[发明专利]线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角的计算方法

说明书

本发明公开了一种线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角的计算方法，本方法基于几何声学，通过计算相控阵超声探头辐射不同角度偏转声束时的有效声辐射口径，推导声束在楔块中的偏转角，而后利用声束在楔块‑工件界面上的折射定量，计算偏转声束覆盖角度，得出声束覆盖角度与探头尺寸、偏转角度和楔块相关参数的关系。该发明有利于选择合适的相控阵超声换能器和楔块角度；方便指导检测方法与工艺的进一步研究。

技术领域

本发明涉及到超声波检测技术领域，具体涉及到一种线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角的计算方法。

背景技术

伴随着材料、微加工、计算机和电子技术的迅速发展，相控阵超声检测技术越来越多地应用于工业无损检测中，这是由于其具有检测所用声束灵活可控，检测可靠、高效、受人为因素影响小、无辐射无污染、检测结果直观、可保存的优点。相关理论的逐渐完善、检测方法的不断丰富，以及国内外相关标准、设备、软件的逐步被认可、应用，特别是近两年来该技术现场成功应用，大大推动了相关行业标准形成的进程，进一步加快了该技术的发展与应用。

在焊缝的相控阵超声检测中，目前一般采用超声斜入射脉冲回波法，扇形扫描进行检测，所用相控阵超声换能器一般为平面一维线性相控阵超声换能器：设置探头位置和检测所用声束的扇形扫描角度范围实现待测区域的全部检测。其中，在声场的近场范围内，声波可以有效聚焦，所以常采用相控聚焦方法改善检测效果；在远场则采用偏转声场，减小声束发散角，提高检测横向分辨力。因此需要研究相控阵超声检测中声场的分布特性，以指导检测方法与工艺的研究。现有的方法可以有效计算单个压电晶片辐射声场经斜楔块进入工件后声束的扩散角(即传统斜探头的声束扩散角)，但不能计算相控阵超声斜探头检测时声束的扩散角。相控阵超声斜探头的半扩散角目前主要通过数值仿真或实验测量给出，这并不能给出声束扩散角与换能器和楔块参数的解析关系，难以发现扩散角随斜探头各参数变化的规律，不能有效的指导和制定准确的检测工艺。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角计算方法。通过给出声束扩散角与换能器激活口径、楔块角度、声频率等参数的解析关系；辅助检测人员根据声场扩散角要求选择和设计相控阵超声换能器和楔块，帮助检测人员快速预估不同偏转角度声束扩散角，辅助工艺设计。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角的计算方法，包括以下步骤；

步骤1：构建楔块-工件模型，沿探头及楔块中心作横切面，定义一维线性相控阵超声换能器激活口径为A₀，楔块倾斜角度为α，楔块中的纵波声速为C_W，工件中的声速为C_S，声波频率为f，声束从楔块到工件中的入射角为θ_i；

步骤2：计算楔块中等效的声辐射口径A_W，A_w＝A₀cos(θ_i-α)；

步骤3:计算换能器辐射声场的半扩散角θ_Δ，

步骤4：楔块中声束主瓣的上边界入射角θ_i1与所述换能器辐射声场的半扩散角θ_Δ的关系为：θ_i1＝θ_i+θ_Δ，结合步骤2和步骤3中的关系公式，得到楔块中声束主瓣上边界入射角θ_i1为：

步骤5：根据Snell定律得到工件中折射声束主瓣上边界角θ_t1为：