全聚焦超声检测的设备选择

---谢映奎

本文介绍全聚焦超声检测中设备选择相关的事宜。

相比其他的常规超声检测检测方法，FMC/TFM（全矩阵数据捕获/全聚焦成像）的主要优势是图像的分辨力高（区分相邻两个缺陷的能力）。

但是，FMC/TFM检测是超声检测方法中的一种，它仍然和常规超声、相控阵、TOFD等超声方法一样，遵循超声的基本规律。因此，与检测应用相匹配的探头是实现全聚焦检测效果和全聚焦技术的核心要素之一。对于任何给定的阵列探头，其性能也与检测区域或成像区域相关。

使用FMC/TFM技术进行检测的超声波仪器，应该满足ISO 18563-1的要求，如有可能。

1. 仪器应该能采集全矩阵或部分矩阵的信息，并且仪器本身能处理这些信息，或传输给计算机做信号的后处理。

2. A扫的采样率推荐值是探头标称频率的至少5倍。

3. 超声波仪器的带宽应足够大，至少是探头中心频率的两倍，并且能合理地设置高通和低通滤波器的值，如高通设置为不高于中心频率的一半，低通设置至少是探头中心频率的2倍。

任何线阵列、矩阵列探头都可以用于FMC/TFM技术。使用FMC/TFM检测的超声阵列探头，应该满足ISO 18563-2的要求。通常要求小阵元、阵元中心距小和阵元数量多，将更大地优化检测区域，包含检测的深度增加，检测结果与缺陷的取向依赖性小。这对大部分超声检测技术都适用。任何给定的阵列探头，当采用相控阵检测技术时检测效果差，其在FMC/TFM技术中检测效果也不理想（因此，配置一个好的阵列探头也是相当关键的。）例如，尽管可以采用阵元少的探头检测厚壁工件，但其检测得到的分辨力会比阵元数量多的差。

因此，在检测之前，检验员应该考虑下述因素：

1. 探头的孔径应该能产生足够的近场（利用材料中声波的波长，对孔径进行了归一化处理）；

2. 检测时，需要很大声时（即距离探头较远）才能发现的缺陷，分辨力会下降，因此，需要使用更大的阵列，获得更好的检测结果；

3. 减小波长，将提高分辨力，而通常是常用高频探头来实现的。材料的声速也影响波长，材料的声速大，波长也相应的较大；

4. 阵元的中心距P值（即相邻阵元的中心距离）也是非常重要的；利用信号中合适的信息，获得成像区域栅格中每个数据。当结合探头的孔径这一参数时，这意味着阵元的数量是非常重要的参数。但是，需要知道的是，FMC/TFM中阵元的中心距P值与成像区域中的栅格并无直接关系，这一点与PAUT不同；

5. 高阻尼探头，从而减少声波持续振动的时间，提高分辨力；

6. 坏阵元的数量。有关标准（如ISO 23865）中要求每16个阵元中坏阵元数量所占的比例应该不超过1/16，并且没有相邻阵元坏死。如果不能满足这一要求，则需要通过实验来证明。

同时，探头的配置也影响成像重建的过程，这与成像过程中帧数的采集相关。为了促进成像的过程，检验员也需要考虑下述条件：

1. 采用阵元中心距P小的探头，通常效果更好（利用波长，对P值进行了归一化处理），同时也需要避免空间上的混叠；

2. 采用阵元小的阵列探头，每个阵元的声场指向性不明显，通常效果更好；但是阵元太小，也会影响检测灵敏度；

3. 检测的区域应位于探头最佳的检测区域（例如，检测范围应位于声束扩散和衰减可接受的范围之内）；

4. 需要考虑斜楔的尺寸，优化检测的有效性，同时还需要知道斜楔的相关参数，如声速，角度，尺寸，探头阵元在斜楔上的相对位置尺寸等信息，从而计算每个阵元发射和接收声波的声时。