相控阵超声检测横向分辨力实验测试及分析

　　1 引言

　　相控阵超声检测技术由于能够对声束指向以及焦点尺寸、位置等进行灵活控制，使其在核工业、航空航天、机械船舶、石油化工等领域发挥了重要作用[1-4]。相控阵超声成像质量是工业检测领域最为关心的问题之一，而成像分辨力则是衡量成像质量的重要指标[5-10]。因此，研究如何提高相控阵超声的成像分辨力具有重要意义。相控阵超声换能器涉及诸多参数，若选择不当会使相控阵声场发生变化，除了声束主瓣外还将产生栅瓣和较高的旁瓣[9，11]，导致能量泄露并出现伪像，这将极大影响相控阵成像分辨力，因此，合理选择换能器参数显得至关重要[12]。Clay等人[13]研究发现，相控阵换能器的几何参数尤其是孔径对成像分辨力起决定作用。但多数研究者主要采用数值模拟的方法进行研究，在建模过程中假定相控线阵声场是由辐射柱面波的简单线源叠加得到，并未考虑阵元本身的尺寸对声场的影响，导致理论模型与实际声场之间存在一定差距[14-15]，因而造成理论研究成果对于实际工程应用的指导意义具有一定的局限性。

　　针对上述问题，本文使用目前工业上最常用的相控阵超声线型阵列换能器，在实验测定相控阵横向分辨力的基础上，提出采用优化换能器孔径的方法来提高成像分辨力。研究表明，换能器孔径对相控阵成像分辨力影响显著。实验测试结果与理论分析相符，并与已有文献的数值模拟结果之间具有较好的一致性，说明采用该方法研究相控阵系统的成像分辨力是行之有效的。

　　2 基本原理

　　2.1 线阵换能器的几何参数

　　均匀线阵的主要参数包括: 换能器频率(f)、阵元数(N)、阵元间距(d)、阵元宽度(a)和阵元长度(b)，其几何定义如图1所示。

　　换能器频率主要依据检测对象的声学特性和检测要求进行选择。频率越高，检测分辨力越高，但有效检测深度越小，目前相控阵超声检测通常使用的换能器频率为1～10MHz[16]。在工业无损检测过程中，对于确定的相控阵换能器而言，f、d、a、b等参数已为固定值，因此只能通过调整N来提高成像分辨力。便于分析起见，在本研究中统一使用阵列换能器孔径D(array aperture)来分析换能器的可调整参数对成像分辨力的影响。对D作如下定义:

　　通常阵元间隙很小，则可认为d≈a，式(1)即近似为:

　　2.2 换能器孔径D对相控阵声束聚焦效果的影响

　　换能器孔径对聚焦效果的影响主要通过影响主瓣宽度实现。主瓣宽度q可用式(3)描述[13]:

　　式中: λ为检测介质中超声波的波长; θs为声束偏转角度。