Page 218 - 《应用声学》2024年第1期

214 2024 年 1 月

phased array beam focusing of cylindrical steel surfaces. The results show that the computational efficiency of
the proposed method is significantly improved, and the beam can be focused at a preset position, which verifies
the advantages and effectiveness of the proposed model in computational efficiency.
Keywords: Phased array ultrasonic testing; Cylindrical member; Focusing model

信号以实现能量在指定位置处的虚拟聚焦 [4] 。后处
0 引言 理方法意味着聚焦声束不会物理地存在于被测构
件中，而是通过用阵列数据的完整矩阵和相关成像
相控阵超声检测技术是近年来发展起来的新
算法合成其效果 [5] 。利用相控阵换能器控制波束在
型超声无损检测技术，其基本原理是通过控制不同
曲面构件内部聚焦已有部分学者进行了相关研究。
阵元的激发时间，使所有阵元在被测构件中产生的
徐娜等 [6] 将界面离散化，基于费马定律对每一个离
超声场 “相长干涉” 和“相消干涉”，从而实现合成波
散点与阵元和聚焦点之间的声程传播时间进行计
束在预定位置聚焦 [1] ，在不移动换能器的前提下实
算，将最短传播时间路径作为声线真实路径，该方
现对被测构件大范围检测 [2] 。与常规单阵元换能器
法需要遍历界面离散点，计算量大；周正干等 [7] 基
相比，相控阵换超声检测具有声束可控、覆盖率大、
于折射定律对每一个入射角度进行遍历，寻找折射
焦区能量强等优势 [3] 。目前超声相控阵在平面构件
声线与聚焦点距离最近的声线路径进而确定声线
无损检测中得到了广泛的应用。然而，圆柱类构件
传播时间，该方法同样需要进行大量迭代计算，计
在工程中大量存在，如固体火箭发动机、钢管、传动
算效率低；甘勇 [8] 指出，上述两种求解方法的精度
轴架等，在利用相控阵换能器对此类构件进行检测
均取决于一个事先设定的增量∆，∆越小，解的精度
时，受曲界面结构引起的入射波和回波时延的影响，
越高，但求解速度越慢；高世凯等 [9] 将阵元垂直向
扫描声束的波阵面产生弯曲。目前在该类检测应用
下辐射声波与界面的交点视为折射点，进而确定声
中，往往采用迭代遍历的方式进行延迟时间的计算，
束路径与传播时间，该方法对折射点的确定可以理
从而实现波阵面的控制。然而此类算法需大量迭代
解为在曲界面上构建了多个虚拟源，只是一种假设，
离散点，计算速度慢，且计算精度受离散点取值影
并不满足折射定律；Zheng [10] 研究了柔性相控阵聚
响，从而导致实时性较弱、检测效果差，影响了在该
焦方法，但柔性阵列换能器制造工艺复杂且价格昂
类构件检测中的应用。为了提高相控阵仪器针对此 贵，不具备普遍性 [11] 。利用回波信号对曲面构件进
类结构检测时的效率，充分发挥相控阵仪器的优势， 行虚拟聚焦也有部分学者进行了相关研究。关山月
本文建立了一种具有通用性的柱类构件相控阵波 等 [12] 基于费马定律对曲面结构全聚焦算法声束传
束扫描模型，该模型基于换能器、耦合介质、圆柱类 播时间进行计算，该方法计算量同样较大；Camacho
构件的声学、材料特性和几何关系，通过输入耦合 等 [13] 将虚拟源与合成孔径算法结合，通过阵元参

介质和被检测构件的声速、曲率半径及换能器阵列 数和近似几何模型求取曲界面上虚拟源坐标，将声
与曲面的距离，即可计算出换能器各阵元的收发时 源通过折射点到达聚焦点的路径替换为声源通过
间，利用该时间进行换能器收发时间控制即可实现 虚拟源到达聚焦点的路径，进而实现声传播时间的
柱类构件的相控阵成像。 计算与图像重建，避免了复杂的折射点坐标计算，但
目前针对单一介质以及双层平面结构的超声 要求工件曲率半径远大于阵元中心间距，否则求取
相控阵聚焦延时法则已经非常成熟，对圆柱类构件 虚拟源坐标误差较大。
的聚焦方案研究较少，主要难点是曲面使超声波发 本文针对工业中使用一维线性相控阵换能器
生反射、折射等现象，已知聚焦点位置逆向求解声束 检测圆柱类构件聚焦法则展开研究，基于换能器、耦
路径时，声束在界面的入射点确定困难，从而无法确 合介质、圆柱类构件材料特性和几何关系以及声线
定延迟时间。当前对超声能量聚焦可以分为两个方 模型和折射定律，建立了耦合介质及被检构件的声
向，一是物理聚焦，通过相控阵换能器控制各激励通 速、曲面曲率半径、阵列与曲面间的距离等关联的
道波形形状、时间延迟来实现声波能量在特定点的 延迟时间聚焦控制模型。通过计算构件内部聚焦时
聚焦；二是后处理聚焦，通过后处理各换能器的检测 阵元发射声束在界面入射点坐标，得到各阵元发射