超声相控阵技术的发展及应用

第２１卷第２期２、（’２年２月

无损检测

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超声相控阵技术的发展及应用

钟志民．梅德松

（核工业无损检测中ｏ，上海２００２３３）

摘要：扼要介绍超声相控阵技术的发展历史、原理及特点。着重介绍其最新研究动态及其在

核工业无损检测与评份中的典型应用。指出将相控阵技术同其它诸如纵波一发一收（－ＩＲＩ＾声时

衍射（ＴＯＦＤ）技术、数：｝信号处理（ＤＳＰ）厦成像等技术结合起来，将有助于充分发挥其特点，提高其检测能力，促进无损险测与评价的发展厦应用，

关键词：超声检验；相控阵技术；换能器；核电站

中固分类号：ＴＧｌｌ５．２８＋５

文献标识码：Ａ

文章编号：ｌｏｏｏ＿６６５６（２００２１０２

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超声相控阵技术已有近２０多年的发展历史。初期主要应用于医疗领域，医学超声成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官成像－１］；利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌，使目标组织升温并减少非目标组织的功率吸收【２］。最初，系统的复杂性、固体中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。然而随着电子技术和计算机技术的快速发展，超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测，峙别是在核工业及航空工业等领域。如核电站主泵隔热板的检测”］；核废

取得一系列进展，如采用新的复合材料压电换能器改善电声性能“］；奥氏体焊缝、混凝土和复合材料等的超声相控阵检测ｌ７－－９１；Ｒ／ＤＴＥＣＨ，ＳＩＥＭＥＮＳ及１ＭＡＳＯＮＩＣ等公司已生产超声相控阵检坝Ｉ系统及相控阵换能器。而动态聚焦相控阵系统“…，二维阵列、自适应聚焦相控阵系统Ｌ１“，表面波及板波相控阵换能器－”３和基于相控阵的数字成像系统等的研制、开发、应用及完善已成为研究重点。其中，自适应聚焦相控阵技术尤为突出，它利用接收到的缺陷回波信息调整下一次激发规则，实现声束的优化控制，提高缺陷（如厚大钛锭中的小缺陷或埋藏较深的大缺陷）的检出率。目前，国内在超声相控阵技术上的研究应用尚处于起步阶段，主要集中于医疗领域。

料罐电子束环焊缝的全自动检测－４１及薄铝板摩擦焊

焊缝热疲劳裂纹的检测＿５］。近几年，超声相控阵技术发展尤为迅速，在第【５屉世界无损检测会议中，关于超声相控阵技术的文彭：有１７篇之多。在相控阵系统设计，系统仿真、生产与测试和应用等方面已

ｌ原理及特点

超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。换

收稿日期：２００１

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能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列，每个晶

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钟志民等：超声相控阵技术的发展及应用

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（ａ）声采的平移（ｂ）声束角的控制

图１相控阵换能器的声束控制（Ｎ——单元序号）

（ｃ）聚焦的拄制

片称为一个单元，按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个单元，使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的渡阵面。同样，在反射波的接收过程中，按一定规则ｊ；口时序控制接收单元的接收并进行信号合成，再将合成结果以适当形式显示ｏ…。

由其原理可知，，旧控阵换能器最显著的特点是可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布。其声束角度、焦柱位经、焦点尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调；施且探头内可快速平移声束（图１）。因此，与传统超声检测技术相比，相控阵技术的优势是①用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测速度。②不移ｚ自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。③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所关心区域的多角度多方向扫查，因此在核工业设备检测中可减少受辐照时间。④优化控制焦柱长度、焦点尺寸；阳声束方向，在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。

当然，相控阵技：忙在实现上要面临诸多挑战，如要求压电晶片电声性能好；相邻单元间隔声性能好；避免产生旁瓣，声束：菊度较大时更应注意该问韪；时间延迟的精确控制以及声束方向、形状及声压分布的仿真等。

超声相控阵换能器按其晶片形式主要分三类，即线阵、面阵和环形阵列。线阵最为成熟，已有含２５６个单元的线阵（Ｎ×１），可满足多数情况下的应

济适用性影响废类探头在Ｊ二业检测领域的应用；环形阵列在中心轴线上的聚焦能力优异、旁瓣低、电子系统简单、应用广泛，但不能进行声束偏转控制。

２典型应用

在核动力装置及设备中，厚壁上件、粗晶材料和复杂形状工件多，设备和管道中某些焊缝一ｒ达性及可检性差而申请免检多。此时，应用相控阵技术可提高检测效率，减少辐照时间，扩人超声检测应用范围，取得显著的经济效益和社会效益。

用相控阵技术对盛装核废料的罐体封头和简体问电子束焊环焊缝进行１００％全自动超声检测“】，可避免采用复杂机械装置，利用其动态聚焦能力并结合分离谱技术可减少粗晶的影响，提高信噪比。采用含６４个单元的相控阵换能器进行水浸法Ｂ扫描检测，在模拟试块中可检出焊缝区内直释为１～３ｍｍ的人工边孔。

９００ＭＷ压水堆主泵隔热板热疲劳裂纹的检测存在的困难是“］，凸缘和轴承之间空问狭小（图２），探头移动空间极为有限，可达性差；双曲面形状的凸缘使声束强烈发散。然而，使用具有１６个单元的线性阵列探头进行检测，可不拆卸轴承和密封圈等结构；具有双曲面形状的楔块可实现探头和凸缘问的耦合；根据楔块形状调整延迟，校正畸变声场。该系

用要求；面阵又叫二堆阵列（Ｎ×Ｍ），可对声束实现

三维控制，对超声成像及提高图像质量大有益处，目前已有含１２８×１２８年列的超声成像系统应用于金属和复合材料的检测与性能评价［”］，该系统具有实时ｃ扫描成像功能，以标准视频图像在液晶显示器上显示，然而同线阵相比，面阵的复杂性剧增，其经

图２热疲劳裂纹的检测

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图３枞树形叶片的检测

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钟志民等：超声相控阵技术的发展及应用

统口］扫查圆周外表面以Ｆ２００ｍｍ的范围．可柃出Ｔｅｓｔｉｎｇ，Ｗｗｗ径向平面内５ｍｉｔｔ以上的疲劳裂纹。

粗晶奥氏体钢在核工』！中应用广泛，ｆ＿Ｈ其可ｇ检测，直是个难题。最新％｝究表明，相控阵技术同ＴＲＩ。及ＤＳＰ技术结合起来已成为行之有效的检测手段．其最大特点是检测信噪比高，且只需一个相控阵换能器就可椅测不同深度缺陷‘“。

汽轮机转于叶根、轮槽和键槽等的超声检测由于其结构限制而难以用普遥单一探头进行。以叶根检测为例．若使用相控阵换能器，可在不拆卸叶片的

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条件Ｆ从图３中Ｉ，Ⅱ．Ⅲ＝二个方向检测，既能提高ｗｗｗ检测效率．又能避免拆卸损］不Ｌｌ－ｑ。

在其它工业领域，相控阵技术亦有着广泛的应

测－．．Ｒ／ＤＴＥＣＨ公司研制的管道全自动超声相

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ｍｉｌｌ的管道・扫查速度为１ＣＯｍｍ／ｓ，４ｍｉｎ可检测一条完整的陆地输油管焊缝（包括仪器安裴和拆除），结合声时衍射技术（ＴＯＦＤ）提高缺陷检出能力和定

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３结论

超卢相控阵技术的特点及在众多富有挑战性检

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阔的应用与发展前景，ＮＮＰ＋Ｎｇ－＃Ｎ－与＃ｋＮ、数字成像和声时衍射等技术结合起来是其主要发展方向，显然，超声相控阵技术的应用将有助于改善检测的可达性和适用性，提高检测的精确性、重现性及

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检测结果的ｑ－靠性，增强检测的实时性和直观性，促ｔｉｎｇ，ｗｗ¨ｎｄｔ．ｎｅｔ，１９９８，３（１２）进无损检测与评价的应用及发展。参考文献：

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会译美国无损检测手册・超声卷（上册）［Ｍ］．上海：世界图档出版公司，１９９６．４３８～４４４．

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超声相控阵技术的发展及应用

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

钟志民， 梅德松

核工业无损检测中心,上海 200233无损检测

NONDESTRUCTIVE TESTING2002,24(2)38次

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引用本文格式：钟志民. 梅德松 超声相控阵技术的发展及应用[期刊论文]-无损检测 2002(2)