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在探讨相控阵系统的使用前，首先回顾一下声束的特性。如前所述，相控阵探头的声场和单晶探头的声场具有相同的量化处理方式。图4-21描述了直径10mm、频率5MHz的平探头在钢中的声场。
通常，声压幅值及声压轮廓的计算在超声波检测中非常关键。相控阵声束的确定与声压幅值及声压轮廓密不可分。接下来探讨有关声场的参数，主要包括近场区、聚焦区、声束直径、声束扩散及半扩散角，还涉及声速变化及由于聚焦产生的增益（灵敏度）变化的影响等。
图4-21 5MHz、直径10mm探头在钢中的声场
从换能器表面到最后一个声压最大值点的距离称为近场长度（ N 或 Y 0 点），这是换能器的自然焦点。超过近场长度的区域就是远场，声压在这里逐渐降为0。
近场长度是换能器频率、晶片频率及被检材料中声速的函数，见式（4-6）、（4-7）：
式中 N ——近场长度（mm）；
D ——晶片直径（mm）；
f ——频率（Hz）；
c ——材料中的声速（m/s）；
λ ——波长（μm）， λ = c/f 。
上述公式给出了理论近场长度的“近似值”。
按式（4-6）计算，图4-21中列出的直径为10mm、频率为5MHz的探头，在钢中（声速为6×10 6 mm/s）的近场长度（ N ）为20.8mm。
常规单晶探头可实现三种不同的聚焦形状：非聚焦（平面）、球面（点）聚焦、圆柱面（线）聚焦。
对于常规单晶探头，可以通过附加透镜或弯曲晶片的方式实现聚焦。
换能器表面至声场中最后一个波幅最大值所在位置（超过该位置，声压持续降低）的距离称为焦距。对于非聚焦换能器，焦距等于换能器的近场长度。因为非聚焦换能器的最后一个波幅最大值所在位置就是近场点，所以不能在超过近场长度的范围聚焦。
令换能器聚焦时，应规定聚焦类型（球面或圆柱面）、焦距和聚焦反射体（球状或平面状）。根据这些信息，可以计算透镜或换能器的曲率半径。根据规定的聚焦反射体测得焦距后，应将其记录在检测参数中。
对于特定的换能器，如特定的频率、晶片直径和聚焦反射体，焦距存在极限。
焦距测量值取决于检测介质。这是因为，不同材料具有不同的声速。通常所述的换能器焦距往往是其在水中的测量值。如图4-22所示，由于大多数材料中的声速比水中的声束快，可以有效缩短焦距。根据斯涅尔定律，出现该现象的原因是发生了折射。
图4-22 由于介质变化导致的焦距变化
注： c 1 、 c 2 为介质中的声速， F 1 、 F d 为焦距， S 1 为声程。
如果声束在声速为 c 2 的介质2中传播了特定声程，就可以通过斯涅尔定律求出其在另一个声速为 c 1 的介质1中传播的当量声程。介质2中的声程及介质1中的当量声程如图4-23所示。由于 c 1 ＞ c 2 ，因此 S E ＞ S 2 。式（4-8）着重强调了特定介质中声程和声速的这种关系，即折射率。
式中 S E ——检测介质（第二种介质）中等效于楔块材料的当量声程（mm）；
S 2 ——检测介质（第二种介质）中的声程（mm）；
c 1 , c 2 ——在介质中的声速（m/s）。
图4-23 当量声程
声束从一种介质传播至另一种介质时，若其在第一个介质中传播的距离比总焦距短，则总焦距 F d 为两介质中声程（经声速比修正）的总和。焦距 F d 受两介质中的声速影响，可能比其在单一介质（无折射）中传播的声程长或短。如图4-24所示，实际近场和固体楔块材料中计算的近场不同，这种情况下聚焦位置的变化比较小，这是因为与水和钢中纵波声速相比，楔块中纵波声速和钢中横波声速的差异较小。
图4-24 由于楔块材料导致的焦距变化
被检工件的表面曲率也会影响的聚焦。如果声束入射面内凹，则声束会比平面更快地聚焦；反之，声束入射面外凸，则声束可能会发散，不会聚焦。
假定声波在固体楔块材料传播，则总焦距为
式中 F 1 ——声束仅在第一种介质中传播时的焦距（mm）；
S 1 ——耦合介质（第一种介质）中的声程（mm）；
S E ——检测介质（第二种介质）中等效于楔块材料的当量声程（mm）。
将式（4-8）和（4-9）联立，得
声束在两种材料中的总焦距为
F d = S 1 + S 2
将式（4-10）的 S 2 代入，得
式中 F 1 ——声束仅在第一种介质中传播时的焦距（mm）；
F d ——声束在两种介质中传播的总焦距（mm）；
S 1 ——耦合介质（第一种介质）中的声程（mm）；
S 2 ——检测介质（第二种介质）中的声程（mm）；
c 1 ——耦合介质（第一种介质）中的声速（mm/s）；
c 2 ——检测介质（第二种介质）中的声速（mm/s）。
需要注意的是，所有这些公式都是近似的。假设换能器的频率单一（中心频率），这些公式才是成立的，就像使用单一波长的激光束一样。但是，由于超声波探头总是具有一定的带宽（频带宽度），因此近场定位、焦点尺寸及检测区域等更倾向于范围描述，而非具体的尺寸或距离。
例1 ：
一个5MHz、直径10mm的探头，在水中的近场（自然聚焦）为83mm（ F 1 ）。使用该探头，对水下50mm（ S 1 ）远的钢制试块进行水浸法检测。已知水中声速 c 1 =1.5×10 6 mm/s，钢中声速 c 2 =5.9×10 6 mm/s，计算声束在两种介质中的总焦距：
例2 ：
一个5MHz、直径10mm的探头，在声速 c 1 为2300m/s的楔块材料中的近场是52mm（ F 1 ）。楔块中的声程为18mm（ S 1 ），声束以横波形式在钢板中传播，声速 c 2 为3200m/s（见图4-24），计算声束在两种介质中的总焦距：
聚焦换能器通过声透镜或晶片曲率改变近场的位置，使其靠近换能器面。由于声束能量集变得集中，显著提高了聚焦声束的灵敏度和微小不连续的检出能力（灵敏度）。另外，聚焦可以抑制近场区内声压的变化，使声压变化平缓。
归一化焦距是聚焦换能器的焦距和自然焦距的比值。它也称为聚焦系数，可以用来表示聚焦程度。
式中 S F ——归一化焦距；
F ——焦距（聚焦距离）（mm）；
N ——近场长度（mm）。
例如，可使用图4-25确定2.25MHz、直径10mm、焦距100mm探头的换能器其声束轴线上脉冲回波灵敏度的提高值。若该换能器的水中近场长度是234mm，则归一化焦距是0.42（100/234）。对于非聚焦换能器，焦距等于近场长度。因此，归一化焦距 S F =1。
从图中可以看出，灵敏度提高约21dB。圆柱面聚焦（线聚焦）探头的聚焦增益约为球面聚焦（点聚焦）增益的3/4。
图4-25 信号幅度随归一化焦距的变化
注：小缺欠的回波幅度比平底回波低。
如归一化焦距所述，特定位置的声束直径影响了换能器的灵敏度。直径较小的声束，缺欠的反射总能量高于直径较大的声束。
圆盘形晶片的-6dB脉冲回波声束直径的计算式为
式中 D B-6dB ——-6dB边界声束直径（mm）；
F ——焦距（mm）；
c ——材料声速（mm/s）；
f ——频率（Hz）；
D ——晶片直径（mm）；
1.02——圆盘晶片的-6dB声束扩散常数。
由于 λ = c/f ，因此式（4-13）可变换为
由于
，且
，则
，进而
因此，式（4-14）可以写成
对于平面换能器（非聚焦），令式（4-15）中的 S F =1。
从式（4-15）可以看出，自然焦距处（近场区）的声束直径约为探头直径的25%。并且，由于聚焦（ S F ＜1），声束直径会缩小。声束直径与近场长度中的聚焦程度成正比。例如，声束在近场长度一半处聚焦，则 S F =0.5。因此，该处焦点尺寸是近场点处的一半。
从式（4-15）可以看出，近场区的声束直径只与探头直径有关。5MHz、直径10mm的探头，近场区的声束直径为0.255×10mm=2.55mm。由于焦距为近场长度， S F =1，因此声束直径约为2.6mm。
大多数超声波检测是在靠近近场或比近场稍远的区域进行的。检测时，靠近近场的前后区域也很重要，该区域称为焦区。
以声束中心轴线上最大声压处为基准，取其两侧声压各降低至一半（脉冲回波幅度-6dB）的位置（ Y 0 点），连线即为焦区。图4-26描述了探头的焦区及其始点（12mm）和终点（43mm）以及探头直径。图片显示了沿声程方向声压下降位置的距离。需要注意的是，图4-21b和图4-21c中的图示针对只有发射声程的情况，因此使用脉冲回波幅度-3dB，与脉冲回波幅度-6dB的情况相同。
图4-26 探头的焦区
注： Z B 为焦区始点， Z E 为焦区终点， F Z 为焦区长度， D 为探头直径。
焦区长度可用式（4-16）计算
式中 F Z ——焦区长度（mm）；
N ——近场长度（mm）；
S F ——归一化焦距。
1+0.5 S F 为经验公式，表示焦区有1/3的长度在焦点之前，2/3的长度在焦点之后。
一个直径10mm、频率5MHz的探头，钢中声速为6×10 6 mm/s，根据式（4-6）计算，近场长度（ N ）为20.8mm。由于非聚焦探头的归一化焦距 S F =1，通过式（4-16）计算可知焦区长度为27mm。
比较焦区长度的计算值与图4-21中的焦区（探头规格相同）长度。图4-21中所示焦区长度为31mm（12～43mm）。通过对比发现，由式（4-16）得到的近似值与从图4-21中得到的数值差异很小，仅为4mm。
图4-21的模型也显示了与近场相关的合理的焦区范围。这近似于1/3～2/3定则。意思是，焦区的1/3在理论计算的近场点之前，2/3在理论计算的近场点之后。
对图4-21中的探头施加聚焦，焦距 F =10.5mm，得到不同的归一化焦距 S F ：
将近场长度 N 和归一化焦距 S F 代入式（4-16），则
使用1/3～2/3定则，将焦区长度除以3，再减去焦点位置，即为焦区始点：10.5mm-（8.3/3）mm=7.7mm。由于焦区从始点开始计算，因此焦区终点为7.7mm+8.3mm=16mm。
将曲率半径（ROC）与焦区结合时，可通过图示发现焦区的缩短量。如图4-27所示，探头的曲率半径（ROC）为15mm，向钢中发射纵波，焦距为10.5mm，声速为5.9mm/μs。图中，非聚焦探头（平面）的近场 N 在21mm处；曲率半径15mm为几何焦距（ F g ）；曲率半径15mm时，声学焦距（ F a ）为10.5mm。
图4-27 曲率半径对探头近场的影响
单程（发射声程）声压-3dB（自然声场）与脉冲反射声压-6dB（反射声场）的情况相同，即降低至70%高度（代替使用脉冲回波幅度-6dB评定方式所使用的50%波高）。可见，沿着声程的焦区为8～16mm。常规焦区在发射声压峰值70%（见图4-27中水平红线）以上的范围。非聚焦探头的焦区为14～42mm。有关学者提出了几何焦点至声学焦点的修正公式。
非主动平面的聚焦阵元，除了具备使得线阵激发平面延迟时间的聚焦能力外，还可以提供附加的声束增强，以避免缺欠长度和高度定量过大的情况。
如果非聚焦探头存在最大自然焦距，探头的聚焦效应只会产生在小于近场长度的位置。
采用水浸探头时，通常规定其在水中的焦距。最常使用球面或圆柱面形状的晶片。有些探头生产厂家通过仿形或装备透镜聚焦的方式制造接触式探头。通常，应规定仿形探头的曲率半径。
探头的曲率半径具有几何焦点，位于仿形探头半径的中点。但是，这不是在水中的焦距，也不是其他介质中的焦距。
圆弧探头的焦距是传播介质中声速的函数。Ermolov提出了相应关系函数（4-17），阐明了声束中心轴线上，衍射聚焦产生的近似位置。该近似值假定孔径角度小于30°。
式中 P ——声束轴线上的点 x 的声压（dB）；
P 0 ——探头面的初始声压（dB）；
N ——通过式（4-6）计算的近场长度（mm）；
F ——几何焦距（mm）。
声学焦距与几何焦距的关系如图4-28所示。使用直径12.5mm、5MHz探头，向水中发射声束。几何焦距 F g （曲率半径）是近场长度的一半时（见图4-28中65mm），由公式推导出声学焦距 F a 为52mm（几何焦距的80%）。常规焦区在发射声压峰值70%（见图4-28中水平红线）以上的范围。
图4-28 声学焦距与特定几何焦距的转换
相控阵聚焦法则通过费马定理计算在指定位置声束聚焦的延迟时间，其路径遵循费马定理的“最短时间原则”。根据斯涅尔定律，中心射线折射到达焦点，并根据焦点对阵列进行定位，然后计算用于聚焦的各个阵元的射线路径，这样可以实现各种几何聚焦。
所有换能器都存在声束扩散。也就是说，所有超声波声束都会扩散。图4-29为平面换能器的声束扩散原理。在近场区内，声束呈现变窄的复杂形状。在远场区内，声束发生扩散。
图4-29 声束扩散原理
如图4-29中所示的平面圆盘形换能器，其-6dB脉冲回波的声束半扩散角的计算式为
式中
——-6dB的半扩散角（°）；
0.51——圆盘晶片-6dB声束半扩散常数（-20dB声束半扩散常数为0.87）；
c ——材料声速（mm/μs）；
f ——频率（Hz）；
D ——晶片直径（mm）。
从式（4-18）可以发现，可通过选择较高频率或较大晶片直径的换能器（或同时选择较高频率和较大晶片直径的换能器）来减小声束的扩散。