线性阵列相控阵探头的设计方法

摘要

线性阵列相控阵探头的设计方法，属于相控阵探头技术领域。本发明解决现有一维线性阵列相控阵探头只能在一维方向实现延迟聚焦，不能应对复杂多变的被检测结构的问题。它将一维线性阵列相控阵探头设置有相控阵晶片侧的表面与柱形声透镜的平面一侧通过耦合剂耦合在一起，并且通过螺栓固定，同时一维线性阵列相控阵探头的对称轴β与柱形声透镜的对称轴α重合，柱形声透镜由第一平面安装部、第二平面安装部和透镜加工部组成，第一平面安装部和第二平面安装部的厚度相同，透镜加工部分别与第一平面安装部和第二平面安装部相连接的边缘厚度与第一平面安装部的厚度t相同，透镜加工部沿长度方向为具有曲率半径R的透镜结构。本发明为一种设计相控阵探头的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及线性阵列相控阵探头的设计方法，属于相控阵探头技术领域。

背景技术

超声波相控阵技术以其灵活的声束偏转角控制和聚焦位置控制能力引起了人们越来 越多地关注。线性阵列相控阵探头是一种最简化的超声相控阵形式，其制造成本相对最低， 控制方式也是相对简化。其缺点是只能在一维方向实现延迟聚焦，其声场聚焦区域的形状 类似于通常使用的线聚焦探头。为了应对复杂多变的被检测结构，目前已研制开发了多种 形状及多种阵列形式的超声波相控阵探头。这些形状各异、阵列方式复杂的相控阵探头虽 然满足了工程上对于特殊被检测结构的要求，但其无法回避的缺点是适用范围窄、订做周 期长、价格昂贵，并且设备复杂程度和计算机控制系统的复杂程度增加，不利于超声波相 控阵技术的推广和使用。

现有线性阵列相控阵探头由于只能在一维方向实现聚焦，从而导致超声波能量不集 中、信噪比差、扫描图像有畸变。

发明内容

本发明是为了解决现有一维线性阵列相控阵探头只能在一维方向实现延迟聚焦，因此 不能应对复杂多变的被检测结构的问题，提供了一种线性阵列相控阵探头的设计方法。

本发明所述线性阵列相控阵探头的设计方法，它基于一维线性阵列相控阵探头和柱形 声透镜实现，

将一维线性阵列相控阵探头设置有相控阵晶片侧的表面与柱形声透镜的平面一侧通 过耦合剂耦合在一起，并且通过螺栓固定，同时一维线性阵列相控阵探头的对称轴β与柱 形声透镜的对称轴α重合，

柱形声透镜由第一平面安装部、第二平面安装部和透镜加工部组成，第一平面安装部 和第二平面安装部的厚度相同，透镜加工部分别与第一平面安装部和第二平面安装部相连 接的边缘厚度与第一平面安装部的厚度t相同，透镜加工部沿长度方向为具有曲率半径R 的透镜结构，

第一平面安装部和第二平面安装部沿柱形声透镜的对称轴呈镜像对称设置，设置透镜 加工部的加工深度x为：

$x>R-\sqrt{R^2-\frac{b^2}{4}},$

式中R为透镜加工部的曲率半径，b为一维线性阵列相控阵探头的宽度，该一维线性 阵列相控阵探头的宽度方向垂直于其对称轴β方向，

根据t＝x+δ，δ为透镜加工部的厚度，

使δ取值为在x满足上述要求的基础上，向下取整数，实现线性阵列相控阵探头的 设计。

所述透镜加工部的曲率半径R的获得方法为：

根据分析检测工艺确定被检测构件需要的聚焦深度D和检测水程L，计算当所述线 性阵列相控阵探头的待探测声束聚焦于被检测构件表面以下聚集深度D时，所述待探测 声束的水中焦距F，再根据几何声学原理计算获得透镜加工部的曲率半径R。

一维线性阵列相控阵探头与柱形声透镜通过油浸耦合的方式耦合在一起；柱形声透镜 与待检测工作之间为水浸耦合或喷水耦合。

所述柱形声透镜与待检测工作之间为喷水耦合时，透镜加工部沿长度方向的凹透面的 两端采用防水胶分别粘接塑料片，以封堵透镜加工部的两端，使柱形声透镜凹透侧表面形 成具有边框的回字形结构，柱形声透镜的回字形结构的边框上覆盖有软体海绵层，该软体 海绵层用于蓄水，该软体海绵层的厚度h设置为：h＝L+2，

柱形声透镜的第一平面安装部或第二平面安装部沿宽度方向开有进水通孔，该宽度方 向垂直于柱形声透镜的对称轴α方向，所述进水通孔与透镜加工部的凹透部位相通。

所述检测水程L的取值为：L＝5。

本发明的优点：本发明基于超声波聚焦原理，设计的探头无需使用昂贵的面型或特殊 阵列形式的相控阵系统，只需最简的线性阵列相控阵探头，使一维线性阵列相控阵探头在 二维方向上实现聚焦，避免了使用复杂且昂贵的二维阵列相控阵探头，大大节约了成本。 它同时缩短了探头的开发周期，并能降低相控阵设备和控制系统的复杂程度。

本发明适用于水耦合式C扫描检测，聚焦深度一定的情况。本发明所设计探头用于 检测中，其检测不受构件尺寸和形状的影响，引用范围广，检测效率高。

附图说明

图1是本发明所述柱形声透镜的主视图；

图2是图1的侧视图；

图3是图1的俯视图；

图4是一维线性阵列相控阵探头上设置有相控阵晶片侧的结构示意图；

图5是本发明所述线性阵列相控阵探头的结构示意图；

图6是柱形声透镜与待检测工作之间为喷水耦合，柱形声透镜的结构示意图；

图7是图6的侧视图；

图8是图6的俯视图；

图9是本发明所述线性阵列相控阵探头用于检测被检测构件时的状态示意图；

图10是本发明所述线性阵列相控阵探头用于检测被检测试件时，获得的被检测试件 X-Z截面内部的超声波声场分布图；图中0、50％和100％表示图中的色度，即色度条；

图11是采用常规探头获得的被检测试件Z-Y截面内部的超声波声场分布图；

图12是采用本发明所述线性阵列相控阵探头获得的被检测试件Z-Y截面内部的超声 波声场分布图；

图13是使用常规线阵相控阵探头得到的被检测试件的C扫描结果；

图14是采用本发明所述线性阵列相控阵探头得到的被检测试件的C扫描结果；

图15使用常规单晶片点聚焦探头得到的被检测试件的C扫描结果；

图10-图15中的被检测试件为同一被检测试件。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述线性阵列相 控阵探头的设计方法，它基于一维线性阵列相控阵探头1和柱形声透镜2实现，

将一维线性阵列相控阵探头1设置有相控阵晶片侧的表面与柱形声透镜2的平面一侧 通过耦合剂耦合在一起，并且通过螺栓固定，同时一维线性阵列相控阵探头1的对称轴β 与柱形声透镜2的对称轴α重合，

柱形声透镜2由第一平面安装部2-1、第二平面安装部2-2和透镜加工部2-3组成， 第一平面安装部2-1和第二平面安装部2-2的厚度相同，透镜加工部2-3分别与第一平面 安装部2-1和第二平面安装部2-2相连接的边缘厚度与第一平面安装部2-1的厚度t相同， 透镜加工部2-3沿长度方向为具有曲率半径R的透镜结构，

第一平面安装部2-1和第二平面安装部2-2沿柱形声透镜2的对称轴呈镜像对称设置， 设置透镜加工部2-3的加工深度x为：

$x>R-\sqrt{R^2-\frac{b^2}{4}},$

式中R为透镜加工部2-3的曲率半径，b为一维线性阵列相控阵探头1的宽度，该一 维线性阵列相控阵探头1的宽度方向垂直于其对称轴β方向，

根据t＝x+δ，δ为透镜加工部2-3的厚度，

使δ取值为在x满足上述要求的基础上，向下取整数，实现线性阵列相控阵探头的 设计。

本实施方式中设计获得的探头，通过加入柱形声透镜2，并设计其核心参数及尺寸， 实现了对探头聚焦声场的改进。一维线性阵列相控阵探头1和柱形声透镜2通过螺栓紧密 连接固定。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述透镜加工 部2-3的曲率半径R的获得方法为：

根据分析检测工艺确定被检测构件需要的聚焦深度D和检测水程L，计算当所述线 性阵列相控阵探头的待探测声束聚焦于被检测构件表面以下聚集深度D时，所述待探测 声束的水中焦距F，再根据几何声学原理计算获得透镜加工部2-3的曲率半径R。

本实施方式中，需要先获得聚焦深度D和检测水程L，再计算当声束聚焦于被检测 构件表面以下深度D时，该声束应有的水中焦距F，然后利用几何声学原理，由水中焦 距F反推出透镜加工部2-3的曲率半径R。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，本实施方式所述一维 线性阵列相控阵探头1与柱形声透镜2通过油浸耦合的方式耦合在一起；柱形声透镜2 与待检测工作之间为水浸耦合或喷水耦合。

具体实施方式四：下面结合图6至图8说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作 进一步说明，本实施方式所述柱形声透镜2与待检测工作之间为喷水耦合时，透镜加工部 2-3沿长度方向的凹透面的两端采用防水胶分别粘接塑料片，以封堵透镜加工部2-3的两 端，使柱形声透镜2凹透侧表面形成具有边框的回字形结构，柱形声透镜2的回字形结构 的边框上覆盖有软体海绵层3，该软体海绵层3用于蓄水，该软体海绵层3的厚度h设置 为：h＝L+2，

柱形声透镜2的第一平面安装部2-1或第二平面安装部2-2沿宽度方向开有进水通孔 2-4，该宽度方向垂直于柱形声透镜2的对称轴α方向，所述进水通孔2-4与透镜加工部 2-3的凹透部位相通。

本实施方式中，塑料片可采用薄硬质塑料片；透镜加工部2-3还可以在加工的时候， 直接在长度方向的两端预留5～10mm长度的平板结构，以备安装喷水装置。使用软体海 绵层3蓄水，可保持柱形声透镜2与被检测构件之间耦合良好。

本发明所述探头在使用时，需要满足相控阵设备的延迟聚焦法则制定方式。其具体实 现方法为：首先将柱形声透镜2的透镜加工部2-3厚度视为δ；然后设置相控阵晶片聚焦 法则，使超声波在依次穿过厚度为δ的声透镜、厚度为L的水层后，在试件的指定深度发 生聚焦。

具体实施方式五：下面结合图1至图15说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、 二、三或四作进一步说明，本实施方式所述检测水程L的取值为：L＝5。

实验验证：以堆焊结构为研究对象，研究接头质量的快速检测方法，检测方式及被检 测对象如图9所示，图中箭头表示运动方向。为了准确地调整检测灵敏度，实验中使用电 火花加工的方式制作平底孔人工缺陷FBH，孔底与材料结合面平齐，用以模拟界面上的 未熔合缺陷。

理论计算：相控阵探头可以利用电子扫查的方式来代替沿X轴方向的机械扫查，使 在进行C扫描时免于探头和试件进行相对运动，减少了一维运动自由度。但是这种方法 存在显而易见的缺点：线性阵列相控阵探头无法令超声波能量沿Y轴方向汇聚，因而可 能会出现一系列问题。从理论上预测，这种一维聚焦方式由于沿Y轴方向能量不集中， 导致其检测灵敏度必将低于二维聚焦方式。此外，由于沿Y轴方向的超声波能量分散， 在其扫描检测时，缺陷的尺寸会沿Y轴，即沿探头运动方向拉长而发生畸变，从而无法 反映结构内部的真实情况。

建立图9所示的实验机构，在计算机中创建相应的数学模型，通过CIVA软件计算得 到当前实验参数下被检测试件X-Z截面内部的超声波声场分布情况，如图10所示。

同时，为了通过对比来验证本发明的优势，本实验使用MATLAB计算了改进前后Y-Z 截面内部的超声波声场分布情况，如图11和图12所示

从声压场分布的对比可以看出，改进后的相控阵探头声压场能量集中，显著优于常规 线阵相控阵探头。理论上，超声波能量分散会导致信噪比降低，同时还会使缺陷的形状、 位置信息发生偏差，与实际情况不符。

实验结果及分析：

图13是使用常规线阵相控阵探头得到的C扫描结果；图14是使用本发明所述相控 阵探头得到的C扫描结果；图15是使用常规单晶片点聚焦探头对同一试件进行C扫描得 到的结果。

单晶片点聚焦探头的C扫描工艺比较成熟，其扫描结果也能够得到公认，因此本实 验使用单晶片点聚焦探头的C扫描结果来对比相控阵探头的C扫描结果，并用来判断检 测结果的可靠性。

从图13至图15中的对比可以发现，圆形的人工缺陷在常规相控阵探头C扫描结果 中沿探头运动方向被拉长，呈现出椭圆形，由此可以推知其他位置的缺陷也将被沿此方向 拉长。这样的检测结果与前文中的理论分析和预测基本吻合，表明直接使用线性阵列相控 阵探头，以电子扫描和机械扫查方式进行二维检测时所获得的图像存在畸变。

对比图13、图14和图15可以发现：本发明设计的相控阵探头显著改善了图像的对 比度，并且解决了线阵相控阵扫描图像沿Y轴方向的畸变问题。实验证明，本发明所设 计探头的C扫描结果与常规单晶片点聚焦探头的C扫描结果吻合良好。同时，实验结果 与图10、图11和图12中的声场仿真计算结果吻合良好。

本发明所述探头完成整个试件扫描检测所需的时间要远少于常规单晶片探头所需时 间，提高了检测效率。而且，由于免去了探头沿X轴方向的运动，使得检测系统的机械 运动机构减少了一个自由度，从而降低了系统的复杂程度。