Page 65 - 《应用声学》2020年第6期

第 39 卷 第 6 期 季昌国等： 相控阵超声检测成像技术在耐张线夹压接质量检测的应用研究 859

z 式 (3) 中，λ 表示超声波发射信号的主频率波长；
y
F 表示焦距；D 表示探头中的孔径大小；单位均
x
O 为 mm。
b
a 降落值为 −6 dB 时的焦点直径可以近似表示
d n
为 [24]
图 1 线性阵列探头几何参数图
Fig. 1 Geometric parameters of linear phased ar- Φ −6 dB = λF/D. (4)
ray transducer
横向分辨力∆d可表示为 [25]
一般使用孔径 D 作为线阵探头的可变几何参
数，研究其对相控阵超声成像分辨力和灵敏度的影 ∆d = Φ −6 dB /4, (5)
响。对D 作如下定义：
∆d越小，横向分辨力越高。
D = (n − 1)d + a. (1)
线阵探头的阵元间隙一般很小，通常取a ≈ d ，
则孔径D 近似为 [24] ཥགᄰय़
D ≈ nd. (2) ᐑཥܦౌ

1.2 相控阵声束聚焦特性及数据成像质量评价
体系 ཥӝງएF a
ళᐑཥܦౌ
成像分辨力和灵敏度作为相控阵检测的成像 ཥᡰ F
质量的重要评价指标，是衡量相控阵系统检测能力 图 3 相控阵超声声束聚焦特性示意图
及检测质量的重要依据。 Fig. 3 Phased array ultrasonic focusing charac-
成像分辨力主要是指被检件内能够区分的相 teristics
邻反射体之间的最小距离 [25] 。采用相控阵检测时
纵向分辨力是声波分辨沿声束轴线方向相邻
成像分辨力主要是指横向分辨力和纵向分辨力，如
两个缺陷的能力，与波束的焦区深度 F a 成反比。焦
图2所示。
区深度F a 定义为 [26]
θ 2 2 2
F a =8.16λ(F/D) =8.16λF /D , 2F/D > 1.
R
(6)
A
纵向分辨力∆z 可表示为 [25]
2Rsin(θ/2) B
(a) ഷՔѬᣲဋ (b) ጫՔѬᣲဋ ∆z = c 试件 · ∆τ −20 dB /2, (7)

图 2 相控阵超声成像分辨率示意图
式 (7) 中，c 试件 表示试件材料声速，单位 mm/µs；
Fig. 2 Spatial resolution of phased array ultra-
∆τ −20 dB 表示用 20 dB 降落法测出的时间分辨力，
sound imaging
单位µs。∆z 越小，纵向分辨力越高。
检测灵敏度一般是指检测系统发现最小缺陷
的能力。检测发现的缺陷越小，检测灵敏度就越高。 1.3 相控阵扫查图像显示模式
影响检测灵敏度的主要因素有仪器与探头的组合 相控阵扫查显示除了常规的 A 扫描显示 (以横
性能、探头频率、耦合效果、声投影方向等 [25] 。 轴为时间轴、纵轴为信号强度的显示)，主要还有 B
相控阵声束聚焦技术能有效提高系统对缺陷 显示视图 (侧视图)、 C显示视图 (顶视图)、 D 显示视
检测成像效果，超声声束聚焦特性如图3所示。 图(端视图)等，如图4所示。
相控阵超声的横向分辨力与超声波束的焦点 对图 4 来说，通常 B 显示视图是指垂直于移动
直径R 成反比。焦点直径R 定义为 [25] 方向的横截面显示，D 显示视图是平行于移动方向

R = 1.03λF/D, (3) 的纵断面显示，C显示视图是指水平面投影显示。