Page 71 - 《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 865

由图 14 可知，随着孔径增大，横向分辨力和纵 相控阵超声在近场区既存在干涉相消效应，也
向分辨力都随之提高。图 15 [29] 是 Lee 等对不同阵 存在干涉相长效应，通过控制激励时序可实现声束
元数量下声场指向性进行模拟的结果。图中可以看 的聚焦和偏转；在远场区仅存在干涉相长效应 [30] 。

出探头孔径对指向性的重要影响。随着探头孔径D 因此要实现良好的聚焦效果，焦点应处于近场区内。
的增大，声束的主瓣宽度变小，声场指向性变好，检 均匀线阵探头纵波声场的近场区可以按照式 (9) 进
测分辨力提高。由公式 (3) 和公式 (6) 可知，当探头 行估算 [28] ：
孔径增大时，焦点直径和焦区深度都会变小，从而提 N = N 2 − L c 1 = F S − L c 1 , (9)
′
高相控阵检测的横向和纵向分辨力。 c 2 πλ c 2
′
式 (9) 中：N 为铝中剩余近场区长度，单位 mm；N 2
5
为铝中近场区长度，单位 mm；L 为楔块厚度，单位
ᮠဋ=2.25 MHz mm；c 1 为楔块中波速，单位 m/s；c 2 为铝中波速，单
ഷՔѬᣲҧ Dd/mm 3 2 位mm/µs；F S 为超声探头的激励面积，单位mm ；λ
4
ᮠဋ=5.00 MHz
ᮠဋ=10 MHz
2
为介质中的超声波波长，单位mm。
已知：
1 c 1 = 2.337 mm/µs, (10)
0 c 2 = 6.3 mm/µs, (11)
4 8 12 16 20
ߘय़/mm L = 20 mm. (12)
(a) ˀՏᮠဋ֗ߘय़ʾഷՔѬᣲҧ
根据公式 (9) 可以计算不同孔径下铝中的近场区长
4
度，如表 4 所示。由图 12(c)的第 3、第4 幅图可以看
ᮠဋ=2.25 MHz 出孔径 D = 14.4 mm 时，其相同深度的间隙信号基
ᮠဋ=5.00 MHz
ጫՔѬᣲҧ Dz/mm 2 1 本不能分辨开；D = 19.2 mm时，相同深度的间隙信
3
ᮠဋ=10 MHz
号基本可以分辨开。因此检验NY-400/35型耐张线
夹时声场在铝中的近场区长度应不小于套管厚度

不同孔径下铝中的近场区长度
表 4
0 和单根铝导线直径之和，即8.25+3.22 = 11.47 mm。
0 4 8 12 16 20 24
ߘय़/mm Table 4 Length of near-field region in alu-
(b) ˀՏᮠဋ֗ߘय़ʾጫՔѬᣲҧ minum at different apertures
图 14 不同频率和孔径下分辨力 (F=8 mm 时) 孔径 D/mm
频率 f/MHz
Fig. 14 Resolution test results at different fre- 2.25 5 10
quencies and apertures (when F=8 mm) 4.8 0 4.7 16.8
9.6 3.5 16.8 41.1
8᫼Ћ
1.0 14.4 8.9 28.9 65.4
16᫼Ћ ˟ၥ
32᫼Ћ
64᫼Ћ 19.2 14.4 41.1 89.6
0.8 但孔径的增大会受到工件外形尺寸的限制，因
ॆʷӑࣨϙ 0.6 此孔径不能无限制的增大，目前相控阵仪器常用通
0.4
ஸၥ ஸၥ 道配置为 32/128(最大激发通道数/最大独立通道
数) 或 64/128。根据上述实验可知当激发阵元数为
0.2
0 24个以上时，对线夹就有良好的检测效果。
-60 -40 -20 0 20 40 60 80
ᝈए/(O)
3.2.4 探头焦距对成像质量的影响分析
图 15 不同阵元数量下声场指向性模拟结果 [29]
由图 13(b) 可知，随着探头焦距的逐渐增大，回
◦
(阵元间距 0.5λ，声束偏转角 20 )
波幅值由小变大再逐渐变小，呈抛物线特性，抛物线
Fig. 15 Simulated beam directivities for different
element numbers [29] (element pitch of 0.5λ, steer- 最大值在 8 mm，此时超声声束宽度最小，超声声场
ing angle of 20 ) 强度最大，超声回波的幅度最高，信噪比高。同时从
◦