一种点聚焦式线性阵列相控阵检测装置的制作方法

本发明涉及超声领域，特别是指一种点聚焦式线性阵列相控阵检测装置。

背景技术：

目前，超声波相控阵技术以其灵活的声束偏转角控制和聚焦位置控制能力引起了人们越来越多地关注。线性阵列相控阵探头是一种最简化形式的超声相控阵形式，其制造成本相对最低，控制方式也是相对最简化。其缺点是只能在阵元分布的一维方向实现聚焦，其聚焦区域的形状类似于通常使用的线聚焦探头。这样的结果带来了两方面影响：一方面能量不够集中导致信噪比较低，另一方面在C扫描结果中容易造成图形畸变。

而在现有技术中，有研究人员通过水浸方式实现了线性阵列相控阵探头在两个维度上的聚焦，但在实际工程应用中，直接接触法是相控阵探头的主要应用形式，水浸相控阵方法很少应用且设备复杂，实用性差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于直接接触法的点聚焦式线性阵列相控阵检测装置，能够不用水浸耦合方式，而是通过接触法实现线性阵列相控阵探头在两个维度上实现聚焦，从而解决了超声波能量不集中、信噪比差、扫描图像有畸变的问题。

基于上述目的，本发明提供的点聚焦式线性阵列相控阵检测装置，包括相控阵探头和曲面声楔块；其中，所述曲面声楔块两侧面互为平行，且安装有所述相控阵探头的侧面高于另一侧；而且，所述曲面声楔块底面呈水平，且上端面呈曲面。

在本发明的一些实施例中，相控阵探头上有螺栓，曲面声楔块上有螺纹孔，所述相控阵探头与所述曲面声楔块两者通过螺栓连接。

在本发明的一些实施例中，所述相控阵探头与所述曲面声楔块接触面上涂有耦合剂。

在本发明的一些实施例中，自所述相控阵探头与所述曲面声楔块接触面最下沿至所述曲面声楔块的该侧面最下沿之间为锯齿侧面。

在本发明的一些实施例中，所述点聚焦式线性阵列相控阵检测装置的设计过程包括：

延长曲面声楔块所在的抛物线曲面，建立所述抛物线的延长线与被检测件底面相交处为原点的直角坐标系；

计算曲面声楔块中的实际焦距深度；

根据所述曲面声楔块中的实际焦距深度，计算相控阵探头中心延长线与曲面声楔块底面的距离。

在本发明的一些实施例中，所述计算曲面声楔块中的实际焦距深度包括：

设抛物线方程为y²＝-2px，则抛物线焦点坐标为其中p>0；

将P点横坐标代入抛物线方程可知获得相控阵探头中心延长线与抛物线的交点坐标为所述曲面声楔块中的焦距深度F＝p；

被检测件中超声波实际聚焦于P'处，其实际焦距深度为F'，且其中，C₁为曲面声楔块中的声波传播速度，C₂为被检测件中声波传播速度，这两个参量均为常数；D为超声波在被检测件中的焦距深度。

将F＝p代入获得实际焦距深度

在本发明的一些实施例中，计算相控阵探头中心延长线与曲面声楔块底面的距离a＝F'-D。

在本发明的一些实施例中，所述曲面声楔块中的焦距深度F＝p。

从上面所述可以看出，本发明提供的点聚焦式线性阵列相控阵检测装置，通过所述曲面声楔块两侧面互为平行，且安装有所述相控阵探头的侧面高于另一侧；而且，所述曲面声楔块底面呈水平，且上端面呈曲面。从而，所述点聚焦式线性阵列相控阵检测装置能够使一维线性阵列相控阵探头在二维方向上实现聚焦，避免了使用复杂且昂贵的二维阵列相控阵探头。

附图说明

图1为本发明实施例点聚焦式线性阵列相控阵检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例点聚焦式线性阵列相控阵检测装置的设计原理图；

图3为本发明实施例点聚焦式线性阵列相控阵检测装置对被检测件进行试验的示意图；

图4为采用现有技术中的无声透镜对被检测件进行试验得到两个正交的截面内部的超声波声场分布情况；

图5为本发明实施例点聚焦式线性阵列相控阵检测装置对被检测件进行试验得到两个正交的截面内部的超声波声场分布情况。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，为本发明实施例点聚焦式线性阵列相控阵检测装置的结构示意图，所述点聚焦式线性阵列相控阵检测装置包括相控阵探头和曲面声楔块。其中，所述曲面声楔块两侧面互为平行，且安装有所述相控阵探头的侧面高于另一侧面。而且，所述曲面声楔块底面呈水平，且上端面呈曲面。

较佳地，相控阵探头上有螺栓，曲面声楔块上有螺纹孔，所述相控阵探头与所述曲面声楔块两者通过螺栓连接。优选地，所述相控阵探头与所述曲面声楔块接触面上涂有耦合剂。其中，所述的耦合剂一般为机油或甘油。

在另一个较佳地实施例中，自所述相控阵探头与所述曲面声楔块接触面最下沿至所述曲面声楔块的该侧面最下沿的之间为锯齿侧面。主要目的是作为漫反射面，吸收反射过来的声束，避免超声波多次反射带来的影响。

作为本发明的一个可参考的实施例，如图2所示，根据点聚焦式线性阵列相控阵检测装置的设计原理图，所述点聚焦式线性阵列相控阵检测装置的设计过程包括：

步骤201，延长曲面声楔块所在的抛物线曲面，建立所述抛物线的延长线与被检测件底面相交处为原点的直角坐标系。

步骤202，设抛物线方程为y²＝-2px，则抛物线焦点坐标为其中p>0。根据抛物线聚焦原理，超声波在曲面声楔块中的聚焦于焦点P处，因此曲面声楔块中的焦距深度为F。

步骤203，将P点横坐标代入抛物线方程可知因此A点(A点是相控阵探头中心延长线与抛物线的交点)坐标为因此曲面声楔块中的焦距深度F＝p。

步骤204，由于被检测件与声楔块的声阻抗存在差异，因此被检测件中超声波实际聚焦于P'处，其实际焦距深度为F'，且

其中，C₁为曲面声楔块中的声波传播速度，C₂为被检测件中声波传播速度，这两个参量均为常数；D为超声波在被检测件中的焦距深度。需要说明的是，超声波在被检测件中的聚焦深度D可以根据被检测件的工艺需求确定。可以认为D是已知量，应在已知条件中给出。

步骤205，将F＝p代入可以得到：

其中，从方便安装使用的角度给p赋予一个合适的值，经试验测试，取p＝2有较好的反射。

步骤206，计算相控阵探头中心延长线与曲面声楔块底面的距离a＝F'-D。其中，通过确定相控阵探头中心延长线与曲面声楔块底面的距离a，从而便可以完整设计出所述的点聚焦式线性阵列相控阵检测装置。

需要说明的是，以堆焊结构为试验对象，使用该发明所述的点聚焦式线性阵列相控阵检测装置检验堆焊结合面质量，试验方式及被检测对象示意图如图3所示。为了准确地调整检测灵敏度，本文使用电火花加工的方式制作如图3中所示的平底孔人工缺陷(FBH)，平底孔孔底与材料结合面(堆焊结构是上下两层材料的堆焊复合，可以认为是两层不同的金属制成的复合金属板，两层板的结合面就是容易出现缺陷的位置，因此也就是本文所关注的检测部位，因此需要在该结合面使超声波聚焦。例如：图3中的铜板和钢板之间的结合面)平齐，用以模拟结合面上的缺陷。

其中，所述的平底孔是用于模拟未结合缺陷的一种手段，平底孔孔底与材料结合面平齐的意思就是用这种手段模拟结合面上的未结合缺陷，用以验证检测能力和检测精度。

较佳地，可以利用电子扫查来代替沿垂直于相控阵探头运动方向的机械扫查，使之在进行C扫描时免于相控阵探头和被检测件进行相对运动，减少了一维运动自由度。

通过两个不同的声场计算分析手段获得了相同实验参数下被检测对象在两个正交的截面内部的超声波声场分布情况，如图4、5所示。从超声波声场分布的对比可以看出，改进后的相控阵探头超声波声场能量集中，显著优于常规线阵相控阵探头。其中，超声波能量分散会导致信噪比降低，同时还会使缺陷的形状、位置信息发生偏差，与实际情况不符。

此外，本发明点聚焦式线性阵列相控阵检测装置整个试件扫描检测所需的时间要远少于常规单晶片探头所需时间，提高了检测效率。而且，由于免去了点聚焦式线性阵列相控阵检测装置沿X轴方向的运动，还免去了使用水浸聚焦带来的诸多麻烦，从而降低了系统的复杂程度，易用性和实用性均得到了极大的提升。

综上所述，本发明提供的点聚焦式线性阵列相控阵检测装置，创造性地提出了分段式；而且，所述的点聚焦式线性阵列相控阵检测装置不受构件尺寸和形状的影响，引用范围广，检测效率高；可以适用于水耦合式C扫描检测；与此同时，本发明无需使用昂贵的面型或特殊阵列形式的相控阵系统，只需最简的线性阵列相控阵探头，大大节约了成本；缩短开发周期，降低相控阵设备和控制系统的复杂程度；最后，整个所述的点聚焦式线性阵列相控阵检测装置紧凑，易于实现。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。