超声相控阵检测教材 第三章 超声相控阵技术(3)

（1）分辨性伪像

由于系统空间分辨率的限制，凡距离小于分辨率判据的两点或多点物体，在图像上只能显示为一个较大的物体。一般来讲，纵向分辨率比横向分辨率好些，纵向分辨率低下使声场中层面结构的层次不清，结构粘连，横向分辨率低下使图像模糊、颗粒粗大，横向结构粘连。

另外，若在视野的不同深度上分辨率相差较大，处于不同位置相同大小的物体，产生不同大小的像。

（2）旁瓣效应伪像

换能器（或换能阵）发射的能量主要集中在主瓣声束内，而在其他方向的旁瓣也分布有相当能量，其中尤以第一旁瓣最大。当主瓣声束扫描物体时，旁瓣也同样在进行扫查，但它们的扫查方向与主瓣声束不一致，而它所接收到的回波信号则被完全归属在主瓣声束的回波信号上，同时被检测成像系统显示在同一声图像上。换能器无法区分主、旁瓣声轴的回波信号，成像系统又不能分别显示不同方向的注旁瓣声像，因此任何方向上的回波源，均被假定为沿换能器声束的轴向方向，从而形成了旁瓣效应伪像。实际上在所有各种大界面均可产生这种伪像，只是旁瓣回声与主瓣回声相比较小，使得旁瓣回声图掩盖与主瓣回声图之间，可

被忽略。但在旁瓣声束遇到强反射结构，而主瓣声束处于低回声区时，就明显分辨出来。由于旁瓣的存在，还降低了对低回声信号的对比度分辨率，使图像质量变差。通常决定图像组织质地微弱回波位于-40dB～-60dB（0dB回波为最亮最强的回波），系统的空间脉冲回波响应的-50dB波束宽度则提供合理而客观评价对比清晰度的测量标准，如图3-16（d）所示。

（3）栅瓣效应伪像

当阵列换能器设计不合理，主要是阵元间距过大，且扫描角度较大时，由于声波干涉，其声场中不仅存在主瓣、旁瓣，而且还存在栅瓣。图3-17是32阵元线阵换能器聚焦在（40mm，45°）时的波束图，该线阵换能器是由32个阵元组成的，阵元的中心频率=4MHz，相邻阵元中心间距，是阵元的中心频率所对应的波长。图3-17（a）为连续波声场双向处时，在-18°处出现了一个强的栅瓣。图

处时，在-18°处出现了一个响应，表示单一频率的情况，主波束选在3-17（b）表示阵列的脉冲回波响应，同样，主波束选在

强的栅瓣，但栅瓣变宽，而且栅瓣级比单频连续波是有所下降。

（a）连续波声场双向响应（b）空间脉冲回波响应

图3-17 32阵元（）线阵换能器聚焦在（40mm，45°）时的波束图

栅瓣产生伪像的原理同旁瓣效应伪像的产生的原理相同，但通常由于栅瓣中含有较多的能量，有时甚至高于主瓣的能量，因此在相控阵超声成像检测中栅瓣是必须要消除的。

总之，了解产生这些伪像的声学原因，有利于改进声学设计，采取措施，消除或者减弱伪像的影响，如优化阵列的设计使其具有良好的声学特性（最小化主瓣宽度、消除栅瓣、抑制旁瓣）；采用多段动态聚焦的方法使其在远场轴向较大范围内具有一致的横向分辨率，采用动态孔径的方法使其在近场和远场具有一致的横向分辨率；用动态变迹的方法来抑制旁瓣等。

3.3 相控阵扫描类型

在相控阵检测中，通过不同相位的声波之间的干涉影响来控制和形成超声波。根据波束合成的情况，可以进行线形扫描、扇形扫描和体扫描成像。由于线形扫描的波束合成是平行的，所以成像侧向分辨率均匀一致；扇形扫描的波束合成方向呈发射状，所以侧向分辨率在不同距离有所变化。在声输入口受到限制的场合（就是在某些情况下，超声阵列换能器能够接触工件表面的空间不够大），为了能够得到较大的探测范围，就应用扇形扫描。体扫描是在二维相控阵列换能器的基础上，进行空间波束合成形成空间扫描线，实现三维成像。

在相控阵检测中，通过不同相位的声波之间的干涉影响来控制和形成超声波。每个晶片以不同的延迟各自激发或者多组晶片以不同的延迟激发将会合成一束以特定角度传播的波阵面。这类似于常规楔块产生的机械延迟，但是相控阵可以改变延时的模式。通过相长干涉，合成后的波束幅度比任何一个独立波源产生的波幅都要强。同样的，改变阵列里每个晶片的延迟变化产生一个角度或者将所有声束聚焦在同一个位置。此外，改变初始波阵面的方向，声束就可以在近场区的任何位置进行聚焦。

通常，一个相控阵系统是利用声波的相位转换物理原理，在晶片阵列中，通过每个晶片产生的独立的波阵面与其它晶片的波阵面相叠加来改变一系列超声脉冲的输出时间，从而可以来有效的控制和形成声波。这些都是通过改变探头中每个晶片的脉冲产生时间来完成的。通常4-32晶片被作为一组进行激发，这样可以增加阵列孔径的大小从而提高检测的灵敏度，从而减少了声束的扩散，实现聚焦。软件中有聚焦法则计算器用来确定每组晶片的触发延迟，通过改变延迟时间产生所需要的声束，当然也要结合探头和楔块的特性及被检测材料的几何和声学性能。在仪器软件中选择控制脉冲的频率从而在被检测材料中发射若干独立的波阵面。这些波阵面依次叠加产生一束新的子波阵面在工件中进行传播，裂纹、材料的不连续性、底波及材料的其他几何回波都会产生反射，从而被探头接收。一个探头通过改变不同的角度、聚焦距离、及焦点尺寸就可以实现声束的动态偏转，这样就可以对被检材料进行不同面的检测成像。声束偏转的过程非常快，多角度或者不同聚焦深度的一次扫描在非常小的一瞬间就可以完成。返回的回波被所有晶片或者成组的晶片所接受，并且按时间顺序进行接收用于补偿不同的楔块延迟差，最后将所有晶片接收到的信息进行汇总。和传统的超声单晶传感器不同的是，相控阵传感器可以根据每个晶片接收到的信号的到达时间及幅度在空间上对返回的波阵面进行分类，这样可以有效的融合在这个区域内产生的所有的声束的检测效果。当通过仪器的软件进行处理时，每个反回的聚焦法则代表着一个独立的声束的反射、沿着线性路径的一个独立的点，以及/或者一个聚焦深度的反射。回波信息可以任何多种形式显示。

图3-18 平面探头通过改变延时产生角度示例

图3-19 线性扫描声束聚焦示例

3.3.1 相控阵线性扫描

相控阵系统可以不用移动探头就可以实现沿着线性相控阵探头晶片排列方向（长度方向）的电子扫描，并创建一个横截面图像。随着聚焦法则按顺序排列，其相应的A扫描被数字化并成像。阵列孔径的连续变化创建了一个实时的横截面图像。

实际扫查中，因为电子声束的变化是实时的，从而在探头移动时可以实时的产生连续的横截面扫描图像。图3-20、图3-21所示的是一个64晶片线性相控阵探头扫查的实时图像。每个聚焦法则采用16个晶片的阵列孔径，产生脉冲的开始晶片以1进行递增，每16晶片产生一个脉冲。这样就产生了49个独立的波形，这些波形一起产生了沿着探头晶片排列方向（长度方向）的实时的横截面成像。

图

3-20

图3-21 64晶片线性扫描

同样，相控阵传感器也可以产生有角度的声束。采用64晶片线性传感器及斜楔块，可以产生有角度的横波，角度可以由用户自己定义。此时在某一固定探头位置就可以检测整个焊缝位置，不需要像常规超声检测一样锯齿形地移动探头进行检测。

3.3.2 相控阵扇形扫描

扇形扫描是相控阵设备独有的扫描方式。在线性扫描中，所有的聚焦法则都是按顺序形成某个固定角度的阵列孔径。而扇形扫描则是通过一序列角度产生固定的阵列孔径和偏转。

相控阵通常采用以下这两种扇形扫描形式。

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