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相控阵超声全解析-05-相控阵声束偏转
2021-03-12

       不知道大家有没有这样的感觉,即声波和光波在某些方面还是比较相似的,比如你能看到一束光随着照射距离变远而光束会有发散现象。而声波类似,在声波传播路径上也会产生发散现象。

       既然声波也有扩散效应,那什么因素会影响声束的扩散呢?请自行翻阅之前学过的常规超声检测UT二级教材。什么?还没找到?上期好像就说过,之后我们会不定期复习常规超声的原理。所以跟着我们学习相控阵还有一个好处就是可以顺带复一下二级和三级UT证。(顺便发个福利)

       那具体都有哪些因素影响声束的扩散呢?主要包括频率和晶片尺寸。

       下面看一下频率对声束扩散的影响,由下面的声场仿真视图可以看出,频率越低扩散角越大。

       再看一下晶片尺寸,晶片尺寸越小,相应的扩散角越大。

       这样我们就得出了这样的结论,如果想要得到较大扩散角的声束,方法是降低频率和减小晶片尺寸。

       由于如果把相控阵中每个单一晶片都看成是一个常规超声探头,那么常规超声的扩散角即对应着相控阵的偏转角。

       再把上面的结论引入相控阵,就得到了影响相控阵偏转角的因素,即频率越低、晶片越小,可以偏转的角度越大。

       那由于相控阵探头的晶片间距一般在0.5-1.5mm之间,这样小的晶片尺寸就决定了相控阵可以偏转比较大的角度,但在无楔块辅助的前提下,也不是可以无限大到89°或者90°。

       这时有人会提出质疑,“我接触的相控阵设备可以设置扇形扫查的偏转角度从-89°~89°,你为什么说不能无限大呢?”

       爱提问题的同志都是好同志。这里我们要说明一下,所谓的扩散角的前提是什么?它的定语是“-6dB”,也就是说一般把中心声束向两侧衰减至中心声束能力的一半,也就是-6dB时,作为声束扩散的边界。也就是说大于这个边界也有声波,但能量非常弱。

       所以仪器不会限定使用人员设置的角度范围,但真正能够使用的声束范围受到扩散角也就是相控阵最大偏转角的限制。

       但实际使用中无需测量相控阵的扩散角范围,原因就是我们后面会讲到的校准。由于相控阵检测前需要进行灵敏度校准,以补偿不同角度声束引起的差异,此时如果能够在仪器上完成该校准,就说明设置的角度偏转合适,如果发现大角度方向难以实现校准,或者校准后信噪比过低,则说明可能由于角度偏转超出了可用的范围,声束在该大角度下的能量太弱了。

       正是由于相控阵偏转角度有一定的限制,才有了后面将要会介绍的相控阵楔块的出现。

       总结下来,相控阵技术里面的探头频率和晶片尺寸(或间距)是影响角度偏转的主要因素,而它的现实意义就是各位在选择一款合适的探头进行检测的时候,如果检测对象是一个薄板焊缝或者薄壁管焊缝,则要使用尽量偏转角大的声束斜入射,以覆盖焊缝区域,此时就需要选择晶片尺寸较小或晶片间距较小(0.3-0.5mm)的探头,而薄壁焊缝一般不采用降低频率的方法,因为降低频率会影响小缺陷的检测能力。


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