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Phased-array technologies
高级相控阵解决方案

超声相控阵探伤技术
Phased-array technology


与常规超声检测探头不同,超声相控阵探头由多个独立的压电晶片组成。每个晶片能够独立进行脉冲发射与脉冲接受任务。通过控制每个晶片发射及接收脉冲信号的时间延迟,我们便能对探头发出的超声束进行控制,比如能量聚焦,声束偏折;还可将探头的晶片进行不同的组合,来实现常规探头不易实现的高覆盖率线性扫查和扇形扫查。

声场的聚焦及偏折          

右图给出了相控阵聚焦原理的简单解释,通过预设聚焦点相对探头中心的深度和角度,晶片的延迟法则被自动计算出。每个压电晶片在特定时间发射出近似球面波,这些球面波组合在一起形成了一个曲面波阵面。后者将在指定的聚焦点收缩汇集,形成高能量区域,大大提高了指定待检测区域检测灵敏度。

通过下面四幅图像的对比我们可明显分辨出,相控阵探头的声场与施加的延迟法则密切相关。当没有施加仍和延迟法则时,探头声场如a图所示与常规同尺寸探头有相同的能量分布,我们可以观察到其自然聚焦区域 (图中浅蓝色部分)。在图b中,每个晶片发射脉冲的延迟从左到右依次线性降低,我们可对探头的声场进行一定角度的偏折,实现检测中斜入射或扇形扫描的需求。我们知道常规探头在实现斜入射时需要一个楔块配合使用,由此体现了相控阵技术的一大优势。

examples of focal-laws

延迟法则与对应声场 (位移场). 声场计算由 CIVA 模拟平台计算: (a) 无延迟, (b) 斜入射 ,(c)度聚焦, (d) 深度与角度配合聚焦

图c在图a的基础上施加了一个深度聚焦的法则,让声场在指定的深度聚焦。我们可以观察到相对图a,声场的聚焦区域(图中浅蓝色部分)范围更小,集中在指定的深度。图d则是在图c的基础上施加了类似图b的偏折法则,让聚焦的声场相对中轴线偏折一定的角度,可对指定的区域进行扫查。以上工作如果由常规探头来完成便显得困难,需要配合不同的楔块。

电子线型扫查                 

相控阵探伤技术的另一大优势便是高速电子扫查。其原理如下图所示,一定数量的晶片彼此相邻的晶片可被定义为一个虚拟探头。可按照需要通过控制其延迟法则对此虚拟探头的声场进行聚焦或者偏折。在一个线型探头上按一定方向逐次激发一定数量的晶片,便形成了虚拟探头的线型扫查,类似常规探头的机械线型扫查。但相对常规机械扫查,相控阵电子扫查具有高速,高覆盖率以及高自由度的巨大优势。高速,因为我们无需移动探头就能对一定区域进行B扫成像,如果配合机械装置,一个机械轴便可以实现C扫成像;高覆盖率,两个虚拟探头最近的距离便是一个压电晶片的宽度 (可小到 0.3 毫米); 高自由度,因为我们可以任意配置虚拟探头的聚焦法则,控制步进距离以及实现一些高级并行扫查技术。这些都利用常规检测技术难以轻松实现的。

balayage_linaire

线型电子扫查原理示意图

扇形扫查                         

扇形扫查被大量运用到焊缝检测中,其原理如下图所示。对一定数量的晶片组合,我们只需根据需求,通过调节前后发射延迟法则来逐次加大或减小声场发射角度。用户只需定义起始,中止角度以及步进角度,系统便能自动计算并分配延迟法则。

balayage_angulaire

扇型电子扫查原理示意图

相关文章

原理示意图 

Phased array principe

超声相控阵技术原理示意,探头的延迟法则通过给出的聚焦点位置被智能的计算出

参考文献

Mahaut S., Chatillon S., Kerbrat E., Porre J., Calmon P. and Roy O., “New features for phased array techniques inspections: simulation and experiments”, Proceedings of the WCNDT, 2004.
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Roy O., Mahaut S. and Casula O., “Development of a smart flexible transducer to inspect component of complex geometry: modeling and experiments”, Review of Quantitative Nondestructive Evaluation, Vol. 21, American Institute of Physics, 2002.
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Mahaut S., Chatillon S., Raillon-Picot R. and Calmon P., “Simulation and application of dynamic inspection modes using ultrasonic phased arrays”, Review of Quantitative Nondestructive Evaluation, Vol. 23, American Institute of Physics, 2004.

Neau G., Hopkins D., Tretout H, and Boyer L., “Phased-array applications for aircraft maintenance, manufacturing and development”, Aerospace Testing Expo 2006.
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