1、相控阵超声技术应用介绍（一） 简介 相控阵超声 相位控制的探头阵列 控制检测声束的特性 位置 偏角 聚焦 技术特征 单晶探头检测声场特性 整体辐射 单一指向性 单一声束特性 相控阵探头检测声场特性 可控部分辐射 可控偏角指向 可控聚焦 一维阵列 径向环阵 线阵 阵元数少。 阵元大。 功能单一。 矩阵 lo-theta阵列 二维阵列 阵元数大。 阵元小。 二维控制。 准二维阵列 周向环阵 矩阵 阵元数不大。 阵元不小。 二维控制。 相位延时 相位延时 比载波周期更短 或更精确的延时 脉冲延时 脉冲包络尺度的 延时 声束特征 起点位置 辐射方向 有效宽度（宽度轮廓） 声束位置控制 控制阵列探头各晶

2、片的开 关，使开启的晶片组合的 中心位置改变，从而改变 产生和接收的超声波轴线 位置，实现声束位置的控 制。 声束角度控制 沿阵列的排列方向各晶片的 位置线性控制其发射和接收 的相位延时，使各晶片波前 叠加后如同平面探头转动了 一个方向后产生的波前，实 现声束的角度控制 声束聚焦控制 沿阵列的排列方向各晶片的 位置到声轴线上某焦点的距 离线性控制其发射和接收的 相位延时，使各晶片波前同 时到达焦点，如同聚焦探头 产生的波前，实现声束的聚 焦控制 合成声束（Synthetic Beam） 多个阵元发射、接收 控制相位延时 各个子声波干涉叠加 同频率 固定相位 合成声束 发射整体波阵面合成 接收信

3、号延时合成 合成孔径（ Synthetic Aperture） 孔径-辐射源的尺寸 形成合成声束的所有晶片的集合， 称为合成孔径。合成孔径是探头 晶片阵列的全部或一部分，描述 为中心位置，晶片间距，晶片数 量或总体尺寸 延时法则（聚焦法则）-定义 延时法则（delay law）是指形成某个合成声束时，阵列所有晶片 的发射的开关、幅度、相位延时和接收的开关、加权、相位延时 等控制因素的集合。 延时法则针对某个特征的声束或某个聚焦点运用声波传输原理计 算获得 相控阵延时法则原理 根据费马原理（Fermats principle） 即空间两点间波动的传播遵循时程最 短原则。 在声速一致的均匀介质内将

4、沿直线传输 在声速不一致的界面上将符合折射定理 线性叠加原理 干涉 聚焦延时 角度偏转延时 带楔块角度偏转延时 相控阵结构框图 相控阵仪器参数 多路切换-最大阵元数 多路收发-最大孔径阵元数 发射分配-延时精度 接收分配-延时精度 合成成像-重复频率和成像帧率 扫描和成像 按一定规律变化声束的位移或/和 角度，使声束扫描覆盖较大的区 域 线扫 扇扫 复合扫描 二维阵列扫描 电子机械复合二维扫描 线扫（线扫（L-ScanL-Scan） 也叫B扫或电扫（E-Scan），一般指固定角度声束，连续移动 合成声束的位置，记录每个声束的A扫波形数据，以声束扫 描位置和回波传输延时确定像素的位置，回波幅度确

5、定像素 的亮度或彩色，显示所有回波记录的过程。形成的图像叫线 扫图像 特点： 线扫的各个声束具有完全相同的角度和聚焦特性，灵敏度一致，检 测能力一致 横向分辨率高，能实现较长距离的一维电子扫查 线扫的探头一般在扫描方向较大 扇扫（扇扫（S-ScanS-Scan） 相控阵扇扫一般指固定声束位置，连续偏转合成声束的角度， 记录每个声束的A扫波形数据，以声束扫描角度和回波传输延 时确定像素的位置，回波幅度确定像素的亮度或彩色，显示所 有回波记录的过程。形成的图像外形像一个扇面叫扇扫图像。 特点： 扇扫的各个声束具有相同的合成孔径，聚焦深度具有一定规律，可以 用等声程聚焦，等深度聚焦或等距离聚焦。 扫

6、描范围随深度增加而扩大，探头体积小，耦合面小，检测灵活 复合扫描 多个入射角度的线扫图像叠加扇扫图像连续平移扫描，各个图像数据叠加 二维阵列扫描三维成像 采用二维阵列在两个方向控制 声束扫描，形成三维图像数据， 以一定的切面显示图像 二维扇扫-金字塔扫描 电子、机械复合二维电子、机械复合二维扫描扫描 线扫或扇扫形成相控阵主动面 的端面二维图像，当探头沿垂 直于相控阵线阵的主动面扫查 时，按编码器传感的扫查位置 连续记录二维图像，形成对扫 查区域的三维图像记录。 超声信号的显示方式 A扫图形 B扫图像 C扫图像 D扫图像 P扫描图像 A（Amplitude）型显示 （幅度-时间记录） 时间 幅

7、度 A扫波形 用曲线显示传输延时（声程距离）一维空间上的信号幅度信息的二维 图形。 曲线上的各点： 水平位置表示传输延时或声程、深度、距离等。其中传输延时是直接 测量量。而声程、深度、距离是经声速、角度投影等比例系数传递的 间接测量量。 垂直位置表示信号幅度。通常用占满屏高的百分数表示。代表某个灵 敏度（增益/衰减）下信号的大小。 B（Brightness）型显示 （亮度-时间-扫查记录） 时间 B扫图像 显示扫查距离+声程距离二维空间的幅度信息的二维图像 图像中的每个点： 一维位置表示探头扫查距离，以毫米等为单位，通常是用编码器等机械移动传感器测 量量。 另一维位置表示传输延时或声程、深度、

8、距离等。其中传输延时是直接测量量。而声 程、深度、距离是经声速、角度投影等比例系数传递的间接测量量。 用亮度或 色度表示信号的幅度。 扫 查 距 离 B型显示(斜探头PE平行扫查) 深 度 扫查距离 B扫图像 当超声斜角入射时，分为平行扫查（B 扫）和非平行扫查（ D扫） 图像中的每个点： 当超声斜角入射时的平行扫查（B扫） 时，声程距离能够在深度和扫查两个方 向投影，扫查方向的投影能叠加在探头 扫查位置上。 TOFD非平行扫查（D扫） TOFD成像 双探头一发一收，深度距离非线性的 B扫描图像 TOFD平行扫查（B扫） C型显示 X扫查方向 Y 扫 查 方 向 C扫图象 探头在工件表面两个方向移动覆盖二维检测区域，并显示两个正交扫查方 向的 二维空间的 幅度或其他测量信息 图像中的每个点： 两个坐标位置分别表示探头在两个扫查方向的位移值，通常用编码器等机 械扫查位置传感器测量。 亮度或色度表示一个超声测量量 信号幅度：穿透波幅度、反射波幅度 信号延时：单波延时、多波相对延时 以上多个信息的测量值：厚度、声速、衰减 C扫描 P （Project）扫描（投影成像） 以焊缝为参照系的定义 顶视图（Top）：从焊缝/探头正上方