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柯盛行 首頁>新聞動態

超聲相控陣技術的發展及應用

摘  要:扼要介紹超聲相控陣技術的發展歷史、原理及特點。著重介紹其最新研究動態及其在核
工業無損檢測與評價中的典型應用。指出將相控陣技術同其它諸如縱波一發一收(TRL) 、聲時衍射
(TOFD) 技術、 數字信號處理(DSP) 及成像等技術結合起來,將有助于充分發揮其特點,提高其檢測能
力,促進無損檢測與評價的發展及應用。
關鍵詞: 超聲檢驗; 相控陣技術; 換能器; 核電站
   超聲相控陣技術已有近 20 多年的發展歷史。初期主要應用于醫療領域,醫學超聲成像中用相控
陣換能器快速移動聲束對被檢器官成像[1 ]
 ;利用其可控聚焦特性局部升溫熱療治癌,使目標組織升溫
并減少非目標組織的功率吸收[2 ]
 。最初,系統的復雜性、固體中波動傳播的復雜性及成本費用高等
原因使其在工業無損檢測中的應用受限。然而隨著電子技術和計算機技術的快速發展,超聲相控陣技
術逐漸應用于工業無損檢測,特別是在核工業及航空工業等領域。如核電站主泵隔熱板的檢測[3 ]
 ;核
廢料罐電子束環焊縫的全自動檢測[4 ]
及薄鋁板摩擦焊焊縫熱疲勞裂紋的檢測[5 ]
 。 近幾年,超聲相控陣
技術發展尤為迅速,在第 15 屆世界無損檢測會議中,關于超聲相控陣技術的文獻有 17 篇之多。在相
控陣系統設計、系統仿真、生產與測試和應用等方面已取得一系列進展,如采用新的復合材料壓電換
能器改善電聲性能[6 ]
 ;奧氏體焊縫、混凝土和復合材料等的超聲相控陣檢測[7-9 ]
 ;R/ D
TECH ,SIEMENS 及 IMA2SONIC 等公司已生產超聲相控陣檢測系統及相控陣換能器。 而動態聚焦
相控陣系統[10 ]
 ,二維陣列、自適應聚焦相控陣系統[11 ]
 ,表面波及板波相控陣換能器[12 ]
和基于相控陣
的數字成像系統等的研制、開發、應用及完善已成為研究重點。其中,自適應聚焦相控陣技術尤為突
出,它利用接收到的缺陷回波信息調整下一次激發規則,實現聲束的優化控制,提高缺陷(如厚大鈦錠中
的小缺陷或埋藏較深的大缺陷)的檢出率。 目前,國內在超聲相控陣技術上的研究應用尚處于起步階段,
主要集中于醫療領域。
1    原理及特點
超聲相控陣換能器的設計基于惠更斯原理。換能器由多個相互獨立的壓電晶片組成陣列,每個晶
片稱為一個單元,按一定的規則和時序用電子系統控制激發各個單元,使陣列中各單元發射的超聲波
疊加形成一個新的波陣面。 同樣,在反射波的接收過程中,按一定規則和時序控制接收單元的接收并進
行信號合成,再將合成結果以適當形式顯示[13 ]
 。
由其原理可知,相控陣換能器最顯著的特點是可以靈活、便捷而有效地控制聲束形狀和聲壓分
布。其聲束角度、焦柱位置、焦點尺寸及位置在一定范圍內連續、動態可調;而且探頭內可快速平移聲束(圖1) 。 因此,與傳統超聲檢測技術相比,相控陣技術的優勢是①用單軸扇形掃查替代柵格形掃查
可提高檢測速度。②不移動探頭或盡量少移動探頭可掃查厚大工件和形狀復雜工件的各個區域,成為
解決可達性差和空間限制問題的有效手段。   ③ 通常不需要復雜的掃查裝置,不需更換探頭就可實現
整個體積或所關心區域的多角度多方向掃查,因此在核工業設備檢測中可減少受輻照時間。   ④ 優化
控制焦柱長度、焦點尺寸和聲束方向,在分辨力、信噪比、缺陷檢出率等方面具有一定的優越性。
圖1    相控陣換能器的聲束控制( N ———單元序號)
當然,相控陣技術在實現上要面臨諸多挑戰,如要求壓電晶片電聲性能好;相鄰單元間隔聲性能好;
避免產生旁瓣,聲束角度較大時更應注意該問題;時間延遲的精確控制以及聲束方向、 形狀及聲壓分布
的仿真等。
超聲相控陣換能器按其晶片形式主要分三類,即線陣、面陣和環形陣列。線陣最為成熟,已有含
256 個單元的線陣( N ×1) , 可滿足多數情況下的應用要求;面陣又叫二維陣列( N ×M) ,可對聲束實
現三維控制,對超聲成像及提高圖像質量大有益處,目前已有含 128 ×128 陣列的超聲成像系統應用
于金屬和復合材料的檢測與性能評價[14 ]
,該系統具有實時 C 掃描成像功能,以標準視頻圖像在液晶
顯示器上顯示,然而同線陣相比,面陣的復雜性劇增,其經濟適用性影響該類探頭在工業檢測領域的應
用;環形陣列在中心軸線上的聚焦能力優異、旁瓣低、電子系統簡單、應用廣泛,但不能進行聲束偏轉
控制。
2    典型應用
在核動力裝置及設備中,厚壁工件、 粗晶材料和復雜形狀工件多,設備和管道中某些焊縫可達性及
可檢性差而申請免檢多。此時,應用相控陣技術可提高檢測效率,減少輻照時間,擴大超聲檢測應用范
圍,取得顯著的經濟效益和社會效益。
用相控陣技術對盛裝核廢料的罐體封頭和筒體間電子束焊環焊縫進行100 %全自動超聲檢測[4 ]
 , 可避免采用復雜機械裝置,利用其動態聚焦能力并結合分離譜技術可減少粗晶的影響,提高信噪比。 采
用含 64  個單元的相控陣換能器進行水浸法 B  掃描檢測,在模擬試塊中可檢出焊縫區內直徑為
13mm 的人工邊孔。
900MW 壓水堆主泵隔熱板熱疲勞裂紋的檢測存在的困難是[3 ]
,凸緣和軸承之間空間狹小(圖2) ,
探頭移動空間極為有限,可達性差;雙曲面形狀的凸緣使聲束強烈發散。然而,使用具有 16 個單元的
線性陣列探頭進行檢測,可不拆卸軸承和密封圈等結構;具有雙曲面形狀的楔塊可實現探頭和凸緣間
的耦合;根據楔塊形狀調整延遲,校正畸變聲場。該系統可掃查圓周外表面以下 200mm 的范圍,可檢
出徑向平面內 5mm 以上的疲勞裂紋。
粗晶奧氏體鋼在核工業中應用廣泛,但其可靠檢測一直是個難題。最新研究表明,相控陣技術同
TRL 及 DSP 技術結合起來已成為行之有效的檢測手段,其最大特點是檢測信噪比高,且只需一個相
控陣換能器就可檢測不同深度缺陷[7 ]。
汽輪機轉子葉根、輪槽和鍵槽等的超聲檢測由于其結構限制而難以用普通單一探頭進行。以葉
根檢測為例,若使用相控陣換能器,可在不拆卸葉片的條件下從圖3 中 , ,  ⅠⅡⅢ三個方向檢測,既能提
高檢測效率,又能避免拆卸損壞[15 ]。
在其它工業領域,相控陣技術亦有著廣泛的應用,如壓力容器、 高能管道焊縫和輸油管道焊縫的檢
測[15 ] 。R/ D TECH 公司研制的管道全自動超聲相控陣系統可檢測壁厚 650mm ,直徑 100 1 400mm
的管道,掃查速度為100mm/ s ,4min 可檢測一條完整的陸地輸油管焊縫(包括儀器安裝和拆除) ,結合
聲時衍射技術(TOFD) 提高缺陷檢出能力和定量精度。
3    結論
超聲相控陣技術的特點及在眾多富有挑戰性檢測中的成功應用,使之成為超聲檢測的重要方法
之一。由于它可以靈活而有效地控制聲束使之具有廣闊的應用與發展前景,將其同信號分析與處理、
數字成像和聲時衍射等技術結合起來是其主要發展方向。顯然,超聲相控陣技術的應用將有助于改善
檢測的可達性和適用性,提高檢測的精確性、 重現性及檢測結果的可靠性,增強檢測的實時性和直觀性,
促進無損檢測與評價的應用及發展。


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