1 第一章 超声相控阵技术的基本概念 本章描述超声波原理、相控阵延时（或聚焦定律）概念，并介绍R/D 公司研制的相控阵仪器设备。 1.1 原理 超声波是由电压激励压电晶片探头在弹性介质（试件）中产生的机械振动。典型的超声频率范围为0.1MHz～50MHz。大多数工业应用要求使用0.5MHz～15MHz 的超声频率。 常规超声检测多用声束扩散的单晶探头，超声场以单一折射角沿声束轴线传播。其声束扩散是唯一的“附加”角度，这对检测有方向性的小裂纹可能有利。 假设将整个压电晶片分割成许多相同的小晶片，令小晶片宽度 e远小于其长度 W。每个小晶片均可视为辐射柱面波的线状波源，这些线状波源的波阵面会产生波的干涉，形成整体波阵面。 这些小波阵面可被延时并与相位和振幅同步，由此产生可调向的超声聚焦波束。 超声相控阵技术的主要特点是多晶片探头中各晶片的激励（振幅和延时）均由计算机控制。压电复合晶片受激励后能产生超声聚焦波束，声束参数如角度、焦距和焦点尺寸等均可通过软件调整。扫描声束是聚焦的,能以镜面反射方式检出不同方位的裂纹。这些裂纹可能随机分布在远离声束轴线的位置上。用普通单晶探头，因移动范围和声束角度有限，对方向不利的裂纹或远离声束轴线位置的裂纹，漏检率很高（见图 1 ）。 漏检F3‘β 3’ Φ3F2‘β 2’ Φ2F1’β 1’ Φ1 图 1-1 常规单晶探头（左）和阵列多晶探头（右）对多向裂纹的检测比较﹡ ﹡常规单晶探头声束扩散且单向，而相控阵探头声束聚焦且可转向。多向裂纹可被相控阵探头检出。 2 图1-2 脉冲发生和回波接收时的声束形成和时间延迟（同相位、同振幅） 图1-3 超声波垂直（a）和倾斜（b）入射时声束聚焦原理 发射 接收 超声波探伤仪 超声波探伤仪 触发 相控阵控制器 相控阵控制器 脉冲激励 阵列探头 缺陷 缺陷 入射波阵面 反射波阵面 回波信号 Σ 接收延时 延时 [ns] 延时 [ns] 转角 产生的波阵面 产生的波阵面 阵列探头 阵列探头 3 为产生同相位、有相长干涉的声束，用有微小时差的电脉冲分别激励阵列探头各选用晶片。来自材料中某一焦点（如缺陷等）的回波，以一定时差返回各换能器单元，见图 1-2。在信号汇合前，各换能器晶片上接收到的回波信号均有时差。信号汇合后形成的A-扫描图形，显示了材料中某一焦点的回波特性，也显示了材料中其它各点衰减各异的回波特性。 （1）在发射过程中，探伤仪将触发信号传送至相控阵控制器。相控阵控...
