2.Phased Array Probe Characteristics 相控陣探頭特性

Contemporary phased array probes for industrial NDT applications are

typically constructed around piezocomposite materials, which are made of

many tiny,thin rods of piezocomposite embedded in a polymer matrix. While

they can be more challenging to manufacture, composite probes typically

offer a 10dB to 30dB sensitivity advantage over piezoceramic probes of

otherwise similar design.

Segmented metal plating is used to divide the composite strip into a number of electrically separate elements that can be pulsed individually. This segmented element is then incorporated into a probe assembly that include a protective matching layer, a backing, cable connections and a housing(see Figure 2-17).

用于工業NDT的現代相控陣探頭一般由壓電復合材料構建，具體地說就是許多細小、極薄的壓電陶瓷棒被嵌在聚合物矩陣中。雖然制造這種探頭會復雜一些，但是與在其它方面設計相似的壓電陶瓷探頭相比，這種復合材料探頭在一般情況下可提供的靈敏度會高出10dB 到 30dB。

分成小段的金屬鍍層用于將條狀的復合材料分割成若干可單獨接收電子脈沖激勵的晶片個體。這個被分割成小段的晶片被裝入探頭組合件中。探頭組合件包含一個保護性匹配層、一個背襯層、線纜連接器以及一個外殼（參見圖2-17）。

2.7 Beam Focusing with Phased Array Probes 相控陣探頭的聲束聚焦
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).
聲束可以像光線一樣聚焦，生成一個如沙漏形狀的聲束，這條成錐形的聲束在聚焦點處直徑達到最小，然后從這個焦點處再次擴散向更遠處傳播（見圖2-26）。

2.4 Phased Array Wedges相控陣楔塊
Phased array probe assemblies usually include a plastic wedge. Wedge are used in both shear wave and longitudinal wave applications, including straight beam linear scans. These wedges perform basically the same function in phased array systems as in conventional single element flaw detection, coupling sound energy from the probe to the test piece in such a way that it mode converts and/or refracts at a desired angle in accordance with snell’s law.
相控陣探頭的組合件通常包括一個塑料楔塊。楔塊用于利用橫波和縱波的檢測應用中，其中包括垂直聲波的線性掃查。這些用于與相控陣系統的楔塊與常規單晶片缺陷探測中使用的楔塊基本上具有相同的功能。用戶需要耦合從探頭到測試試樣之間的聲能，以根據斯涅爾定律在適當的角度位置使聲波進行模式轉化和/或折射。
Zero-degree wedges are basically flat plastic blocks that are used for coupling sound energy and for protecting the probe face from scratch or abrasion in straight linear scans and low-angle longitudinal wave angled scans(see Figure 2-20).
零度楔塊是一些平面塑料塊，在垂直線性掃查和小角度縱波掃查中，起到耦合聲能作用和保護探頭面不受刮擦或磨蝕（見圖2-20）。

圖2-17 相控陣探頭橫截面圖

只要平時有時間 就會摘抄一些和大家分享。

相控陣探頭根據以下基本參數從功能上被分成不同的類型：
類型：大多數相控陣探頭屬于角度聲束類型，與塑料楔塊、平直塑料靴（即零度楔塊）或延遲塊一起使用。此外，還有直接接觸式探頭和水浸式探頭。
頻率：超聲缺陷探測一般使用2MHz到10MHz之間的頻率，因此大多數相控陣探頭都屬于這個頻率范圍。此外，還有頻率更低或更高的探頭。使用常規探頭，穿透性會隨著頻率的降低而增加，而分辨率及聚焦銳利度會隨著頻率的升高而增強。
晶片數量：最常用的相控陣探頭一般有16到128個晶片，有些探頭的晶片多達256個。隨著晶片數量的增多，聲波聚焦與電子偏轉的能力會增強，同時檢測所覆蓋的區域也會擴大，然而探頭和儀器的成本費用也會增加。每個晶片被單獨脈沖激勵，以創建希望得到的波前。因此這些晶片排列方向的維度通常被稱為主動方向或偏轉方向。

晶片尺寸：隨著晶片寬度的減少，聲束電子偏轉的性能會增加，但是要覆蓋大區域就需要有更多的晶片，因此費用也會增加

相控陣探頭的維度參數一般被定義如下(見圖2-18)：

圖2-20 零度楔塊

2.4 Phased Pulsing 相控陣脈沖
Whenever waves originating from two or more sources interact with each other, there are phasing effects leading to an increase or decrease in wave energy at the point of combination. When elastic waves of the same frequncy meet in such a way that their displacements are precisely synchronized(in phase, or zero-degree phase angle), the wave energies add together to create a large amplitude wave(see Figure 2-21a).
如果來自兩個或兩個以上聲源的聲波交織在一起，就會在聲波相交處產生聲能增強或削弱的相位效果。相同頻率的彈性波相交時，如果他們的位移完全相同（即相位重合，或相位角為零度），則它們的聲能會累加在一起，創建一個波幅更大的聲波（見圖2-21a）。
If they meet in such a way that their displacements are exactly opposite(180 degree out of phase),then the wave energies cancel each other(see Figure 2-21c).At phase angles between 0 degree and 180 degree, there is a range of intermediate stages between full addition and full cancellation(see 2-21b).

如果他們的相位正好相反（相位完全不重合，或相位角為180度），則他們的聲能會互相抵消（見圖2-21c）。如果他們的相位角處于0度到180度之間，則聲能的變化處于完全累加與完全抵消的中間狀態（見圖2-21b）。

By varying the timing of the waves from a large number of sources,it’s possible to use these effects to both steer and focus the resulting combined wavefront. This is an essential principle behind phased array testing.
通過使每個聲波從它們各自聲源發出的時間各不相同，可以利用上述的相位效果，對所產生的組合波前進行偏轉和聚焦。這就是相控陣檢測的基本原理。

如果使用常規探頭，這種建設性和抵消性干涉效果會創建近場和遠場區域，以及這些區域中逐漸變化的聲壓。此外，常規角度聲束探頭使用單個晶片向楔塊中發射一束聲波。根據楔塊的形狀，這束聲波波前上的各個點會有不同的時間延遲。這些延遲屬于機械延遲，而相控陣檢測中所用的延遲為電子延遲。根據惠更斯原理，當波前觸到底面時，會表現為一系列點源。根據斯涅爾定律，從這些點發出的理論上的球面波會互相作用，形成一個帶有一定角度的單一聲波。

在相控陣檢測中，通過控制相位，產生可預見性的聲能增強效果和抵消效果，可形成和偏轉超聲波束。以不同時間延遲觸發單個晶片或晶片組會生成一系列的點源聲波，而這些聲波會匯集成以所選角度傳播的單一波前（見圖2-22）。以電子方式得到的延遲與借助常規楔塊得到的機械延遲相似，不同的是，在相控陣檢測中還可以通過改變延遲的方式進一步控制聲束的偏轉。通過積極干涉，這種組合波的波幅會比形成組合波的每個單個波的波幅高出很多。同理，不同的延遲被應用于陣列的每個晶片所接收的回波。這些回波累加在一起，得到一個具有單一角度/或單一聚焦值得統一聲束。除了可以改變主要波前的方向，這種將多個單聲束組合在一起的方式還可以使聲束在近場內的任何一點聚焦。


In conventional transducer, constructive and destructive interference effects create the near-field and far field zones and the various pressure gradients therein. Additionally, a conventional angle beam transducer uses a single element to launch a wave in a wedge. Points on this wavefront experience different delay intervals due to the shape of the wedge. These are mechanical delays, as opposed to the electronic delays employed in phased array testing. When the wavefront hits the bottom surface it can be visualized through Huygens’ principle as a series of point sources. The theoretically spherical waves from each of these points interact to form a single wave at an angle determined by Sell’s law.

In phased array testing, the predictable reinforcement and cancellation effects caused by phasing are used to shape and steer the ultrasonic beam. Pulsing individual elements or groups of elements with different delays creates a series of point source waves that combine into a single wavefront that travels at a selected angle (see Figure 2-22).This electronic effect is similar to the mechanical delay generated by a conventional wedge, but it can be further steered by changing the pattern of delays. Through constructive interference, the amplitude of this combined wave can be considerably greater than the amplitude of any one of the individual waves that produce it. Similarly, variable delays are applied to the echoes received by each element of the array. The echoes are summed to represent a single angular and/or focal component of the total beam. In addition to altering the direction of the primary wavefront, this combination of individual beam components allows beam focusing at any point in the near field.

通常將晶片分組進行脈沖發射，每組包括4到32個數量不等的晶片。通過增加孔徑的方法，可以減少不希望發生的聲束擴散，完成更清晰的聚焦，從而有效地提高靈敏度。

回波被不同的晶片或晶片組接收，并在必要時進行時間偏移計算，以補償這些變化著的楔塊延遲，然后再進行匯總。與常規單晶探頭實際上將觸及被測區域的所有聲束的效果融合在一起不同的是，相控陣探頭可以根據回波到達每個晶片的時間和波幅，在空間上對返回的波前進行分揀。儀器軟件對聲束進行處理時，會將每個返回的聚焦法則認作是以某個具體角度、從線性聲程的某個點、和/或從某個具體的聚焦深度反射回來的聲束。然后，回波信息可以幾種形式的任何一種顯示出來。

被稱為聚焦法則計算器的軟件根據探頭和楔塊的特性以及被測材料的幾何形狀和聲學屬性，確定向每組晶片發射脈沖的特定延遲時間，以通過聲波的互相作用生成想要的聲束形狀。

Elements are usually pulsed in groups of 4 to 32 in order to improve effective sensitivity by increasing aperture, which reduces unwanted beam spreading and enables sharper focusing.

The returning echoes are received by various elements or groups of elements and time-shifted as necessary to compensate for varying wedge delays and then summed. Unlike a conventional single element transducer, which effectively merges the effect of all beam components that strike its area, a phased array probe can spatially sort the returning wavefront according to the arrive time and amplitude at each element.When processed by instrument sofeware,each returned focal law represents the reflection from a particular angular component of the beam, a particular point along a linear path, and/or a reflection from a particular focal depth. The echo information can then be displayed in any of several standard format.

Software known as a focal law calculator establishs specific delay times for firing each group of elements in order to generate the desired beam shape through wave interaction,taking into account probe and wedge characteristics as well as the geometry and acoustical properties of the test material.  

The beam can be dynamically steered through various angles,focal distances, and focal spot sizes in such a way that a single probe assembly is capable of examining the test material across a range of different perspectives.

聲束可以不同的角度、不同的焦距以及不同的焦點大小被動態偏轉，這樣做所要達到的目標是單個探頭組合件可以通過一系列不同視角檢測到整個被測材料。

任何超聲檢測系統的響應都取決于對以下因素的綜合考慮：所用的探頭、所用的儀器類型及其設置、被測材料的聲學特性。相控陣探頭所做的響應與任何其它NDT超聲探頭所做出的相應一樣，即與探頭設計參數（如頻率、大小、機械阻尼）相關，也與用于驅動探頭的激勵脈沖的參數相關。

有四個重要的探頭參數會相互作用，對探頭的性能產生影響。
頻率：如前面章節中所述，檢測頻率對近場長度和聲束擴展有極大的影響。實際上，與低頻率相比，高頻率會產生更好的信噪比，因為高頻率可以提供銳利度更高的聚焦，從而得到更集中、更優化的焦點。同時，當頻率提高時，聲波在任何檢測材料中的穿透能力都會降低，因為材料的衰減性會隨著頻率的增高而增強。 在檢測應用中如果聲程很長，或測試材料具有極高的衰減性或散射性，就需要使用較低的頻率。一般來說，我們所提供的工業相控陣探頭的頻率在1 MHz 到 15 MHz 之間。

晶片大小：隨著陣列中單個晶片尺寸的減小，聲束電子偏轉能力會得到增強。商業探頭的實際最小晶片尺寸一般接近0.2mm。然而，如果晶片尺寸大于二分之一波長，則會產生不希望出現的較強的旁瓣。

晶片數量：隨著陣列中單個晶片數量的增加，探頭所能覆蓋的物理范圍、靈敏度、聚焦能力以及電子偏轉能力也相應增加。然而，使用較大的陣列經常會伴隨出現系統的復雜性及費用較高等問題。

晶片間距和孔徑：晶片間距是指兩個相鄰單個晶片之間的距離；孔徑是指得到脈沖激勵的一組單個晶片的總和尺寸（虛擬孔徑）。要優化電子偏轉的范圍，需要較小的晶片間距。要得到最佳靈敏度、最小的聲束擴散、較強的聚焦，則需要較大的孔徑。當今的相控陣儀器通常支持孔徑最多為16個晶片的聚焦法則。更為高級的系統最多會支持含有32個晶片或者64個晶片的孔徑。