2.Phased Array Probe Characteristics 相控陣探頭特性

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如前面幾頁(yè)所述，相控陣檢測(cè)的核心內(nèi)容是通過改變單個(gè)晶片或晶片組的脈沖激勵(lì)延遲時(shí)間，以電子方式控制超聲聲束偏轉(zhuǎn)的方向（折射角度）和聚焦情況。利用聲束的這種電子偏轉(zhuǎn)特點(diǎn)，使用單個(gè)探頭在不改變探頭位置的情況下，就可進(jìn)行多角度檢測(cè)和/或多點(diǎn)檢測(cè)（見圖2-23）

如前面的解釋，超聲聲束的特性取決于很多因素。相控陣探頭的性能除了受晶片尺寸、頻率、阻尼的影響（這點(diǎn)與常規(guī)單晶探頭的性能相同）外，如何對(duì)較小單個(gè)晶片進(jìn)行定位、定量、編組也會(huì)影響到探頭的性能，從而創(chuàng)建出與常規(guī)探頭效果相同的有效孔徑。
在相控陣探頭中，若干晶片被編成一組，形成有效孔徑，這種孔徑在聲束傳播中的作用與各種常規(guī)探頭類型極為相似（見圖2-24）。

As previously explained, ultrasonic beam characteristics are defied by many factors. In addition to element dimension, frequency, and damping that govern conventional single element performance, phased array probe behavior is affected by how smaller individual elements are positioned, sized, and grouped to create an effective aperture equivalent to its conventional counterpart.
For phased array probes N elements are grouped together to form the effective aperture for which beam spread can be approximated by conventional transducer models(see Figure 2-24).

對(duì)于相控陣探頭來說，某種特定情況下的最大電子偏轉(zhuǎn)角度（在-6dB處）可以從聲束擴(kuò)散等式導(dǎo)出。不難發(fā)現(xiàn)，小晶片會(huì)產(chǎn)生更多的聲束擴(kuò)散現(xiàn)象，因此會(huì)產(chǎn)生更高的角度聲能，這些聲能被匯合在一起，可使聲束的電子偏轉(zhuǎn)達(dá)到最佳狀態(tài)。隨著晶片尺寸的減小，需要對(duì)更多晶片進(jìn)行脈沖激勵(lì)，從而保持靈敏度。見圖2-25.
For phased array probes, the maximum steering angle(at -6dB) in a given case is derived from the beam spread equation. It can be easily seen that small elements have more beam spreading and hence higher angular energy content, which can be combined to maximize steering. As element size decreases, more elements must be pulsed together to maintain sensitivity. See Figure 2-25 for details.

請(qǐng)大家注意，在制造相控陣探頭時(shí)一般將最小單個(gè)晶片的寬度限制在0.2mm,這樣含有16個(gè)寬度為0.2mm晶片的激活孔徑的長(zhǎng)度就為3.2mm。要?jiǎng)?chuàng)建6.4mm長(zhǎng)的孔徑則需要32個(gè)晶片。這些孔徑較長(zhǎng)的探頭毫無疑問會(huì)增加電子偏轉(zhuǎn)的性能，而小孔徑則會(huì)限制靜態(tài)覆蓋區(qū)域、靈敏度、穿透能力及聚焦能力。

用角度楔塊來改變聲束的入射角度，可以增加聲束偏轉(zhuǎn)的范圍，從而不過多依賴電子偏轉(zhuǎn)。

根據(jù)聲束擴(kuò)散的角度，可以算出到探頭任何距離的聲束直徑。在使用正方形或長(zhǎng)方形相控陣探頭的情況下，聲束在被動(dòng)面上的擴(kuò)散與未聚焦的探頭相似。在電子偏轉(zhuǎn)面（或稱主動(dòng)面）上，聲束可被電子聚焦，其聲能在適當(dāng)?shù)纳疃缺粎R聚在一起。聚焦探頭的波束形狀一般為椎體（在單軸聚焦的情況下為楔形），聲束被匯集成焦點(diǎn)后，再?gòu)慕裹c(diǎn)處以相同的角度擴(kuò)散，如下面所述：

2.7 Beam Focusing with Phased Array Probes 相控陣探頭的聲束聚焦
Sound beams can be focused like light rays, creating an hourglass-shaped beam that tapers to a minimum diameter at a focal point and then expands once past that focal point(See figure 2-26).
聲束可以像光線一樣聚焦，生成一個(gè)如沙漏形狀的聲束，這條成錐形的聲束在聚焦點(diǎn)處直徑達(dá)到最小，然后從這個(gè)焦點(diǎn)處再次擴(kuò)散向更遠(yuǎn)處傳播（見圖2-26）。

通過改變脈沖延遲可以改變相控陣列所發(fā)出的聲束的聚焦深度。特定材料內(nèi)的近場(chǎng)長(zhǎng)度決定聲束可被聚焦的最大深度。聲束不能在超過被測(cè)材料內(nèi)近場(chǎng)邊緣以外的區(qū)域聚焦。
聚焦探頭的有效靈敏度受缺陷位置處的聲束直徑的影響。聲束直徑越小，小缺陷所反射的能量就會(huì)越大。此外，焦點(diǎn)處的小直徑聲束可以改進(jìn)橫向分辨率。聚焦探頭在焦點(diǎn)處-6dB聲束直徑或?qū)挾鹊挠?jì)算如下：
-6dB聲束直徑或?qū)挾?1.02Fc/fD (其中，F(xiàn)=被測(cè)介質(zhì)的聚焦長(zhǎng)度， c=被測(cè)介質(zhì)的聲束 ，D=晶片直徑或孔徑)
對(duì)于矩形晶片，需要將主動(dòng)方向和被動(dòng)方向分開計(jì)算。

從這些公式可以看出，隨著晶片尺寸和/或頻率的增加，聲束散播的角度會(huì)降低。由于較小的聲束散播角度會(huì)使聲能消散的更慢一些，因此在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生有效的靈敏度。在近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，探頭可被聚焦創(chuàng)建一條將聲能匯聚在一起而不是使聲能發(fā)散的聲束。在將聲束直徑或?qū)挾葴p少到焦點(diǎn)的過程中，在聚焦區(qū)域內(nèi)聲束每前進(jìn)一步聲能就會(huì)增加一點(diǎn)，從而可提高探測(cè)小反射體的靈敏度。常規(guī)探頭通常會(huì)使用聲學(xué)折射透鏡達(dá)到這個(gè)目的，而相控陣探頭則通過電子方式實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，即以相控脈沖激勵(lì)的方式獲得想要的聲束形狀。
最常用的帶有長(zhǎng)方形晶片的線性相控陣探頭所發(fā)出的聲束會(huì)在電子偏轉(zhuǎn)主動(dòng)方向上聚焦，而在被動(dòng)方向上不會(huì)聚焦。增加孔徑尺寸會(huì)增加聚焦聲束的銳利度，如這些聲束形狀所示（見圖2-27）。紅色為聲壓最高的區(qū)域，藍(lán)色為聲壓較低的區(qū)域。

2.7 Grating Lobes and Side Lobes 柵瓣和旁瓣
使用相控陣探頭會(huì)產(chǎn)生的另一個(gè)現(xiàn)象是會(huì)生成不希望出現(xiàn)的柵瓣和旁瓣。出現(xiàn)柵瓣和旁瓣這兩個(gè)緊密相關(guān)的現(xiàn)象是由于探頭發(fā)出的部分聲能以不同于主聲程的角度傳播造成的。旁瓣現(xiàn)象不僅限于相控陣系統(tǒng)，在使用常規(guī)探頭時(shí)，隨著晶片大小的增加也會(huì)出現(xiàn)旁瓣現(xiàn)象。柵瓣現(xiàn)象只會(huì)由相控陣探頭產(chǎn)生，因?yàn)橄嗫仃囂筋^上距離恒定的單個(gè)小晶片會(huì)生成單獨(dú)的聲波，這些聲波會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)柵瓣。這些不希望出現(xiàn)的聲波會(huì)從被測(cè)工件的表面反射，并會(huì)使圖像中出現(xiàn)虛假缺陷指示。晶片間距、晶片數(shù)量、頻率和帶寬都會(huì)對(duì)柵瓣的波幅有很大的影響。
圖2-28比較了兩種聲束形狀：在探頭孔徑近似的情況下，左圖中的聲束由間距為0.4mm的6個(gè)晶片生成，右圖中的聲束由間距為1mm的3個(gè)晶片生成。左側(cè)圖中的聲束形狀有些像錐形，右側(cè)圖中的聲束在其中心軸兩側(cè)約30度方向生出兩個(gè)多余的波瓣。

只要陣列中的單個(gè)晶片的尺寸等于或大于波長(zhǎng)，就會(huì)產(chǎn)生柵瓣（晶片尺寸在半個(gè)波長(zhǎng)和一個(gè)波長(zhǎng)之間時(shí)，是否產(chǎn)生柵瓣取決于電子偏轉(zhuǎn)角度）。因此在具體的應(yīng)用中使柵瓣最小化的最簡(jiǎn)單的方法是使用小晶片間距的探頭。使用特別設(shè)計(jì)的探頭，如：將大晶片分割成較小的晶片，或改變晶片間距，也可以減少不必要的波瓣。

2.8 Phased array Probe Selection Summary選擇相控陣探頭的總結(jié)
設(shè)計(jì)相控陣探頭時(shí)，往往要權(quán)衡適當(dāng)?shù)木g距、晶片寬度及孔徑等因素。使用大量的小晶片可以增加電子偏轉(zhuǎn)能力，減少旁瓣并增強(qiáng)聚焦，但是會(huì)有制造費(fèi)用高、儀器較為復(fù)雜等局限性。很多標(biāo)準(zhǔn)儀器都支持最多含16個(gè)晶片的孔徑。增加晶片之間的距離似乎是增大孔徑大小的較為容易的方法，但是又會(huì)產(chǎn)生不想要的柵瓣。
需要注意的是相控陣探頭的銷售人員經(jīng)常會(huì)向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的探頭，這些探頭的設(shè)計(jì)通常都考慮到上面提到的因素，可以根據(jù)預(yù)期使用目的發(fā)揮最佳性能。實(shí)際的探頭選擇最終會(huì)由具體的應(yīng)用需要決定。在某些應(yīng)用中，會(huì)要求在小的金屬聲程上進(jìn)行多角度的電子偏轉(zhuǎn)，因此就不需要大孔徑的探頭。在另一些應(yīng)用中，可能會(huì)需要覆蓋較大的區(qū)域以探測(cè)出分層缺陷，因此要求使用大孔徑探頭，并且將晶片分成多組進(jìn)行線性掃查，這樣就根本不需要電子偏轉(zhuǎn)。一般來說，用戶可以根據(jù)自己掌握的常規(guī)UT知識(shí)，在考慮了頻率和孔徑因素后，選擇最適宜自己應(yīng)用的探頭進(jìn)行檢測(cè)。

N-D-E 發(fā)表于 2015-1-11 11:49
通過改變脈沖延遲可以改變相控陣列所發(fā)出的聲束的聚焦深度。特定材料內(nèi)的近場(chǎng)長(zhǎng)度決定聲束可被聚焦的最大深 ...

從這些公式可以看出，隨著晶片尺寸和/或頻率的增加，聲束散播的角度會(huì)降低。由于較小的聲束散播角度會(huì)使聲能消散的更慢一些，因此在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生有效的靈敏度。
這句話不太明白，較小的聲束擴(kuò)散角會(huì)使能量集中，那么應(yīng)該在焦點(diǎn)附近能量最強(qiáng)，為什么說元場(chǎng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生有效的靈敏度？什么叫有效的靈敏度。