相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

夏皖東　王恩澤　鄭鋼豐　許慧

【摘 要】本文介紹了相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的工作原理及特點(diǎn)，詳細(xì)闡述相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的產(chǎn)生、發(fā)展及研究現(xiàn)狀，以管道環(huán)焊縫、汽輪機(jī)葉輪裂縫和飛機(jī)蒙皮為例說(shuō)明相控陣超聲檢測(cè)在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用，并指出相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)將朝著便攜化、自動(dòng)化、圖像化方向發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】無(wú)損探傷；超聲檢測(cè)；相控陣；換能器

Discussion on Present Situation and Application of Ultrasonic Phased Array Technology

XIA Wan-dong WANG En-ze ZHENG Gang-feng XU Hui

（Material Science and Engineering School， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

【Abstract】In this paper， firstly， the principle and features of ultrasonic phased array are briefly introduced； secondly， the development process and research situation at home and abroad are detailedly described； thirdly， taking the testing of pipe welds， cracks in turbine impeller and aircraft skin as examples， ultrasonic phased array inspection finds its wide use in industry； finally， its pointed out that ultrasonic phased array is developing in the direction of portable， automated and visual.

【Key words】Nondestructive testing； Ultrasonic inspection； Phased array； Transducer

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)作為超聲探傷領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，至今已有40多年的發(fā)展歷史。相控陣的概念來(lái)源于軍事上相控陣?yán)走_(dá)，由于檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備價(jià)格高昂，相控陣檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用最初僅限于醫(yī)療。近年來(lái)，隨著壓電復(fù)合材料、微加工、微電子等技術(shù)的發(fā)展，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展，尤其是在航空航天、管道環(huán)焊縫及核發(fā)電站等領(lǐng)域[1]，如薄鋁板攪拌摩擦焊焊縫、核電站主泵隔熱板的檢測(cè)。

1 工作原理

相控陣超聲檢測(cè)的核心部件是換能器，它是基于惠更斯-菲涅爾原理和亥姆霍茲聲壓積分定理設(shè)計(jì)的[2]。與傳統(tǒng)超聲探頭不同，相控陣換能器由若干個(gè)獨(dú)立的晶片按一定順序排列組成，每個(gè)晶片又稱為陣元。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的核心在于相位調(diào)控[3]，它包括發(fā)射和接收兩部分。相控陣發(fā)射時(shí)，各陣元被同一頻率的脈沖信號(hào)激勵(lì)，在電子系統(tǒng)的控制下按一定的延時(shí)法則發(fā)射超聲子波，具有不同相位的超聲子波在空間疊加干涉，形成一個(gè)新的波陣面及合成聲束，實(shí)現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦；接收時(shí)，依據(jù)超聲回波到達(dá)各陣元的時(shí)間差對(duì)各子回波信號(hào)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，然后進(jìn)行信號(hào)合成，使待定方向的回波信號(hào)疊加增強(qiáng)，而其他方向的回波信號(hào)削弱甚至抵消。最后，將檢測(cè)信號(hào)以彩色圖像的形式呈現(xiàn)在顯示屏上，實(shí)現(xiàn)工件的相控陣超聲檢測(cè)，如圖1所示。

相控陣超聲換能器按其陣元排列形式不同分為三大類，即線形陣、矩形陣和圓形陣。將不同的陣元排列形式和聚焦法則結(jié)合形成相控陣檢測(cè)3種基本的掃查方式，即線性掃查、扇形掃查及動(dòng)態(tài)深度聚焦。

線性掃查：若干相鄰陣元作為一組，依次對(duì)各組陣元施加相同的聚焦法則，使波束沿著換能器長(zhǎng)度方向向前移動(dòng)，如圖2（a）所示。因此，相控陣換能器不需要或少移動(dòng)位置，就能對(duì)試件進(jìn)行相同深度的掃描檢測(cè)。

扇形掃查：選擇一組陣元，對(duì)該組陣元施加不同的聚焦法則，使聲束動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)，形成扇形掃查區(qū)域，如圖2（b）所示。同線性掃查不同，扇形掃查激發(fā)的陣元組不變，而聚焦法則動(dòng)態(tài)變化。

動(dòng)態(tài)深度聚焦：使用同一組陣元完成一次發(fā)射聚焦，波束在返回時(shí)不斷載入新聚焦法則，使接收聚焦點(diǎn)覆蓋整個(gè)深度范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲軸不同深度的檢測(cè)，如圖2（c）所示。因此，動(dòng)態(tài)深度聚焦適合檢測(cè)較薄的工件。

2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 國(guó)外

1959年，世界上第一套相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)誕生，該系統(tǒng)由Tom Brown研制，首次采用了動(dòng)態(tài)聚焦的環(huán)形陣列換能器[4]。20世紀(jì)70年代，醫(yī)用相控陣換能器出現(xiàn)，可對(duì)人體組織和器官進(jìn)行超聲成像。在此后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)僅限于醫(yī)療領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于核電站，主要檢測(cè)壓水堆安全殼、汽輪機(jī)葉片等關(guān)鍵部位。

隨著壓電復(fù)合材料、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理、大規(guī)模集成電路等技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，近年來(lái)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)開(kāi)始逐步應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。1992年，美國(guó)通用電氣公司成功研制一臺(tái)數(shù)字式相控陣超聲成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)編程的形式產(chǎn)生聲束，可靈活控制聲束的偏角，但該系統(tǒng)較為復(fù)雜，并不適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。第一套高集成的相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)由英國(guó)的Hatfield成功研制[5]，該系統(tǒng)可手持操作，方便工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用。1998年，法國(guó)原子能委員會(huì)研制了一套基于VXI總線的相控陣超聲掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時(shí)使用多個(gè)的相控陣換能器進(jìn)行檢測(cè)，能自動(dòng)聚焦確定缺陷的特性。2002年，加拿大R/D TECH公司研制了Pipe WIZARD相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于管道環(huán)焊縫檢測(cè)，獲得美國(guó)通用航空公司的認(rèn)可。2005年，美國(guó)通用電氣公司與德國(guó)鐵路公司合作研發(fā)一套檢測(cè)火車輪軸關(guān)鍵部位的相控陣超聲系統(tǒng)[6]。2006年，LZEP與Sonovation公司合作研制出64通道的采樣相控陣超聲系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)各向異性材料（如奧氏體不銹鋼、碳纖維復(fù)合材料）檢測(cè)效果良好，并可實(shí)時(shí)三維成像。

2.2 國(guó)內(nèi)

國(guó)內(nèi)對(duì)相控陣超聲檢測(cè)的研究相對(duì)滯后，尤其在設(shè)備研發(fā)及工業(yè)應(yīng)用等方面，但部分高校和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了積極的探索，并取得一些成果。

2002年，周琦、劉方軍等研制一套檢測(cè)管道焊縫的相控陣超聲儀器，其換能器采用壓電陶瓷晶片，但無(wú)法抗邊界干涉波[7]。隨后，天津大學(xué)對(duì)管道環(huán)焊縫的檢測(cè)也進(jìn)行了深入研究，研制出管道環(huán)焊縫的便攜式相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)，具有良好的檢測(cè)效果。2003年，清華大學(xué)施克仁教授的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出16通道的相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了基于DDS技術(shù)的高精度相控發(fā)射電路，相位分辨率達(dá)到1.14度。中北大學(xué)對(duì)相控陣的聲場(chǎng)特性進(jìn)行了一系列研究，2006年成功研制了16通道的高精度觸發(fā)系統(tǒng)，延時(shí)分辨率達(dá)到10ns[8]。2007年，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所研制了能軸向動(dòng)態(tài)聚焦的環(huán)形陣列換能器，并研究了環(huán)形陣列探頭輻射聲場(chǎng)和反射聲場(chǎng)的基本特性。2014年，南京航空航天大學(xué)的郭艷等研究了二維陣列各參數(shù)對(duì)聲場(chǎng)特性的影響，并采用體繪制方法實(shí)現(xiàn)了由二維B掃描圖像合成三維立體圖像。

國(guó)內(nèi)部分高校在相控陣超聲檢測(cè)的應(yīng)用方面也取得了一些成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)了用于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)管節(jié)點(diǎn)探傷的相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)[9]。西南交通大學(xué)研制出車輪輪輞的相控陣實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。天津大學(xué)的孫芳[10]等利用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)小波包變換對(duì)缺陷類型的區(qū)分具有較好的效果。北京航空航天大學(xué)的徐娜提出利用動(dòng)態(tài)孔徑聚焦方法對(duì)L型構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)。

3 典型應(yīng)用

3.1 管道環(huán)焊縫探傷

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)已被廣泛用于各類焊縫的探傷，如核工業(yè)中奧氏體不銹鋼焊縫、航空薄鋁板摩擦焊焊縫、管道環(huán)焊縫。以管道環(huán)焊縫為例，傳統(tǒng)超聲探傷法檢測(cè)管道環(huán)焊縫時(shí)，探頭要在焊縫兩側(cè)頻繁地移動(dòng)，檢測(cè)過(guò)程十分繁瑣。使用相控陣超聲探頭檢測(cè)環(huán)焊縫時(shí)，借助掃查器和編碼器就能實(shí)現(xiàn)環(huán)焊縫的全體積掃查。檢測(cè)過(guò)程中通過(guò)軟件設(shè)置關(guān)鍵檢測(cè)參數(shù)，不需要更換探頭，也不需要復(fù)雜的夾持裝置，能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)各種工作條件。

3.2 汽輪機(jī)葉輪裂紋的檢測(cè)

汽輪機(jī)葉輪幾何形狀復(fù)雜，探頭放置的空間有限，而缺陷尺寸較小且深淺不一，因此，傳統(tǒng)的超聲探傷難以適應(yīng)這種工作環(huán)境。相控陣超聲檢測(cè)憑借其靈活的聲束、高檢測(cè)精度能有效解決該難題，將相控陣超聲探頭置于裂紋上方的檢測(cè)面上，利用靈活的偏轉(zhuǎn)聚焦聲束和特有的扇形掃查方式，在探頭不動(dòng)的情況下就能對(duì)葉輪裂紋進(jìn)行有效的檢測(cè)。

3.3 飛機(jī)蒙皮的檢測(cè)

飛機(jī)長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中，其蒙皮很容易出現(xiàn)分層、脫粘、裂紋等缺陷，這為飛機(jī)的正常飛行埋下巨大安全隱患。常規(guī)超聲對(duì)于蒙皮表面和近表面的缺陷難以作定性、定量的檢測(cè)。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)能靈活地控制聲束在空間各區(qū)域掃描，其聲束的聚焦特性特別適用于飛機(jī)蒙皮這種高衰減材料的檢測(cè)。

4 結(jié)論

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)通過(guò)對(duì)各陣元的延時(shí)控制產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)聲束和聚焦聲束，結(jié)合特有的線性掃查、扇形掃查、動(dòng)態(tài)深度聚焦等掃查方式，比常規(guī)超聲探傷具有更高的檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)不僅應(yīng)用于管道環(huán)焊縫、汽輪機(jī)葉輪裂縫、飛機(jī)蒙皮的檢測(cè)，還在航空航天、核電站、建筑、化工等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。目前，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)是研發(fā)國(guó)產(chǎn)高性能檢測(cè)設(shè)備，建立相控陣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，并培訓(xùn)專業(yè)的檢測(cè)人員。在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展大潮的推動(dòng)下，相控陣超聲檢測(cè)將朝著便攜化、自動(dòng)化、圖像化方向發(fā)展。

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