相控陣超聲檢測技術的研究現狀及應用

夏皖東　王恩澤　鄭鋼豐　許慧

【摘 要】本文介紹了相控陣超聲檢測技術的工作原理及特點，詳細闡述相控陣超聲檢測技術在國內外的產生、發展及研究現狀，以管道環焊縫、汽輪機葉輪裂縫和飛機蒙皮為例說明相控陣超聲檢測在工業上的廣泛應用，并指出相控陣超聲檢測技術將朝著便攜化、自動化、圖像化方向發展。

【關鍵詞】無損探傷；超聲檢測；相控陣；換能器

Discussion on Present Situation and Application of Ultrasonic Phased Array Technology

XIA Wan-dong WANG En-ze ZHENG Gang-feng XU Hui

（Material Science and Engineering School， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

【Abstract】In this paper， firstly， the principle and features of ultrasonic phased array are briefly introduced； secondly， the development process and research situation at home and abroad are detailedly described； thirdly， taking the testing of pipe welds， cracks in turbine impeller and aircraft skin as examples， ultrasonic phased array inspection finds its wide use in industry； finally， its pointed out that ultrasonic phased array is developing in the direction of portable， automated and visual.

【Key words】Nondestructive testing； Ultrasonic inspection； Phased array； Transducer

相控陣超聲檢測技術作為超聲探傷領域的一個重要分支，至今已有40多年的發展歷史。相控陣的概念來源于軍事上相控陣雷達，由于檢測系統復雜、設備價格高昂，相控陣檢測技術的應用最初僅限于醫療。近年來，隨著壓電復合材料、微加工、微電子等技術的發展，相控陣超聲檢測技術在工業無損檢測領域取得了突破性的進展，尤其是在航空航天、管道環焊縫及核發電站等領域[1]，如薄鋁板攪拌摩擦焊焊縫、核電站主泵隔熱板的檢測。

1 工作原理

相控陣超聲檢測的核心部件是換能器，它是基于惠更斯-菲涅爾原理和亥姆霍茲聲壓積分定理設計的[2]。與傳統超聲探頭不同，相控陣換能器由若干個獨立的晶片按一定順序排列組成，每個晶片又稱為陣元。相控陣超聲檢測技術的核心在于相位調控[3]，它包括發射和接收兩部分。相控陣發射時，各陣元被同一頻率的脈沖信號激勵，在電子系統的控制下按一定的延時法則發射超聲子波，具有不同相位的超聲子波在空間疊加干涉，形成一個新的波陣面及合成聲束，實現聲束偏轉和聚焦；接收時，依據超聲回波到達各陣元的時間差對各子回波信號進行延時補償，然后進行信號合成，使待定方向的回波信號疊加增強，而其他方向的回波信號削弱甚至抵消。最后，將檢測信號以彩色圖像的形式呈現在顯示屏上，實現工件的相控陣超聲檢測，如圖1所示。

相控陣超聲換能器按其陣元排列形式不同分為三大類，即線形陣、矩形陣和圓形陣。將不同的陣元排列形式和聚焦法則結合形成相控陣檢測3種基本的掃查方式，即線性掃查、扇形掃查及動態深度聚焦。

線性掃查：若干相鄰陣元作為一組，依次對各組陣元施加相同的聚焦法則，使波束沿著換能器長度方向向前移動，如圖2（a）所示。因此，相控陣換能器不需要或少移動位置，就能對試件進行相同深度的掃描檢測。

扇形掃查：選擇一組陣元，對該組陣元施加不同的聚焦法則，使聲束動態偏轉，形成扇形掃查區域，如圖2（b）所示。同線性掃查不同，扇形掃查激發的陣元組不變，而聚焦法則動態變化。

動態深度聚焦：使用同一組陣元完成一次發射聚焦，波束在返回時不斷載入新聚焦法則，使接收聚焦點覆蓋整個深度范圍，實現對聲軸不同深度的檢測，如圖2（c）所示。因此，動態深度聚焦適合檢測較薄的工件。

2 國內外研究進展

2.1 國外

1959年，世界上第一套相控陣超聲檢測系統誕生，該系統由Tom Brown研制，首次采用了動態聚焦的環形陣列換能器[4]。20世紀70年代，醫用相控陣換能器出現，可對人體組織和器官進行超聲成像。在此后相當長時間內，相控陣超聲檢測技術僅限于醫療領域。20世紀80年代，相控陣超聲檢測技術開始應用于核電站，主要檢測壓水堆安全殼、汽輪機葉片等關鍵部位。

隨著壓電復合材料、計算機技術、數據處理、大規模集成電路等技術的發展及應用，近年來相控陣超聲檢測技術開始逐步應用于工業領域。1992年，美國通用電氣公司成功研制一臺數字式相控陣超聲成像系統，該系統通過編程的形式產生聲束，可靈活控制聲束的偏角，但該系統較為復雜，并不適合現場應用。第一套高集成的相控陣超聲檢測系統由英國的Hatfield成功研制[5]，該系統可手持操作，方便工業現場使用。1998年，法國原子能委員會研制了一套基于VXI總線的相控陣超聲掃描系統，該系統可同時使用多個的相控陣換能器進行檢測，能自動聚焦確定缺陷的特性。2002年，加拿大R/D TECH公司研制了Pipe WIZARD相控陣超聲檢測系統，該系統適用于管道環焊縫檢測，獲得美國通用航空公司的認可。2005年，美國通用電氣公司與德國鐵路公司合作研發一套檢測火車輪軸關鍵部位的相控陣超聲系統[6]。2006年，LZEP與Sonovation公司合作研制出64通道的采樣相控陣超聲系統，該系統對各向異性材料（如奧氏體不銹鋼、碳纖維復合材料）檢測效果良好，并可實時三維成像。

2.2 國內

國內對相控陣超聲檢測的研究相對滯后，尤其在設備研發及工業應用等方面，但部分高校和科研機構進行了積極的探索，并取得一些成果。

2002年，周琦、劉方軍等研制一套檢測管道焊縫的相控陣超聲儀器，其換能器采用壓電陶瓷晶片，但無法抗邊界干涉波[7]。隨后，天津大學對管道環焊縫的檢測也進行了深入研究，研制出管道環焊縫的便攜式相控陣超聲檢測系統，具有良好的檢測效果。2003年，清華大學施克仁教授的團隊設計出16通道的相控陣超聲檢測系統，該系統采用了基于DDS技術的高精度相控發射電路，相位分辨率達到1.14度。中北大學對相控陣的聲場特性進行了一系列研究，2006年成功研制了16通道的高精度觸發系統，延時分辨率達到10ns[8]。2007年，中國科學院聲學研究所研制了能軸向動態聚焦的環形陣列換能器，并研究了環形陣列探頭輻射聲場和反射聲場的基本特性。2014年，南京航空航天大學的郭艷等研究了二維陣列各參數對聲場特性的影響，并采用體繪制方法實現了由二維B掃描圖像合成三維立體圖像。

國內部分高校在相控陣超聲檢測的應用方面也取得了一些成果。哈爾濱工業大學研發了用于海洋平臺結構管節點探傷的相控陣超聲檢測系統[9]。西南交通大學研制出車輪輪輞的相控陣實時檢測系統。天津大學的孫芳[10]等利用相控陣超聲檢測技術對碳纖維復合材料進行檢測，發現小波包變換對缺陷類型的區分具有較好的效果。北京航空航天大學的徐娜提出利用動態孔徑聚焦方法對L型構件進行檢測。

3 典型應用

3.1 管道環焊縫探傷

相控陣超聲檢測技術已被廣泛用于各類焊縫的探傷，如核工業中奧氏體不銹鋼焊縫、航空薄鋁板摩擦焊焊縫、管道環焊縫。以管道環焊縫為例，傳統超聲探傷法檢測管道環焊縫時，探頭要在焊縫兩側頻繁地移動，檢測過程十分繁瑣。使用相控陣超聲探頭檢測環焊縫時，借助掃查器和編碼器就能實現環焊縫的全體積掃查。檢測過程中通過軟件設置關鍵檢測參數，不需要更換探頭，也不需要復雜的夾持裝置，能適應現場各種工作條件。

3.2 汽輪機葉輪裂紋的檢測

汽輪機葉輪幾何形狀復雜，探頭放置的空間有限，而缺陷尺寸較小且深淺不一，因此，傳統的超聲探傷難以適應這種工作環境。相控陣超聲檢測憑借其靈活的聲束、高檢測精度能有效解決該難題，將相控陣超聲探頭置于裂紋上方的檢測面上，利用靈活的偏轉聚焦聲束和特有的扇形掃查方式，在探頭不動的情況下就能對葉輪裂紋進行有效的檢測。

3.3 飛機蒙皮的檢測

飛機長期暴露在自然環境中，其蒙皮很容易出現分層、脫粘、裂紋等缺陷，這為飛機的正常飛行埋下巨大安全隱患。常規超聲對于蒙皮表面和近表面的缺陷難以作定性、定量的檢測。相控陣超聲檢測技術能靈活地控制聲束在空間各區域掃描，其聲束的聚焦特性特別適用于飛機蒙皮這種高衰減材料的檢測。

4 結論

相控陣超聲檢測技術通過對各陣元的延時控制產生偏轉聲束和聚焦聲束，結合特有的線性掃查、扇形掃查、動態深度聚焦等掃查方式，比常規超聲探傷具有更高的檢測效率和準確度。相控陣超聲檢測技術不僅應用于管道環焊縫、汽輪機葉輪裂縫、飛機蒙皮的檢測，還在航空航天、核電站、建筑、化工等領域發揮重要作用。目前，相控陣超聲檢測技術的發展重點是研發國產高性能檢測設備，建立相控陣檢測標準，并培訓專業的檢測人員。在無損檢測技術發展大潮的推動下，相控陣超聲檢測將朝著便攜化、自動化、圖像化方向發展。

【參考文獻】

[1]靳世久，楊曉霞，陳世利，等.超聲相控陣檢測技術的發展及應用[J].電子測量與儀器學報，2014，28（9）：925-928.

[2]SUN F. Research on several key issues of ultrasonic phased array technology [D].Tianjin： Tianjin University，2012.

[3]呂慶貴.超聲相控陣成像技術研究[D].太原：中北大學，2009.

[4]程繼隆.超聲相控陣檢測關鍵技術的研究[D].南京：南京航空航天大學，2010.

[5]Hatfield JV.An integrated multi-element array transducer for ultrasonic imaging[J].Sensor and Actuators A，1994，41/42：167-173.

[6]Mahaut S.用動態自適應超聲聚焦系統確定缺陷特性（譯文）[J].無損檢測，1998，20（8）：236-238.

[7]周琦，劉方軍，李志軍，等.超聲相控陣成像技術與應用[J].兵器材料科學與工程，2002，25（3）：34-37.

[8]楊斌.超聲相控陣系統中高精度觸發系統研究[D].太原：中北大學，2007.

[9]單寶華，歐進萍.海洋平臺結構管節點焊縫超聲相控陣檢測技術[J].焊接學報，2005，25（6）：35-37.

[10]孫芳，曾周末，靳世久，等.碳纖維復合材料缺陷的小波包分析[J].計算機工程與應用，2012，48（13）：1-5.