超声波相控阵技术原理及特点

　　1 概述

　　超声波相控阵是指按照一定的规则和时序激发一组探头晶片,通过调整激发晶片的序列、数量、时间来控制波束的形状、轴线偏转角度及焦点位置等参数的超声波电子扫查方式。超声波相控阵探头由按照一定序列排列的多个晶片组成,仪器通过调节单个晶片激发时间控制超声波声束形状、轴线偏转角和焦点位置等参数,它有2个不同以往超声波探头的特点:多晶片阵列和电子控制超声场特性。超声相控阵检测技术是一种特殊的超声检测技术,它利用精密复杂的相控阵和功能强大的软件来控制超声波声束,使其覆盖被检测材料,并生成修正的材料内部结构图像。相控阵检测技术不仅可探查缺陷,而且在检测压力容器、管路的腐蚀和绘制腐蚀图等方面也有其独特的应用。

　　在20世纪60年代,关于超声波相控阵技术的研究主要局限于实验室; 60年代末70年代初期,医学研究者已能用相控阵技术进行人体超声成像。然而超声波相控阵技术在工业方面的应用发展缓慢,主要是因为相控阵检测系统复杂,而当时的计算机水平较低,缺乏对多晶片探头进行快速激发以及对扫查产生的大量数据文件进行处理的能力;另一个原因就是仪器费用高昂。随着计算机技术的快速发展,相控阵系统的复杂性和费用都大为降低,且相控阵检测技术相对于普通超声波检测技术有明显的优势,因此该技术在工业领域逐渐兴起。

　　2 原理简介

　　常规的超声波检测通常采用一个压电晶片来产生超声波,只能产生一个固定的波束,其波形是预先设计的且不能更改。相控阵探头由多个小的压电晶片按照一定序列组成,使用时相控阵仪器按照预定的规则和时序对探头中的一组或者全部晶片分别进行激活,即在不同的时间内相继激发探头中的多个晶片,每个激活晶片发射的超声波束相互干涉形成新的波束,波束的形状、偏转角度等可以通过调整激发晶片的数量、时间来控制。

　　常用的相控阵晶片阵列有线阵、矩阵、环阵等。其中一维线型阵列应用最为成熟,见图1(a)。从控制的角度来说,它们最容易编程控制,并且费用明显少于更复杂的阵列,目前已经有含256个晶片的探头[1],可满足多数情况下的应用。

　　矩阵和环阵为二维阵列,可在三维方向实现聚焦,能大幅提高超声成像质量,然而目前复杂的二维阵列还较少应用,如图1(b)、图1(c)所示,因为二维阵列制造复杂,对相控阵仪器激发能力要求高且设备昂贵。但是,随着更新型的便携式相控阵仪器的发展,采用复杂的二维阵列将具有更高的速度、更强的数据储存和显示、更小的扫查接触面积以及更大的适应性。可以预期,复杂的二维阵列将得到更多的应用[2]。