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超聲相控陣全解析-01-初識相控陣

來源:北京新興日祥科技發(fā)展有限公司   2020年05月07日 15:33  

    大家好,我是一名接觸相控陣多年的理工男,大家也可以叫我“相工”,哈哈,聽起來有點怪怪的。

每次跟圈外人士提及相控陣,大多數(shù)人會將它看成是一種神奇的技術(shù),如隔山打牛。所以在外人看來雜亂無章的圖像,而在我們看來卻栩栩如生。而跟高探傷的圈內(nèi)人士聊到相控陣技術(shù),大多能對相控陣技術(shù)了解一二,但深究其中的細節(jié)也會產(chǎn)生概念的混淆。

基于之前對相控陣技術(shù)的一些愚鈍的理解,為了讓大家看清相控陣技術(shù),對它既不會過分崇拜,也不會棄之如履。我希望通過我的解釋,讓大多數(shù)人真正地了解、理解,并使用相控陣,使其發(fā)揮更大的作用,為實現(xiàn)偉大的中國夢貢獻自己的力量。(有點大了)

 

超聲相控陣技術(shù)起源于醫(yī)療的超聲檢測,二十世紀七十年代初期,*出現(xiàn)用于醫(yī)療診斷的商業(yè)相控陣系統(tǒng)。二十一世紀的初期出現(xiàn)了用于工業(yè)領(lǐng)域的便攜式、電池供電的相控陣儀器。

 

醫(yī)療與工業(yè)檢測雖然都使用超聲相控陣技術(shù),但為什么我每次去醫(yī)院檢查B超依然對醫(yī)療的B超圖像一頭霧水,感覺我學(xué)到了假的相控陣,真是隔行如隔山呀。

 

 

言歸正傳,什么是超聲相控陣技術(shù)?“超聲相控陣”這個名字其實已經(jīng)高度概括了這門技術(shù)的關(guān)鍵點,即:

1)使用“超聲”技術(shù),即基本原理都是繞不開超聲的基本原理,特別是脈沖反射法檢測是超聲相控陣常用的檢測方法。所以如果對于一個工件,無論使用何種常規(guī)超聲檢測技術(shù),從原理上講都無法檢測的時候,那相控陣也極可能無能為力,所以相控陣技術(shù)不是“神”,它也有脆弱的一面;

2)“相控”,即需要通過對每個晶片的激發(fā)時間和激發(fā)次序的變化,來控制終合成聲束的方向和聚焦等特性。請注意,可以控制每個晶片的激發(fā)時間和激發(fā)次序是相控陣的核心價值;

3)“陣”,即陣列,多晶片排列是超聲相控陣的另一大特點,即通過多晶片的排列組合來得到更大的覆蓋面積和更多可能的變化。

超聲相控陣探頭包含16到128個數(shù)量不等的小型單個晶片,有密集恐懼癥的小盆友就不要打開相控陣探頭或者導(dǎo)線了,容易癥狀發(fā)作。

 

這么多晶片是如何協(xié)同工作的呢?這里涉及到了波前(wave front)的概念。

 

那么問題又來了,什么是“波前”?波前即聲波傳播的前沿,當(dāng)通過儀器控制如上圖的16個晶片(黃色為晶片),左邊第1晶片先激發(fā),之后的晶片依次延遲幾個納秒(ns)激發(fā)(綠色為延遲規(guī)則),這樣當(dāng)右邊晶片開始激發(fā)的時候,第1晶片出來的聲波已經(jīng)跑老遠了。

 

這不公平呀,說好了大家同進退、共患難,為啥你們先跑了,留下我第16號晶片后出來,而第1號晶片也在抱怨,為啥我跑的路多。

 

但正是這種大家齊心協(xié)力按照上面的延遲法則前進,才會終手拉手形成一個斜角度的聲束。

 

如果大家按照圓弧型的延遲法則前進,則終會發(fā)現(xiàn)大家會在某一個深度上集合到一點,這就形成了聚焦的聲束。

 

總結(jié)下來,超聲相控陣技術(shù)就是通過相控陣儀器控制多晶片的超聲相控陣探頭中晶片的激發(fā)時間和激發(fā)次序的變化,以實現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦等相控陣*的性能。

 

此處需要注意的是不同晶片間的激發(fā)時間的延遲是納秒(ns)量級的,這個概念在后面會被提及和比較。

待續(xù)

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文章轉(zhuǎn)自工業(yè)檢測大時代

 

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