技术基础


相控阵技术

超声相控阵探头由多个独立的压电晶片组成,每个晶片能够独立完成脉冲发射与脉冲接受任务。通过对晶片施加精确的激励时间延迟来实现波前的能量干涉,从而实现波束能量的聚焦或者偏转,一定范围内可以实现声束能量在正在待检工件中的任何深度及角度的聚焦。

右图中的声束仿真结果说明了这一原理,其中4组晶片阵列上分别计算了不同的延迟法则使其合成的声束能进行特定角度的偏转或特定坐标位置的聚焦。如图所示,每个晶片在指定时间发射球面波,所有球面波在指定位置的干涉叠加形成在特定方向几乎平面的波前。

波前在目标焦点之前和之后分别是呈球形的会聚和发散。下面的图中显示了几个不同延迟法则得到不同的波束特点:a.当没有应用延迟法则时,所得到的超声波束未聚焦且等效于等孔径的常规超声探头产生的声束,图中声束的能量最大点称为“自然焦点”其定义了对应探头的近场距离。 b中的延迟法则实现了波束的偏转,该超声波束与常规超声探头结合楔形使用的实现的波束偏转效果等效。

 

延迟法则的例子和对应声场(位移能量分布)。 使用CIVA仿真软件进行的计算:(a)无延迟法则,(b)仅角度偏转(c)深度聚焦(d)角度和深度聚焦的组合。

这里没有计算声束聚焦,所应用的延迟法则仅实现了超声波束的角度偏转。 图c和d分别是与a和b中所示相同的探头参数配置,只是在原有的延迟法则上添加了聚焦深度从而实现能量在指定深度的聚焦,从而得到了焦点更窄并且定位更精准的声束。 为了用常规探头获得相同的结果,需要使用特殊设计的晶片外形以获得所需的焦点。

原理

phased_array_principles_en

相控阵原理; 延迟定律计算为聚焦在给定的深度和角度

参考

Mahaut S.,Chatillon S.,Kerbrat E.,Porre J.,Calmon P.和Roy O.,“相控阵技术检查的新特征:模拟和实验”,WCNDT会议论文集,2004年。

Roy O.,Mahaut S.和Casula O.,“开发用于检查复杂几何构件的智能柔性传感器:建模和实验”,“定量无损评估综述”,Vol。 21,美国物理研究所,2002。

Mahaut S.,Chatillon S.,Raillon-Picot R.和Calmon P.,“使用超声相控阵的动态检测模式的模拟和应用”,“定量无损评估综述”,Vol。 23,美国物理研究所,2004。

Neau G.,Hopkins D.,Tretout H和Boyer L.,“用于飞机维护,制造和开发的相控阵应用”,2006年航空航天测试博览会。

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