超声环形相控阵换能器在锻件探伤中的应用

　　超声相控阵技术最初因系统和固体中波动的复杂性及成本高等原因,在工业无损检测中的应用受到限制,近年来随着电子和计算机技术的快速发展,该技术在工业无损检测,特别是在航空工业及核工业领域的发展非常迅速,在相控阵系统设计、系统仿真、生产、测试和应用等方面取得了一系列进展。如采用新的复合材料制作压电换能器可改善电声性能[1],R/D TECH和SIEMENS等公司已生产出超声相控阵检测系统及相控阵换能器。而动态聚焦相控阵系统[2]、二维阵列自适应聚焦相控阵系统[3,4]、表面波及板波相控阵换能器[5]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。下面着重对10A16E32型环形相控阵换能器作一介绍。

　　1　超声相控阵换能器简介

　　无损检测用超声相控阵换能器阵列主要有线形、面状和环形。其设计基于惠更斯原理。阵列是换能器晶片的组合,在确定不连续性的大小、形状和方向上它比单个或多个换能器系统具有更强的能力。

　　在一个相控阵列中规定的相位转换是用电子系统控制并将超声发射至每个换能器。声场控制是通过在发射和接收脉冲的过程中引入相位控制来实现的,如图1和2所示[6]。相控阵列除有效控制超声束的形状和方向外还实现和完善了复杂的无损检测应用要求的两个条件,即动态聚焦和实时扫描[7]。

　　2　10A16E32环形相控阵换能器原理

　　环形相控阵列不能进行转角控制,10A16E32环形相控阵换能器频率为10 MHz,由16个环组成,晶片由压电复合材料制成,最大直径32 mm。

　　可将环形阵列想象成一个圆形的换能器,将其切成同轴环形,每片都构成一个独立的换能器,这些环上的发射和接收时间用电子系统控制。通过控制各环的时间延迟,产生在不同深度的动态聚焦,可控制整个波阵面的形状和焦点。焦点总是在换能器的轴线上,能相当明显地增加声束向中心轴线的聚焦能力。

　　3　10A16E32环形相控阵换能器特点[5]

　　(1)借助相控阵技术用一个探头可得到聚焦在不同深度的声束。

　　(2)聚焦法则(即时间延迟与晶片位置的关系)为对称抛物线形(图3)。

　　(3)脉冲发射中超声束不能动态聚焦,而是在反射超声波接收期间用改变延迟而得到(图3)。

　　4　10A16E32型相控阵换能器聚焦深度范围

　　10A16E32相控阵换能器由一个中央晶片和15个环阵列组成。中央晶片直径9.6 mm,焦距76.2 mm,用于探测块类工件(如钛合金的高温合金环、饼坯及压气机盘等)上表面深度<15 mm的缺陷,上盲区为1.5 mm。15 mm以下范围可通过动态深度聚焦技术设置多个聚焦法则,使声束在不同深度沿探头中心轴线动态聚焦,聚焦控制范围可用