陈茹 赵玮 王戈 开封市质量技术监督检验测试中心

对于大口径长输管道而言，在对物质进行运输时，起到了非常重要的输送作用。但是，在对大口径长输管道进行应用时，经常会面临环焊缝缺陷问题的产生，如果不能提前采取有效的措施进行解决，将会引发非常严重的泄漏问题。针对这种现象，必须在一定的时间内对焊缝进行无损检测，而超声相控阵在无损检测中实现了非常广泛的应用，其声场特点对于探伤灵活性起到了非常重要的决定性作用，并且在换能器设计环节中，也可以提供非常重要的参考依据。因此，加强对超声相控阵设计的优化工作，保证可以将该技术的价值作用充分发挥出来。

一、超声相控阵分析

（一）超声相控阵的概念

对于超声相控阵技术，主要是在雷达电磁波相控阵技术基础上产生的。在相控阵雷达技术中，涉及到了非常多的辐射单元，通过对陈列天线中各单元幅度与位置的有效控制，可以实现对电磁波辐射方向的调整工作，在一定的时间与空间范围内，可以形成聚焦扫描的雷达波速。在超声相控阵换能器中，包含了非常多的压点晶片，并且彼此之间具有一定的独立性，通过一定的规律与流程，使用电子系统对各个晶片单元进行控制，最终实现对焦点位置以及聚焦方向的有效调节。

（二）超声相控阵换能器

超声相控阵探头主要是由多个压电晶片以排列的形式组合而成，并且彼此之间具有一定的独立性，在对压电晶片激励顺序进行调整的基础上，可以完成声束的有效转移与聚焦。在对超声相控阵换能器进行应用的过程中，为了可以满足不同应用环境与条件的需求，可以根据实际情况实现对超声相控阵换能器的多种组合，主要包括1维线阵、1.5维矩阵、2维矩阵、环形阵、扇形阵、1维凹面阵、双线矩阵、双1.5维阵等，具体如下图1所示。

对于不同形式的相控阵，在对阵元发射延时的有效控制，最终可以获取到比较灵活的声束，同时在保证探头稳定性的基础上，可以实现大范围的检测工作。其中，1维线阵在具体的制造过程中，通常涉及到的制作流程比较简单，所以如今获得了比较广泛的应用。2维矩阵因为在制作过程中对于工艺方面有着非常高的要求，同时在电路上呈现出了非常明显的复杂性，需要较多成本的投入，所以一般主要是应用到了医疗领域当中，还没有引起工业领域的高度重视。1维凸面阵主要适合应用在管道内部的检测工作中。1为凹面阵主要是应用于弯管的检测中，环形阵列不能对声束偏转进行有效控制，所以通常应用于医学成像或者是脉冲多普勒体积流量计中。扇形阵列主要是应用到了棒材检测中，双1.5维阵与双线型阵通常是对管道表面存在的缺陷问题进行检测。

结合以上分类形式进行分析，主要是按照相应的阵元排列方式来进行的。同时，如果是在检测对象或者是检测条件比较特殊的情况下，也会选择与之相符的超声相控阵换能器。比如，当空间规模比较有限，检测工作会受到一定的限制时，就可以选择使用小脚印换能器。如果所检测的管道表面不够规则时，就可以选择使用具有一定柔性的换能器。

（三）超声相控阵检测的特点分析

目前，采用超声相控阵技术进行检测时，一维线阵有着比较广泛的应用。超声相控阵主要是通过各个阵元发生的超声，在经过一定的控制之后形成预期的声束，利用同一频率的脉冲来对各个阵元产生一定的激发作用，并且对于激发的时间进行延迟，因为每一个阵元的发射声波会出现一定的相位差，这就会对最终的控制结果产生一定的影响，从而也就形成了偏转与聚焦声束，具体如下图2所示。对于每一个阵元的激发延迟，通常被称作为聚焦法或者是延时法则。

图2 超声相控阵偏转与聚焦声束的产生

与以往的单晶片换能器超声检测相比具有一定的差异，主要是因为超声相控阵不同的阵元组合与不同的聚焦法之间进行了有效融合，从而形成了具有一定特殊性的工作方式，分别体现在了以下几个方面：第一，线性扫查。对于线性扫查而言，主要指的是电子扫查，在具体的操作过程中，首先假设相控阵阵元的总数为N，将相邻的n个阵元组合成一个组合，然后对于每一个组合斤采取同样的聚焦法则。其次，通过对聚焦法则的设定，对于第一组阵元产生一定的激发作用。最后，按照阵列的长度方向，不但向前移动，采取一样的聚焦法则，然后对第二组阵元进行激发，通过这种方式不断推进，直到激发最后一组阵元。通常情况下，会将一组阵元作为一个序列，在将其全部扫查完之后，就会得到相应的序列回波信号，在保证探头稳定性的基础上，就可以实现大范围的检测工作；第二，扇形扫查。在采用扇形扫查方式时，通常都是对一组阵元进行明确，然后对这组阵元分别采用不同的聚焦法则，并且在每一次扫查中，分别转变声束的偏转角度，这样就能产生扇形的扫查范围。与线性扫查方式相比具有一定的差异，主要是因为在对扇形扫查方式进行应用时，可以保证阵元的稳定性，只需要根据实际情况对聚焦法则做出相应的改变；第三，动态聚焦。在对动态聚焦进行应用时，主要是在面对不同深度的声轴时，开展聚焦处理工作，也就是实现对晶片的动态控制，通过采用这种聚焦法则，在面对不同深度的声轴时，也可以实现动态化聚焦。通常情况下，这种聚焦方式主要是应用在比较薄的管道检测工作中。

二、相控阵换能器的优化设计分析

本文在具体的研究过程中，主要是对N个宽度为W，长度为L的矩形阵元共同形成的线性超声相控线阵。对于每一个相邻阵元之间，其距离为d，换能器的中心频率为7.5MHz。超声纵波在金属焊缝当中的声速为每秒5900m，焊缝当中超声的波长为0.787mm。通过针对超声相控阵开展相应的优化设计工作，主要是为了将声音集中在主扳尖锐中，对于栅瓣中的声束进行控制，通过这种方式可以在一定程度上降低旁瓣的幅度。

（一）阵元数量N对声束指向性的影响

如下图3所示，在阵元数量不断增加的基础上，声束主瓣的宽度会逐渐缩小，并且也在一定程度上降低了旁瓣的幅度。另外，随着系统通道数的不断增加，后续硬件系统也相应提升，这就导致系统呈现出了非常明显的繁琐性，同时对于成本方面提出了更高的要求，因此，应该将阵元数量控制在16至128之间。

图3 声束的空间指向性

（二）阵元距离d对声束指向性的影响

在对阵元宽度明确的基础上，随着之间距离的不断增加，那么主瓣宽度就会在原来的基础上不断减小，同时会提升波束的聚焦指向性。如果是在阵元间距为0.6的情况下，当出现栅瓣时，就会造成假象问题的产生。针对这种现象，在增加距离的基础上，可以使主瓣逐渐变得尖锐，同时保证聚焦能量的集中性，但是，如果阵元距离超出一定的范围之后，就会导致栅瓣现象的产生，一般需要将阵元之间的距离控制在0.5以内。

（三）阵元长度L对声束指向性的影响

对于阵元长度而言，在对阵元尺寸进行明确时，主要是作为一个参数而存在。如果是在阵元长度比较小的情况下，其声束的栅瓣会增加，同时主瓣变宽，这时就会在一定程度上增加聚焦范围，从而影响到最终的聚焦效果。在阵元长度不断增加的基础上，会缩小波束的形状，能量相对降低。因此，应该将阵元长度控制在16倍左右。

（四）阵元宽度w对声束指向性的影响

在阵元尺寸中，阵元宽度属于另外一个比较重要的参数，通常与主瓣之间不存在太大的联系。在阵元宽度不断增加的基础上，会导致栅瓣的幅度逐渐降低，这时会增加阵元的实际面积，减少阵元数量，使旁瓣幅度不断增加。因此，在对探头尺寸明确的基础上，应该采取措施来提升阵元的宽度，同时还需要达到相控阵的组成条件，保证阵元宽度可以低于阵元距离。

三、试验平台与试验结果分析

在对试验平台进行构建的过程中，主要是严格参照“全自动超声检测环形焊缝实施细则”中的相关规定，在对环焊缝坡口进行选择时，主要是V型为主。结合对相控阵换能器参数的分析结果进行分析，在对相控阵探头参数进行明确时，其中阵元数量为64，阵元之间的距离为0.5mm，阵元宽度为0.4mm，阵元长度为10mm，换能器的中心频率为7.5MHz。在对超声相控阵进行优化设计之后，其换能器发射声束的指向性如下图4所示。

图4 优化之后的声束指向性

在具体的试验过程当中，首先在特定的试验条件与环境下，分别使用超声相控线阵与一个同频的常规超声探头来开展试验工作，最终对试验结果进行了对比分析，具体如下图3所示。在试验过程当中对超声相控阵进行设置时，主要是将四个阵元为一个组合，然后从中任意选出一个镇元，来完成声波发射或者是声波接收操作，在此基础上形成系统的声束。在这次试验过程当中，主要是进行了八路声束声波的合成聚焦。具体如下图5所示，由图中的相关内容进行分析，之前的回波次数要多于之后的试验，并且增加幅度比较高，由此可以看出，声波在能量方面具有一定的集中性。

相控阵探头回波

常规超声探头回波

四、结语

综上所述，将超声相控阵技术应用于管道缺陷检测工作中，要想保证最终超声相控阵检测效率达到相应的标准要求，同时保障最终检测结果的准确性，与相控阵列尺寸之间有着非常密切的联系。本文针对超声相控阵的概念进行了深入分析，同时对线阵参数对超声束聚焦产生的影响进行了深入探究，在此基础上对相控阵转换器的设计优化原则进行了明确，并进行了相应的试验操作，从而有效保证这种方法在应用过程中的有效性与合理性。