超聲相控陣系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中的領(lǐng)域
發(fā)布日期：2018-10-24
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? ? 很多人都熟悉超聲波成像在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，即利用高頻聲波生成人體內(nèi)部器官的高清晰橫截面圖像。醫(yī)學(xué)聲波圖通常是由被稱為“相控陣”的特制多晶片探頭1以及與其配套使用的硬件和軟件生成。然而，超聲相控陣技術(shù)的應(yīng)用并不只限于醫(yī)學(xué)診斷。近年來，相控陣系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越多，從而將包括焊縫檢測、粘接檢測、厚度測量、在役裂縫探測在內(nèi)的普通超聲檢測應(yīng)用中的信息獲取和成像操作提高到了新的水平。
? ? 在最初的二十幾年中，商業(yè)超聲儀器完全依靠以下幾種類型的探頭：使用一個(gè)壓電晶體生成并接收聲波的單晶探頭，將發(fā)送晶片與接收晶片分開的雙晶探頭，以及以串聯(lián)方式使用一對單晶探頭的一發(fā)一收或穿透系統(tǒng)。當(dāng)前為工業(yè)缺陷檢測及厚度測量而設(shè)計(jì)的大多數(shù)商業(yè)超聲儀器仍然在使用上述這些方法。不過在超聲無損檢測（NDT）領(lǐng)域中，使用相控陣技術(shù)的儀器正在逐步彰顯其重要性。
? ? 1801年，英國科學(xué)家托馬斯·楊在其著名的試驗(yàn)中通過使用兩點(diǎn)光源生成干涉圖形的方法向世人演示了波的相互加強(qiáng)和相互抵消作用的原理。在傳播中同相位的波的能量得到增強(qiáng)，而不同相位的波的能量被減弱（參見圖1-1）。
? ? “相移”，或稱“定相”，是一種對干涉模式進(jìn)行控制的操作，方法是為兩點(diǎn)源或多點(diǎn)源發(fā)出的聲束設(shè)定不同的時(shí)間延遲，從而使每條聲束的波前具有不同的相位。對相位的控制可以彎曲、偏轉(zhuǎn)或聚焦波前的能量。二十世紀(jì)六十年代，研究人員開始開發(fā)超聲相控陣系統(tǒng)。這些系統(tǒng)使用脈沖觸發(fā)多點(diǎn)源探頭，所生成的聲束傳播情況都如上述受控干涉模式。二十世紀(jì)七十年代初期，首次出現(xiàn)用于醫(yī)療診斷的商業(yè)相控陣系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通過控制聲束的傳播方向，生成人體各個(gè)部位的橫截面圖像。
? ? 最初，超聲相控陣系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。出現(xiàn)這種情況的一個(gè)原因是人體具有可預(yù)見的組織和結(jié)構(gòu)，因而使儀器的設(shè)計(jì)及圖像的解讀相對來說更簡便直接。而相控陣技術(shù)在工業(yè)方面的應(yīng)用則沒有這么簡單。由于金屬、復(fù)合材料、陶磁、塑料、纖維玻璃等材料在聲學(xué)特性方面的多樣性，以及工業(yè)檢測中不同被檢工件在厚度及幾何形狀上的巨大差異，相控陣技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用具有更大的挑戰(zhàn)性。第一批工業(yè)相控陣系統(tǒng)問世于二十世紀(jì)八十年代。這些系統(tǒng)的形體極大，而且需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理并顯示圖像。這些系統(tǒng)一般用于電力工業(yè)中的在役檢測。在很大程度上，相控陣技術(shù)在核能市場上得到了大力開發(fā)，因?yàn)樘岣哧P(guān)鍵性評估中檢出率的目標(biāo)極大地促進(jìn)了這項(xiàng)前沿技術(shù)的使用。其它早期的應(yīng)用還包括一些對大型鍛軸和低壓渦輪機(jī)部件的檢測。
? ? 二十一世紀(jì)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。模擬電路式設(shè)計(jì)要求相當(dāng)?shù)墓β始翱臻g，才可建立聲束偏轉(zhuǎn)所需要的多通道配置。然而，隨著數(shù)字化時(shí)代的到來，以及價(jià)格便宜的嵌入式微處理器的迅速發(fā)展，新一代相控陣設(shè)備也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。此外，低功耗電子部件的出現(xiàn)和更節(jié)電的儀器結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，以及表面安裝式印刷電路板的設(shè)計(jì)在工業(yè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，也促使這項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)得以應(yīng)用在小型儀器中。由此問世了集電子設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、顯示、分析于單一便攜式設(shè)備的相控陣工具，從而拓寬了相控陣技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍。這些發(fā)展進(jìn)而又為普通應(yīng)用規(guī)范了相控陣探頭的標(biāo)準(zhǔn)。
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