Page 21 - 《应用声学》2025年第1期
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第 44 卷 第 1 期                   张楠等: 检测声学成像原理与技术综述                                            17


             和时间差,可以算出缺陷在两个探头连线方向上的                            阵元所发波束的波阵面在互相干涉后将在特定的
             位置并估计其尺寸         [14] 。在此基础上,TOFD存在两              角度上发生相长与相消,形成一个统一的波束                       [1] 。
             种扫查方式:一种方式是将探头沿着声束的传播方                            由于对目标点探测的前提是该处必须处在声场的
             向移动,称为平行扫查,所得结果是缺陷横断面的                            覆盖范围内,因此波束形成是决定成像质量的关
             B 扫描图像;另一种方式是将探头垂直声束的传播                           键 [25] ,具体操作是对各阵元的激励信号施加一定的
             方向移动,称为非平行扫查,所得结果是缺陷纵断                            时延   [24] 。
             面的 D 扫描图像 (见图 2)。两种扫描图像均为一系
                                                                                 ण                      ण
             列回波信号平行排列组成。在图像质量较差的情况                                              ௑                      ௑
                                                                                 ௑                      ௑
             下,可以考虑对所获信号采取包络检波和低通滤波                                              ᫎ                      ᫎ
             等后处理方式,以使其成像轮廓更加清晰。TOFD
                                                                                 ᫼Ћ஝                    ᫼Ћ஝
             的检测速度快、结果可靠,且能实现对缺陷尺寸的
             准确估计。该方法的缺点是其检测范围在结构上下                                     ฉ᫼᭧                   ฉ᫼᭧
             表面附近存在了部分盲区,且检测图像不直观,使得                                  (a) Ϡᣁ                 (b) ᐑཥ
             识别缺陷需要一定的经验            [22] 。                                  图 6  相控阵工作原理      [26]
                                                                        Fig. 6 Principle of phased array [26]
                        T                     R
                                                                   图 7 给出了相控阵在实现偏转、聚焦和同时偏
                                                               转聚焦过程中的阵列阵元时延计算方法。若根据阵
                                                               元之间的间距按照一定的时间差对阵元进行激励,
                              (a) ଊ݀࣋Ꮆவर                       使得所形成的波阵面 (平面波) 不再与阵列沿线平

                             ᜈጯᮇቫ                              行,而是偏转一定的角度,则能够实现声束的偏转。
                              ᛢ࠱ฉ
                                                               以中心阵元的激发时刻作为参照,第 i 个阵元的相
                     ΟՔฉ            ᜈጯअቫ       अ᭧              对时延为
                                     ᛢ࠱ฉ       ڀฉ
                             (b) ଊ݀ᄊଌஆηՂ                                       τ A = L i sin θ c /c,      (5)
                                     ΟՔฉ
                                                               式 (5) 中:L i 为第 i 个阵元到阵列中心阵元的距离,
                                                               m;θ c 为阵列中心的阵元所发出声束的偏转角度,
                                                               rad。类似地,若通过控制各阵元激发的时间差,使
                               ᜈጯᛢ࠱ฉ
                                                               得形成的波阵面为一弧面,并最终收缩到同一点处,
                                                               则能够实现声束在该点处的聚焦。以中心阵元的激
                                  अ᭧ڀฉ                         发时刻作为参照,第i个阵元的相对时延为
                                                                                    √
                                                                              (               )
                               (c) ੇϸፇ౧                                                 2    2  /
                                                                          τ F = F −   F + L i    c,       (6)
                      图 5  裂纹缺陷的 TOFD 检测      [14]
                                                               式 (6) 中:F 为焦距/m,即焦点到中心阵元的距离。
                  Fig. 5 TOFD detection of crack defects [14]
                                                               式(5)与式(6)所对应τ A 和τ F 即为偏转延迟和聚焦
             1.2 相控阵成像
                                                               延迟。若要实现声束的同时偏转和聚焦,则各阵元
             1.2.1 相控阵扫查原理
                                                               相对中心阵元的延迟时间应由两种延迟共同组成。
                 相比于单一阵元的超声探头,相控阵探头由多                          此外,也可以根据目标点与阵列之间的距离直接进
             个阵元组成,可以通过电子系统控制各阵元发射或                            行计算。以中心阵元的激发时刻作为参照,第i个阵
             接收超声波的时间 (相位) 实现声束在一定角度范                          元的相对时延为
             围内的偏转和聚焦 (如图 6 所示),具备更高的信噪
                                                                               τ i = (r c − r i )/c,      (7)
             比和对缺陷更强大的评估能力               [5,23−24] 。常用相控
             阵探头的阵元数量通常从 16 个到 256 个不等,可以                      式(7) 中:r c 为阵列中心的阵元到目标点的距离,m;
             应用于浸入式检测,也可以和楔块搭配使用                     [3] 。各    r i 为第i个阵元到目标点的距离,m。
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