2.Phased Array Probe Characteristics 相控阵探头特性

楼主辛苦了！

如前面几页所述，相控阵检测的核心内容是通过改变单个晶片或晶片组的脉冲激励延迟时间，以电子方式控制超声声束偏转的方向（折射角度）和聚焦情况。利用声束的这种电子偏转特点，使用单个探头在不改变探头位置的情况下，就可进行多角度检测和/或多点检测（见图2-23）

如前面的解释，超声声束的特性取决于很多因素。相控阵探头的性能除了受晶片尺寸、频率、阻尼的影响（这点与常规单晶探头的性能相同）外，如何对较小单个晶片进行定位、定量、编组也会影响到探头的性能，从而创建出与常规探头效果相同的有效孔径。
在相控阵探头中，若干晶片被编成一组，形成有效孔径，这种孔径在声束传播中的作用与各种常规探头类型极为相似（见图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).

对于相控阵探头来说，某种特定情况下的最大电子偏转角度（在-6dB处）可以从声束扩散等式导出。不难发现，小晶片会产生更多的声束扩散现象，因此会产生更高的角度声能，这些声能被汇合在一起，可使声束的电子偏转达到最佳状态。随着晶片尺寸的减小，需要对更多晶片进行脉冲激励，从而保持灵敏度。见图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.

请大家注意，在制造相控阵探头时一般将最小单个晶片的宽度限制在0.2mm,这样含有16个宽度为0.2mm晶片的激活孔径的长度就为3.2mm。要创建6.4mm长的孔径则需要32个晶片。这些孔径较长的探头毫无疑问会增加电子偏转的性能，而小孔径则会限制静态覆盖区域、灵敏度、穿透能力及聚焦能力。

用角度楔块来改变声束的入射角度，可以增加声束偏转的范围，从而不过多依赖电子偏转。

根据声束扩散的角度，可以算出到探头任何距离的声束直径。在使用正方形或长方形相控阵探头的情况下，声束在被动面上的扩散与未聚焦的探头相似。在电子偏转面（或称主动面）上，声束可被电子聚焦，其声能在适当的深度被汇聚在一起。聚焦探头的波束形状一般为椎体（在单轴聚焦的情况下为楔形），声束被汇集成焦点后，再从焦点处以相同的角度扩散，如下面所述：

2.7 Beam Focusing with Phased Array Probes 相控阵探头的声束聚焦
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).
声束可以像光线一样聚焦，生成一个如沙漏形状的声束，这条成锥形的声束在聚焦点处直径达到最小，然后从这个焦点处再次扩散向更远处传播（见图2-26）。

通过改变脉冲延迟可以改变相控阵列所发出的声束的聚焦深度。特定材料内的近场长度决定声束可被聚焦的最大深度。声束不能在超过被测材料内近场边缘以外的区域聚焦。
聚焦探头的有效灵敏度受缺陷位置处的声束直径的影响。声束直径越小，小缺陷所反射的能量就会越大。此外，焦点处的小直径声束可以改进横向分辨率。聚焦探头在焦点处-6dB声束直径或宽度的计算如下：
-6dB声束直径或宽度=1.02Fc/fD (其中，F=被测介质的聚焦长度， c=被测介质的声束 ，D=晶片直径或孔径)
对于矩形晶片，需要将主动方向和被动方向分开计算。

从这些公式可以看出，随着晶片尺寸和/或频率的增加，声束散播的角度会降低。由于较小的声束散播角度会使声能消散的更慢一些，因此在远场区内会产生有效的灵敏度。在近场区域内，探头可被聚焦创建一条将声能汇聚在一起而不是使声能发散的声束。在将声束直径或宽度减少到焦点的过程中，在聚焦区域内声束每前进一步声能就会增加一点，从而可提高探测小反射体的灵敏度。常规探头通常会使用声学折射透镜达到这个目的，而相控阵探头则通过电子方式实现这个目的，即以相控脉冲激励的方式获得想要的声束形状。
最常用的带有长方形晶片的线性相控阵探头所发出的声束会在电子偏转主动方向上聚焦，而在被动方向上不会聚焦。增加孔径尺寸会增加聚焦声束的锐利度，如这些声束形状所示（见图2-27）。红色为声压最高的区域，蓝色为声压较低的区域。

2.7 Grating Lobes and Side Lobes 栅瓣和旁瓣
使用相控阵探头会产生的另一个现象是会生成不希望出现的栅瓣和旁瓣。出现栅瓣和旁瓣这两个紧密相关的现象是由于探头发出的部分声能以不同于主声程的角度传播造成的。旁瓣现象不仅限于相控阵系统，在使用常规探头时，随着晶片大小的增加也会出现旁瓣现象。栅瓣现象只会由相控阵探头产生，因为相控阵探头上距离恒定的单个小晶片会生成单独的声波，这些声波会导致出现栅瓣。这些不希望出现的声波会从被测工件的表面反射，并会使图像中出现虚假缺陷指示。晶片间距、晶片数量、频率和带宽都会对栅瓣的波幅有很大的影响。
图2-28比较了两种声束形状：在探头孔径近似的情况下，左图中的声束由间距为0.4mm的6个晶片生成，右图中的声束由间距为1mm的3个晶片生成。左侧图中的声束形状有些像锥形，右侧图中的声束在其中心轴两侧约30度方向生出两个多余的波瓣。

只要阵列中的单个晶片的尺寸等于或大于波长，就会产生栅瓣（晶片尺寸在半个波长和一个波长之间时，是否产生栅瓣取决于电子偏转角度）。因此在具体的应用中使栅瓣最小化的最简单的方法是使用小晶片间距的探头。使用特别设计的探头，如：将大晶片分割成较小的晶片，或改变晶片间距，也可以减少不必要的波瓣。

2.8 Phased array Probe Selection Summary选择相控阵探头的总结
设计相控阵探头时，往往要权衡适当的晶片间距、晶片宽度及孔径等因素。使用大量的小晶片可以增加电子偏转能力，减少旁瓣并增强聚焦，但是会有制造费用高、仪器较为复杂等局限性。很多标准仪器都支持最多含16个晶片的孔径。增加晶片之间的距离似乎是增大孔径大小的较为容易的方法，但是又会产生不想要的栅瓣。
需要注意的是相控阵探头的销售人员经常会向用户提供标准的探头，这些探头的设计通常都考虑到上面提到的因素，可以根据预期使用目的发挥最佳性能。实际的探头选择最终会由具体的应用需要决定。在某些应用中，会要求在小的金属声程上进行多角度的电子偏转，因此就不需要大孔径的探头。在另一些应用中，可能会需要覆盖较大的区域以探测出分层缺陷，因此要求使用大孔径探头，并且将晶片分成多组进行线性扫查，这样就根本不需要电子偏转。一般来说，用户可以根据自己掌握的常规UT知识，在考虑了频率和孔径因素后，选择最适宜自己应用的探头进行检测。

N-D-E 发表于 2015-1-11 11:49
通过改变脉冲延迟可以改变相控阵列所发出的声束的聚焦深度。特定材料内的近场长度决定声束可被聚焦的最大深 ...

从这些公式可以看出，随着晶片尺寸和/或频率的增加，声束散播的角度会降低。由于较小的声束散播角度会使声能消散的更慢一些，因此在远场区内会产生有效的灵敏度。
这句话不太明白，较小的声束扩散角会使能量集中，那么应该在焦点附近能量最强，为什么说元场内会产生有效的灵敏度？什么叫有效的灵敏度。