超声检测的一般介绍

很多人都熟悉超声波成像在医学上的应用，即利用高频声波生成人体内部器官的高清晰横截面图像。医学声波图通常是由被称为“相控阵”的特制多晶片探头以及与其配套使用的硬件和软件生成。然而，超声相控阵技术的应用并不只限于医学诊断。相控阵系统同样用于工业环境中，以在常见的无损超声检测中达到新的信息和可视化水平，包括焊缝检测、粘结测试、厚度分析和在役裂纹检测。继续阅读，了解相控阵无损检测与传统超声检测之间的区别。

1.什么是相控阵超声？

无损检测中使用的常规超声探头就晶片数量而言通常有两种：一种是只包含一个晶片，这个晶片既用于生成又用于接收高频声波；另一种包含一对晶片，一个晶片用于发射声波，另一个用于接收声波。而相控阵探头一般是一个换能器组件，这个组件包含16到256个数量不等的小型单个晶片，每个晶片可被分别触发。这些可以排列成条形（线性阵列）、环形（环形阵列）、圆形矩阵（圆形阵列）或更复杂的形状。

与常规探头相同，相控阵探头可以安装楔块，形成一个角度声束组件，用于直接接触法的检测；也可以利用水作为耦合剂，用于水浸法检测中。探头频率通常在2 MHz至10 MHz的范围内。相控阵系统还将包含一台复杂的基于计算机的仪器，可以驱动多晶片探头，接收返回的回波并进行数字化，然后以各种标准格式绘制回波信息。与传统的超声波探伤仪不同，相控阵系统可以通过一定范围的折射角或沿着线性路径发射声束，或在许多不同的深度动态聚焦。因此，相控阵系统可以提高检测设置的灵活性和能力。

典型的相控阵探头组件

典型多晶片结构

2.相控阵系统的工作原理是什么？

从最基本的意义上说，相控阵系统利用了波动物理学的相位调整原理。其改变了一系列输出超声波脉冲之间的时间，使得阵列中每个晶片产生的单个波前相互结合，以可预测的方式增加或消除能量，从而控制和塑造声束。

要达到这个目的，需要以极小的时间差分别对探头的晶片进行脉冲触发。通常，将晶片分组进行脉冲发射，每组包含4到32个数量不等的晶片。通过加长孔径的方法，可以减少不希望发生的声束扩散，完成锐利度更强的聚焦，从而有效地提高灵敏度。被称为“聚焦法则计算器”的软件根据探头和楔块的特性以及被测材料的几何形状和声学属性，确定向每组晶片发射脉冲的特定延迟时间，以生成想要的声束形状。然后由仪器的操作软件所选择的已编好程序的脉冲发射序列，会在被测材料中发射一系列单个的波前。这些交汇在一起的波前在某些位置得到加强，在另一些位置被减弱，从而形成一个单一的主要波前。这个主波前在被测材料内部传播，而且与任何常规超声波一样在遇到裂纹、不连续性缺欠、底面及其他材料边界时会产生回波。声束可以不同的角度、不同的焦距，以及不同的焦点大小被动态偏转，其目的是使单个探头组合件通过一系列不同的视角完成对整个被测材料的检测。声束的这种电子偏转完成得很迅速：一瞬间就可以完成多个角度或多个聚焦深度的扫查。

回波被不同的晶片或晶片组接收，并在必要时进行时间偏移计算，以补偿这些变化着的楔块延迟，然后再进行汇总。与常规单晶探头实际上将触及被测区域的所有声束的效果融合在一起不同的是，相控阵探头可以根据回波到达每个晶片的时间及其波幅，在空间上对返回的波前进行分拣。仪器软件对声束进行处理时，会将每个返回的聚焦法则认作是以某个具体角度、从线性声程上的某个点、和/或从某个具体的聚焦深度反射回来的声束。然后，可以以几种不同的格式显示回波信息。

平面探头通过可变延迟产生的角度声束示例

聚焦线性扫描声束示例

3.图像是什么样子的？

在大多数典型的探伤和厚度测量应用中，超声测试数据将以从处理的RF波形中获得的时间和波幅信息为基础。这些波形和从中提取的信息通常以四种格式中的一种或多种呈现：A扫描、B扫描、C扫描或S扫描。本节展示了传统超声波探伤仪和相控阵系统的图像演示示例。

4.A扫描显示

A扫描是一种简单的RF波形显示，可显示超声信号的时间和波幅，通常由常规超声波探伤仪和波形显示测厚仪提供。A扫描波形表示被测样件中一个声束位置的反射。下面的超声波探伤仪A扫描显示了钢参考试块中两个横通孔的回波。来自普通单晶片接触探头的柱状声束拦截三个孔中的两个，并在与孔深度成比例的不同时间产生两个不同的反射。

一般声束形状	直线声束A扫描图像

与传统超声波探伤仪一起使用的单晶片角度声束探头将沿一个斜射路径产生声束。虽然声束扩散效应将导致声束直径随着距离的增加而增加，但传统角度声束的覆盖区域或视野基本上仍将限于一个斜射路径。在下面的示例中，一个固定位置的45度楔块能够检测到试块中的两个横通孔，因为其会落在其声束内，但不向前移动探头就不可能检测到第三个。

一般声束形状	角度声束A扫描图像

相控阵系统将显示类似的A扫描波形以供参考，但在大多数情况下，将由B扫描、C扫描或S扫描进行补充，如下所示。这些标准成像格式有助于操作员看到被测样件中缺陷的类型和位置。

5.B扫描显示

B扫描是显示通过被测样件的一个垂直切片的横截面轮廓的图像，显示反射体相对于其线性位置的深度。B扫描成像要求在存储相关数据的同时，沿被测样件的选定轴以机械或电子方式扫描声束。下面显示的B扫描表明对应于试块中横通孔位置的两个较深的反射体和一个较浅的反射体。使用传统超声波探伤仪时，探头必须横向移动穿过被测样件。

一般声束形状	显示相对孔深的典型B扫描图像

换句话说，相控阵系统可通过沿线性阵列探头的长边所进行的电子扫查，在无需移动探头的情况下，以类似方式创建一个横截面剖面图：

电子线性扫描（B扫描）图像显示整个线性阵列上的相对孔位置和深度

6.C扫描显示

C扫描表现为被测样件的顶视图或平面图的一个两维数据图像。C扫描在图像显示方面与X光图像极为相似，被测样件的每一点都被映射到图中相应的x-y位置，每个位置会由不同的颜色表现其在闸门内信号的波幅。对于传统仪器，单晶片探头必须以x-y光栅扫描模式在被测样件上移动。使用相控阵系统，一般情况是超声探头沿一个轴做物理意义上的位移，而在另一个轴的方向上，声束会进行电子扫查。在需要使扫描图像中的几何图形点与实际工件上的位置保持准确对应时，通常要使用编码器，虽然在很多情况下，通过非编码的手动扫查也可以得到有用的信息。

下面的图像显示了使用传统浸入式扫描系统（带聚焦浸入式探头）和便携式相控阵系统（带手持式编码扫描仪和线性阵列）对参考试块进行的C扫描。虽然图形分辨率不完全等同，但还有其他考虑因素。相控阵系统为便携式设备，可被方便地携带到检测现场，而常规系统不能做到这点，而且购买相控阵系统的费用只为购买常规系统的三分之一。此外，相控阵图像通常来说只需几秒钟即可生成，而常规水浸扫描图像需要几分钟才能生成。

一般声束形状和移动方向	显示孔洞位置的传统C扫描图像

一般声束形状和移动方向	显示孔洞位置的相控阵C扫描图像

7.S扫描显示

S扫描或扇形扫描图像表示从一系列A扫描中导出的二维横截面视图，这些A扫描已相对于时间延迟和折射角进行了绘制。横轴与被测样件宽度相对应，纵轴与深度相对应。这是医学声波图以及工业相控阵图像的常见格式。声束扫过一系列角度以生成近似锥形的横截面图像。应该注意的是，在本例中，通过发射声束，相控阵探头能够从单个探头位置映射所有三个孔。

左侧为单个角度的A扫描，右侧为复合扇形扫描。标记49度的光标标识了所显示的A扫描的角度位置。

相控阵系统在哪里使用？

超声相控阵系统可被用于几乎任何在传统意义上可以使用常规超声波探伤仪的检测应用中。焊缝检测和裂纹探测为两项非常重要的应用，因为在包括航空航天、电力生产、石油化工、金属坯材和管状商品供应、输运管线建造与维护、结构金属、以及一般制造业在内的各种工业领域中都会用到这两项检测。相控阵技术还可有效地用于腐蚀测量应用，以纵剖面图形式表现材料的剩余壁厚。

相控阵技术优于常规超声技术之处在于它可以使用单个探头组合件中的多个晶片使声束完成偏转、聚焦和扫查等操作。利用通常被称为扇形扫查的声束偏转，可以适当的角度生成被测工件的映射图像。这样就极大地简化了检测几何形状较为复杂的工件的过程。此外，在检测空间有限，不能方便进行机械扫查的情况下，探头的狭小底面及其无需被移动即可以不同角度发射声束的能力更有助于检测这类形状复杂的工件。扇形扫查一般还用于焊缝检测。使用单个探头以多个角度检测焊缝的能力大大提高了探测焊缝异常状态的几率。电子聚焦可在会出现缺陷的位置处优化声束的形状和大小，从而可进一步提高探出率。在多个深度位置聚焦的能力，还可提高体积检测中定量关键性缺陷的能力。这种聚焦特点可以显著改进挑战性应用中的信噪比，而且由多组晶片完成的电子扫查还可以非常迅速地生成C扫描图像。

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