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

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如前面幾頁所述，相控陣檢測的核心內容是通過改變單個晶片或晶片組的脈沖激勵延遲時間，以電子方式控制超聲聲束偏轉的方向（折射角度）和聚焦情況。利用聲束的這種電子偏轉特點，使用單個探頭在不改變探頭位置的情況下，就可進行多角度檢測和/或多點檢測（見圖2-23）

如前面的解釋，超聲聲束的特性取決于很多因素。相控陣探頭的性能除了受晶片尺寸、頻率、阻尼的影響（這點與常規單晶探頭的性能相同）外，如何對較小單個晶片進行定位、定量、編組也會影響到探頭的性能，從而創建出與常規探頭效果相同的有效孔徑。
在相控陣探頭中，若干晶片被編成一組，形成有效孔徑，這種孔徑在聲束傳播中的作用與各種常規探頭類型極為相似（見圖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).

對于相控陣探頭來說，某種特定情況下的最大電子偏轉角度（在-6dB處）可以從聲束擴散等式導出。不難發現，小晶片會產生更多的聲束擴散現象，因此會產生更高的角度聲能，這些聲能被匯合在一起，可使聲束的電子偏轉達到最佳狀態。隨著晶片尺寸的減小，需要對更多晶片進行脈沖激勵，從而保持靈敏度。見圖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.

請大家注意，在制造相控陣探頭時一般將最小單個晶片的寬度限制在0.2mm,這樣含有16個寬度為0.2mm晶片的激活孔徑的長度就為3.2mm。要創建6.4mm長的孔徑則需要32個晶片。這些孔徑較長的探頭毫無疑問會增加電子偏轉的性能，而小孔徑則會限制靜態覆蓋區域、靈敏度、穿透能力及聚焦能力。

用角度楔塊來改變聲束的入射角度，可以增加聲束偏轉的范圍，從而不過多依賴電子偏轉。

根據聲束擴散的角度，可以算出到探頭任何距離的聲束直徑。在使用正方形或長方形相控陣探頭的情況下，聲束在被動面上的擴散與未聚焦的探頭相似。在電子偏轉面（或稱主動面）上，聲束可被電子聚焦，其聲能在適當的深度被匯聚在一起。聚焦探頭的波束形狀一般為椎體（在單軸聚焦的情況下為楔形），聲束被匯集成焦點后，再從焦點處以相同的角度擴散，如下面所述：

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）。

通過改變脈沖延遲可以改變相控陣列所發出的聲束的聚焦深度。特定材料內的近場長度決定聲束可被聚焦的最大深度。聲束不能在超過被測材料內近場邊緣以外的區域聚焦。
聚焦探頭的有效靈敏度受缺陷位置處的聲束直徑的影響。聲束直徑越小，小缺陷所反射的能量就會越大。此外，焦點處的小直徑聲束可以改進橫向分辨率。聚焦探頭在焦點處-6dB聲束直徑或寬度的計算如下：
-6dB聲束直徑或寬度=1.02Fc/fD (其中，F=被測介質的聚焦長度， c=被測介質的聲束 ，D=晶片直徑或孔徑)
對于矩形晶片，需要將主動方向和被動方向分開計算。

從這些公式可以看出，隨著晶片尺寸和/或頻率的增加，聲束散播的角度會降低。由于較小的聲束散播角度會使聲能消散的更慢一些，因此在遠場區內會產生有效的靈敏度。在近場區域內，探頭可被聚焦創建一條將聲能匯聚在一起而不是使聲能發散的聲束。在將聲束直徑或寬度減少到焦點的過程中，在聚焦區域內聲束每前進一步聲能就會增加一點，從而可提高探測小反射體的靈敏度。常規探頭通常會使用聲學折射透鏡達到這個目的，而相控陣探頭則通過電子方式實現這個目的，即以相控脈沖激勵的方式獲得想要的聲束形狀。
最常用的帶有長方形晶片的線性相控陣探頭所發出的聲束會在電子偏轉主動方向上聚焦，而在被動方向上不會聚焦。增加孔徑尺寸會增加聚焦聲束的銳利度，如這些聲束形狀所示（見圖2-27）。紅色為聲壓最高的區域，藍色為聲壓較低的區域。

2.7 Grating Lobes and Side Lobes 柵瓣和旁瓣
使用相控陣探頭會產生的另一個現象是會生成不希望出現的柵瓣和旁瓣。出現柵瓣和旁瓣這兩個緊密相關的現象是由于探頭發出的部分聲能以不同于主聲程的角度傳播造成的。旁瓣現象不僅限于相控陣系統，在使用常規探頭時，隨著晶片大小的增加也會出現旁瓣現象。柵瓣現象只會由相控陣探頭產生，因為相控陣探頭上距離恒定的單個小晶片會生成單獨的聲波，這些聲波會導致出現柵瓣。這些不希望出現的聲波會從被測工件的表面反射，并會使圖像中出現虛假缺陷指示。晶片間距、晶片數量、頻率和帶寬都會對柵瓣的波幅有很大的影響。
圖2-28比較了兩種聲束形狀：在探頭孔徑近似的情況下，左圖中的聲束由間距為0.4mm的6個晶片生成，右圖中的聲束由間距為1mm的3個晶片生成。左側圖中的聲束形狀有些像錐形，右側圖中的聲束在其中心軸兩側約30度方向生出兩個多余的波瓣。

只要陣列中的單個晶片的尺寸等于或大于波長，就會產生柵瓣（晶片尺寸在半個波長和一個波長之間時，是否產生柵瓣取決于電子偏轉角度）。因此在具體的應用中使柵瓣最小化的最簡單的方法是使用小晶片間距的探頭。使用特別設計的探頭，如：將大晶片分割成較小的晶片，或改變晶片間距，也可以減少不必要的波瓣。

2.8 Phased array Probe Selection Summary選擇相控陣探頭的總結
設計相控陣探頭時，往往要權衡適當的晶片間距、晶片寬度及孔徑等因素。使用大量的小晶片可以增加電子偏轉能力，減少旁瓣并增強聚焦，但是會有制造費用高、儀器較為復雜等局限性。很多標準儀器都支持最多含16個晶片的孔徑。增加晶片之間的距離似乎是增大孔徑大小的較為容易的方法，但是又會產生不想要的柵瓣。
需要注意的是相控陣探頭的銷售人員經常會向用戶提供標準的探頭，這些探頭的設計通常都考慮到上面提到的因素，可以根據預期使用目的發揮最佳性能。實際的探頭選擇最終會由具體的應用需要決定。在某些應用中，會要求在小的金屬聲程上進行多角度的電子偏轉，因此就不需要大孔徑的探頭。在另一些應用中，可能會需要覆蓋較大的區域以探測出分層缺陷，因此要求使用大孔徑探頭，并且將晶片分成多組進行線性掃查，這樣就根本不需要電子偏轉。一般來說，用戶可以根據自己掌握的常規UT知識，在考慮了頻率和孔徑因素后，選擇最適宜自己應用的探頭進行檢測。

N-D-E 發表于 2015-1-11 11:49
通過改變脈沖延遲可以改變相控陣列所發出的聲束的聚焦深度。特定材料內的近場長度決定聲束可被聚焦的最大深 ...

從這些公式可以看出，隨著晶片尺寸和/或頻率的增加，聲束散播的角度會降低。由于較小的聲束散播角度會使聲能消散的更慢一些，因此在遠場區內會產生有效的靈敏度。
這句話不太明白，較小的聲束擴散角會使能量集中，那么應該在焦點附近能量最強，為什么說元場內會產生有效的靈敏度？什么叫有效的靈敏度。