超声相控阵在管道缺陷检测中的优化设计

　　1引言

　　大口径长输管道是一种重要的物质输送工具。而管道环焊缝中存在的缺陷会引发泄漏事故，需要对焊缝进行定期无损检测[1]。超声相控阵无损检测技术是其中之一。相控阵换能器的声场特性决定探伤灵敏度，是换能器设计的主要依据[2]。本文从对大口径长输管道环焊缝缺陷检测的实际需求出发，采用数值分析方法，研究并仿真了线阵参数对超声束聚焦性能的影响。然后介绍了试验平台。在此基础上，选取一个超声相控阵探头和一个常规探头进行了对比试验。

　　2相控阵换能器的优化设计分析

　　本文的研究对象是由N个宽度为w，长度为L的矩形阵元组成的线性超声相控线阵。相邻阵元的中心间距为d，换能器的中心频率f=7. 5MHz。超声纵波在金属焊缝中的声速v= 5900m/s，焊缝中超声的波长 λ =0. 787mm。优化设计的目的是尽可能地使声束主瓣尖锐，抑制栅瓣的产生，减弱旁瓣的幅度。

　　2. 1阵元数f N对声束指向性的影响

　　如图1所示，阵元数量的增加使得声束主瓣宽度变窄，旁瓣幅值减小。同时，系统的通道数也相应增多，后续硬件系统增大，增加了系统的复杂性和成本。所以，一般取16≤N≤128。

　　2. 2阵元间距d对声束指向性的影响

　　当阵元宽度w一定时，随着间距的增加，主瓣宽度变窄，波束的聚焦指向性增强。但当d=0. 6 λ 时出现了栅瓣，这将会导致假像的出现。所以，间距增大可使主瓣变得尖锐，聚焦能量更加集中，但间距过大会出现栅瓣.一般阵元间距的取值可为d<0. 5 λ .

　　2. 3阵元长度L对声束指向性的影响

　　阵元长度是阵元尺寸的一个参数.当阵元长度较小时，声束的栅瓣较大，主瓣较宽，聚焦区域太大而导致聚焦效果很差。随着L的增加，主瓣和栅瓣的宽度减小，但没有改变栅瓣的幅度.当L=16w时，波束具有良好的指向性和聚焦性。若L继续增加，波束的形状变化很小，但能量有所减弱。所以,L的取值约为w的16倍左右。

　　2. 4阵元宽度w对声束指向性的影响

　　阵元宽度是阵元尺寸的另一个参数，对主瓣没有太大影响.随着W的增加，栅瓣的幅度逐渐减小。但同时也带来了阵元面积的增大，阵元数量的减少，从而导致旁瓣幅值的增加。所以，在探头尺寸一定的情况下，尽可能地增加阵元的宽度，还要满足相控阵的构成条件即w

　　3试验平台及试验结果

　　检测台的搭建参考ASTM E-1961- 98《全自动超声检测环形焊缝实施细则》。选取的环焊缝坡口形式为V型，壁厚17. 5mm。根据以上对相控阵换能器参数的分析，相控阵探头的参数为:N=64,d=0.5mm, w=0. 4mm, L= lOmm, f = 7. 5MHz。优化后的相控阵换能器发射声束的指向性如图2所示.