于中心阵元的延时值Δtn为：

Δtn=∆S/c

2.相控阵探头参数影响

相控阵超声阵列探头的性能对检测分辨率的影响很大，如何设计探头参数是极为关键的技术之一。

要想获得最优化的设计效果需要研究相控阵阵列探头对声束指向性、聚焦效果等特性的影响。

影响声束特性的探头参数主要包括：探头阵元数(N)、阵元间距(d)和阵元宽度(a)。

这里列举一个通过仿真实验来分析相控阵探头参数对聚焦声场的影响，并计算确定合适的阵列参数，以获得较好的声束特性，从而使超声检测的分辨力提高。

探头参数示意图

当N取8、16、32、64时波束指向性图如图理论聚焦点是。

当N=8时波束宽度很宽、旁瓣很大、波束聚焦效果不是很理想。

随着阵元数的增加，主瓣宽度逐渐变窄、波束聚焦指向性得到明显的改善，同时旁瓣幅值也减小。

结果说明了随着的增加声束，聚焦指向性越好。

但是，随着阵元数的增加，系统的通道数也要增加，从而增加了系统的复杂性和成本。

总之，增加阵元数可以提高超声相控阵的聚焦性能，选择的时候也要考虑成本和系统的复杂性。

当阵元间距取d=0.2λ、0.4λ、0.5λ、0.8λ、1.2λ、1.5λ时，其他参数固定不变，声束聚焦指向性如图所示，随着阵元间距的增加，主瓣宽度逐渐变窄，声束指向性增强，如当d=0.8λ时，焦点的大小质量明显得到改善。

但若继续增加阵元间距主瓣开始变形，d=λ同时出现了栅瓣，波束的质量反而变差。

阵元间距的选取比较重要，取值时不是越大越好，也不是越小越好，要通过仿真实验选取最优参数。

阵元宽度是指单个压电晶片阵元的宽度，是阵元尺寸的另一个参数，其对聚焦性能的影响如图所示。

图中a=0.1λ、0.3λ、0.4λ、0.59λ。

从图中可知阵元宽度对声束主瓣宽度没有太大影响。只是随着阵元宽度的增加，声压强度逐渐增强，有利于提高检测分辨率。

所以，在探头尺寸一定的情况下，应尽可能增加阵元宽度。

通过以上的分析可以得出线性超声换能器各个参数对聚焦声束的一般影响如下：

阵元数：

增加阵元数量可以增加声束指向性能。阵元数越多主瓣宽度越小，旁瓣也会变小。但是也增加了系统的复杂性和成本。

为了满足系统性能和成本，我们认为取即能满足一般情况下声束的要求。

所以，一般在目前国外的超声相控阵仪器的阵元数都在16-64之间。

偏转角度：

偏转角度越小，声束指向性越好。偏转角度越大主瓣宽度越大。同时还可能会带入栅瓣。所以在目前医学和工业超声应用中θ偏转角度控制在60°。这样既能满足声束指向性的要求，同时也不会带入栅瓣。

阵元间距：

增加阵元间距，声束的指向性会更好。间距的增加会使主瓣宽度变小。但是取值过大会带入栅瓣。所以可以在不带入栅瓣的情况下，取较大的值。

阵元宽度：

阵元宽度是对指向性影响最小的一个参数。增大可以增大在控制方向上的声压，获得更好的性噪比。适当增大值，也会使旁瓣变小，但是变小的范围有限。

良好的聚焦声束指向性不是由某一个参数来决定的，一般是受几个参数同时影响。

所以，应该在满足各个参数的基本要求下，在给出的设计指标的约束下，选取最优的参数。