下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
相控阵探头的基本尺寸包括：阵元间距、阵元宽度、阵元长度、相邻阵元间隙、阵元数量等，如图4-7所示。
图4-7 相控阵探头的基本尺寸
注： p 为阵元间距， a 为阵元宽度， b 为阵元长度， n 为阵元数量，g为相邻阵元间隙。
探头的激发孔径是用于激发声束的阵元总长。例如，使用一维线阵探头，通过特定阵元设置控制声束偏转至一定角度。激发孔径 A 为：
式中 A ——激发孔径（mm）；
a ——阵元宽度（mm）；
g ——相邻阵元间隙（mm）；
n ——阵元数量；
可以使用以下近似公式计算激发孔径 A ：
式中 p ——阵元间距（mm）， p = a + g 。
探头的激发孔径可以视为常规超声波的探头直径。应用时需要考虑矩形阵元的影响，来对其进行精确研究。
非主动孔径与阵元次轴或其宽度尺寸相关，不受给定探头的激发孔径变化影响。探头的这个参数有几个控制因素，包括：尺寸限制、频率及焦距范围。这些因素的变化会影响探头性能，如：灵敏度、聚焦效果和非主动方向的声束扩散。理想的非主动孔径通常由探头生产厂家确定。近场长度与激发孔径和非主动孔径的关系如下：
式中 N 0 ——非聚焦孔径的近场长度（近似值）（mm）；
A ——激发孔径（mm）；
λ ——波长（nm）；
W ——非主动孔径（单个阵元的长度，mm）。
探头设计者通过经验规则来确定非主动孔径的正确尺寸。可以通过阵元间距 p 来确定，如要求 W 非主动 / p ＞10，或要求 W 非主动 =（0.7～1.0） A 。
如图4-8所示，有效激发孔径（ A eff ）是沿折射线所见的投影孔径。
使用楔块时，受楔块声速和折射角的影响，有效激发孔径会发生畸变，通常会使有效激发孔径的尺寸比直接接触被检工件时的尺寸更小。可以通过式（4-4）计算有效激发孔径：
式中 A eff ——有效激发孔径（mm）；
A ——激发孔径（mm）；
β R ——折射角（°）；
α i ——入射角（°）。
若无特殊说明，该结果的改变就意味着孔径产生畸变。
图4-8 有效激发孔径
本书中多次出现“分辨力”这个术语，但需要进一步详细解释其涵义。超声波学术术语中，“分辨力”通常表示对显示屏上信号源的分辨能力。
超声波显示屏上细节的分辨能力与显示方式有关。如果使用C扫描，分辨俯视图中的两相邻反射体需要一定的横向分辨力；如果使用B扫描，则既需要其具有分辨深度相同的相邻反射体的能力，还要求其可以分辨位于声束路径方向的深度或距离相近的反射体。S扫描是B扫描的特例，但其通过角度来定义反射体的位置，而不是笛卡尔坐标系。
由于存在这些差异，相控阵超声波检测中涉及三种分辨力：横向分辨力、轴向（或时间）分辨力及角分辨力，如图4-9所示。
图4-9 轴向分辨力、横向分辨力和角分辨力
横向分辨力是相控阵系统区分与超声波声束垂直的平面内两个显示的能力。在C型显示中，显示可处于不同深度。但在B型显示中，若要区分深度相同的相邻显示，应使焦点（横向尺寸）尽可能小。
横向分辨力与频率成正比，频率越高，横向分辨力也越高。横向分辨力与焦点尺寸成反比。焦点越小（越窄），横向分辨力也越高。可利用校准试块确定不同深度的横向分辨力。横向分辨力的另一因素是扫描增益。评定横向分辨力时会涉及声束或探头的移动。
0°电子扫描对横孔的横向分辨情况如图4-10所示。
图4-10 横孔的横向分辨情况
在相控阵超声波检测中，S扫描存在特殊的分辨力，称为“角分辨力”。角分辨力是两个等声程的同样反射体的最小可分辨角度。通过特定声程下的声束宽度和S扫描聚焦法则之间的角度增益，来确定系统的角分辨力。当等距离的两个同样反射体信号的波峰与中间波谷之差超过6dB时，就认为其角度可辨。如同横向分辨力，相同的概念可以应用于“C扫描”和“S扫描”，需要注意的是，在S扫描中，可以用如下方式显示C扫描：其中一轴表示角度范围，与其垂直的另一轴表示扫描增益。
轴向分辨力是相控阵系统区分与超声波声束平行（沿时间轴）的平面内两个显示的能力。轴向分辨力与脉冲持续时间有关，脉冲持续时间越短，轴向分辨力也越高。
图4-11 轴向分辨情况
脉冲持续时间越短、聚焦声束越集中，横向和轴向分辨力就越高。系统轴向分辨情况如图4-11所示。
超声波探头发射的不像可视化软件中描述的“激光束”，而是从探头面向外扩散声束（类似屋顶），声速恒定，而声压发生变化。对于相控阵和常规超声波探头，换能器正前方是声束的主要传播方向，声压较高，称为主瓣。主瓣是超声波检测的其中一股声束，还存在旁瓣，瓣与瓣之间存在无声压区域。
波长和探头孔径比值影响周期性干涉图样，进而导致旁瓣的产生。旁瓣位于主瓣两侧。该现象不只出现在相控阵系统，常规换能器的尺寸增加时，也会出现旁瓣。由于旁瓣会引起伪显示，因此应抑制其形成。虽然无法彻底消除旁瓣，但可以通过使阵元尺寸小于波长的一半的方式进行控制。
在超声波检测中，栅瓣并不是相控阵探头独有的，也存在于包括声呐（SONAR）和阵列望远镜的其他相控阵应用中。阵元间的规则间距引起栅瓣。当相控阵探头的阵元间距远大于波长的一半时，由于系统无法得到声束偏转所需的相位干涉，从而引起空间混淆效应，进而产生幅度更大的旁瓣，幅度接近主瓣，这就是栅瓣。它们基本相同，就像主瓣的复制品一样。栅瓣可以视为旁瓣的特例。从概念上区分旁瓣和栅瓣很有必要，因为栅瓣的幅度大于所有（或绝大多数）旁瓣的幅度。
当阵列中单个阵元的尺寸大于或等于波长时，就会产生栅瓣。而当阵元尺寸小于波长的一半时，则不会产生栅瓣。阵元尺寸在波长的一半至一倍波长之间时，栅瓣的产生取决于偏转角度。在特定情况下缩小栅瓣的最简单方法是使用阵元间距很小的换能器。另外，把阵元切割成更小的阵元，以及改变阵元间距，也会减小栅瓣。
图4-12～图4-14描述了栅瓣的概念。阵元间距、阵元数量、频率和带宽显著影响了栅瓣的幅度。图4-12是探头孔径基本相同的两种状态的声束轮廓：图4-12a为间距0.5mm、6阵元产生的声束，声束近似圆锥体，图4-12b为间距1mm、3阵元产生的声束，声束具有2个与声束中心轴线夹角近似为30°的栅瓣。
图4-12 阵元间距减小对栅瓣的影响——相似探头孔径尺寸
图4-13 影响栅瓣的因素
图4-14 阻尼对栅瓣的影响（1MHz探头，60mm聚焦）
阵元宽度越小，则单个阵元产生的单个栅瓣会增加，半扩散角超过90°。可以通过降低频率、减小阵元尺寸及扫描范围来缩小栅瓣。除了消除幻象波外，消除栅瓣也会改善信噪比，这是因为主声束能量可以保持在更大的角度范围内，确保了更好的声束指向性。
声束变迹是通过计算机控制在阵元外施加较低电压来降低旁瓣影响的一种技术。有些仪器在接收阶段执行变迹，这虽然可以单独调整探头各个阵元施加的增益，但各个阵元脉冲电压保持不变。