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超声相控阵检测关键技术的研究

程继隆  
【摘要】: 超声相控阵检测技术(UPA)是一种先进的超声无损检测技术,超声相控阵技术通过对超声阵列换能器中各阵元进行相控阵控制,获得灵活可控的合成波束,并可随意控制聚焦点的位置。具有动态聚焦、电子扫查、扇形扫描等特性,可检测复杂形状物体,能提高检测灵敏度等优点。因此,成为近几年超声无损检测领域中的研究热点。 本文主要论述了超声相控阵检测相关理论,包括超声相控阵声场的辐射原理、相控阵超声检测原理和相控阵声束控制方法。建立了单个阵元超声场模型和相控阵超声空间声场模型,同时进行了相控阵声场仿真,得到了单源矩形、线性矩形换能器的空间声场分布情况。深入分析了相控阵阵列探头阵元数量(N)、阵元间距(d)、阵元宽度(a)、焦距(F)和声束偏转角(θ0)等参数对声束聚焦偏转的影响,为超声相控阵换能器的优化设计提供了理论依据。 利用单通道实现相控阵合成聚焦技术的方法,搭建了一个16阵元、单通道超声信号发射与采集和处理实验系统。利用该系统对缺陷试块进行了检测验证实验,实验结果与实际试块缺陷情况吻合。实验证明:相控阵合成聚焦技术极大地提高了检测的信噪比和灵敏度,验证了该相控阵超声合成聚焦方法的可行性。通过对试块的缺陷检测实验,对比聚焦与不聚焦的检测实验效果,证明相控阵聚焦可以提高检测能力。


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