田京

摘要：现如今在工业生产缺陷检测中，应用最多的技术便是超声波缺陷检测技术。而以超声检测为基础而发展起来的超声相控阵技术，拥有明显的优点。与传统超声检测相比，超声相控阵技术最主要的特点就是它能够通过控制超声波束的时间延迟使波数发生偏转，从而对所检测的金属材料进行全方面，综合的检测扫描，大大的增强了检测的灵敏度。而本文将着重介绍超声波检测相关的技术理论，全面阐述超声检测技术在无损检测中的重要地位。

关键词：金属材料；超声缺陷检测；超声相控阵

引言：

作为一门新兴的综合性的技术，无损检测，就是在不损害材料的前提下，对材料进行充分检测验证，以此来对材料的完整性，安全性以及某些物理特性进行检测。检测的主要内容包括检测的材料在形状，大小以及性质等各方面是否存在缺陷。现如今，这项技术已经应用到了机械的制造，冶金，石油化工，航天航空，等各行各业。而几种常见的检测手段包括涡流检测，射线检测以及超声波检测等。超声波检测是一门综合性的检测技术，它包括了传感器技术，信号处理技术，图像显示技术以及模式识别技术等等。国内外现在都在大力研究这项技术，同时，它也是最多的应用在无损检测中的新技术。研究这项技术，对我国的经济技术发展具有重大的意义。

一、超声波检测技术的发展和现状

1.超声波检测技术可追溯到20世纪30年代。当时苏联科学家提出用超声波研究金属材料的内部构造。在二十世纪40年代中期，英国和美国分别研究出了脉冲反射式超声波探伤仪，并且很快的将这种技术应用到了锻钢的缺陷检测中。进入到20世纪50年代，这种技术又成功的进入到了各大工业行业中。随后，德国科学家又研制出灵敏度更加优秀的超声波探测仪，使得缺陷检测技术得到了更进一步的发展。20世纪80年代，相控阵技术陆续被应该用在了无损检测中。

除了国外，中国国内的无损检测技术同样发展迅猛。我国接触这项技术是在建国初期，我国的铁道部引进了德国的相关无损检测技术来检测铁轨。1953年，我国成功研制出脉冲式超声波检测仪。随着科技的不断进步，无损检测技术也在不断的发展，向着智能化，小型化的方式发展。

2.在进行超声波检测时，由于材料的不均匀，精密度等，超声波在进入金属材料内部是，会发生散射，衰减现象，使得检测结果变得不准确。而超声波信号处理技术可以提高超声检测的精确性，是超声检测中十分重要的技术。但是，这种技术并不完善，所以需要我们继续进行深入的研究，从而解决这种技术的难题。

二、超声相控阵检测基本原理和方法

超声相控阵检测技术是一种新型的，高效精确的检测技术。它通过使用阵列转换器，然后利用其中的每个阵元来接收脉冲的时间延迟，通过改变相位关系，达到聚焦点和声波束方向位置的变化，以此来控制相控波束的合成和成像。

超声相控阵检测技术是利用提前合理设计的每个独自发射以及时间延迟电路每一次激励一个或者多个压电阵元，以此来获得可以控制的，人们预先期望得到的相位声波。而其中各个压电阵元在材料检测的过程中，它们会使产生的声场相互的干涉叠加，进而可以得到我们预期想得到的波束的进入角度以及位置。所以，通过这种新的技术方法，可以形成声束的聚焦和偏转等等相控效果。

利用超声波相控阵检测技术来发射电波，发射的电路中随即会生出触发脉冲信号，在脉冲信号的影响下，各个相控阵单元就会产生一定的高压脉冲，这种高压脉冲具有一定的宽度，同时，它也能够编程控制。然后，在相控阵转换器的作用下，这些高压激励脉冲通过每个压电晶片来产生超声波。

超声相控阵有三种工作方式，第一种是线性扫查，这种方法又称为电子扫查，它的工作方法是设全部的相控阵阵元为N，规定相邻n和阵元为一个组，对每一个组用相同的聚焦法则，然后激活第一组阵元，沿着阵列长度方向向前移动一个步进值。第二种方法为扇形扫查，它的工作原理是随机选择一组阵元，然后对其使用不同的聚焦法则，每一次都变化声波束的偏转的角度，形成一个扇形的检测区域。第三种就是动态聚焦，它指的是通过在声轴的不相同的深度来实现聚焦，它主要适合的是比较薄的检测材料。

三、超声相控阵检测成像技术研究

超声相控阵检测技术被越来越多的应用到了无损检测领域中。他的工作原理是利用阵列转换器，然后对各阵元发射的声波相位进行控制，从而得到控制超声波声场的目的，提高检测信号的信噪比，准确率等等。所以我们需要引入一个值来对比它的性能标准，这个值我们称之为波束指向性。超声波，在发射后由于在自由空间中叠加，干涉，于是产生了指向性。

通过研究发现如果改变压电阵列中相邻两个阵源的相位差，那么我们就可以轻易地改变超声波数的指向，最后，我们就能够使得相控阵波束在空间内扫描偏转。

在规定检测角度中，超声信号实现波束的扫描时，能够通过压电振元收到的回波信号的值来实现检测角度范围。而当波束扫描到了缺陷地时，波数就会集中的聚集到了缺陷处，此时回波信号的信号最强。同理可以得出，当波束远离缺陷处时，此时回波信号的信号逐渐减弱。所以我们可以得出，根据回波信号的强弱，我们就可以判断出缺陷位置。

根据相控阵波束扫描的原理，我们知道控制信号是有时间延迟的，而我们通过控制这种时间延迟，就能够实现它在一定范围内的扫描偏转。在此过程中，如果波束扫描到了缺陷处，便会通过传感器反映。

四、超声相控阵检测的展望

但是，不得不承认的是，超声相控阵检测技术并不完善，需要继续的研究和分析，继续深入研究超声波相控阵检测的基本原理和方法，研究具有不同形状以及不同类型的材料的检测方法。同時，要继续研究这种技术中的材料缺陷的发现以及成像技术，以此来得到更大的扫描成果，准确定位缺陷。

五、结束语

超声波相控阵检测技术是近几年来产生的新技术，它通过对各镇原的有力激励，可以得到灵活的偏转以及聚焦声束，通过线性扫查，扇形扫查，动态聚焦等高效新新工作方法，获得了比传统超声检测更加优秀的检测速度和灵敏度，成为了世界上最热门的无损检测技术。本文介绍了超声波检测技术的发展现状，研究了超声波相控阵技术的工作原理和方法，总结了此项技术的发展趋势，相信这项技术会在未来得到更好的发展，更好的为无伤检测技术服务。

参考文献：

[1]段伟亮.铝合金厚板电磁超声缺陷检测方法研究[D].哈尔滨工业大学，2011.

[2]黄玉秋.相控阵超声缺陷检测信号处理研究[D].天津大学，2014.

[3]贺鹏飞.基于经验模态分解的铝材缺陷超声检测方法研究[D].江苏大学，2014.