摘要：超聲波衍射時(shí)差法，即Time Of Flight Diffraction（TOFD），是一種依靠從待檢試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)（主要是指缺陷）的“端角”和“端點(diǎn)”處得到的衍射能量來檢測(cè)缺陷的方法，用于缺陷的檢測(cè)、定量和定位。該技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，后來在無損檢領(lǐng)域又興起了一項(xiàng)新的檢測(cè)方法，即超聲波相控陣檢測(cè)方法，這項(xiàng)新技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)療領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，本文主要是對(duì)這兩項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要對(duì)比。

關(guān)鍵詞：超聲波衍射時(shí)差法（TOFD） 超聲波相控陣 對(duì)比

目前我國(guó)無損檢領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是TOFD技術(shù)，業(yè)界人士已經(jīng)普遍認(rèn)可了TOFD技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)的工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)有了數(shù)不勝數(shù)的成功案例。21世紀(jì)初，我國(guó)引入了Isonic系列便攜式超聲波成像檢測(cè)系統(tǒng)（以色列的IsonotronNDT公司出品），經(jīng)由一系列的實(shí)際的對(duì)比以及驗(yàn)證加之不斷改進(jìn)和創(chuàng)新了的掃查器系統(tǒng)，TOFD技術(shù)被更多的應(yīng)用到各工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中。TOFD方法具有超聲成像技術(shù)，它通過采用一發(fā)一收探頭布置，然后要求相應(yīng)的探頭入射點(diǎn)間距離，在平板對(duì)接焊縫、環(huán)焊縫及直徑大于500mm的縱縫中厚板檢測(cè)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，但是該技術(shù)也存在一些弊端，比如對(duì)于復(fù)雜幾何形狀的結(jié)構(gòu)件、焊縫檢測(cè)盲區(qū)等束手無策。到目前為止超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)發(fā)展了20年，在早期主要應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域，利用該技術(shù)可以在實(shí)際的醫(yī)學(xué)超聲成像中對(duì)被檢器官進(jìn)行成像，有益于醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，但是由于很多客觀因素的限制，比如系統(tǒng)的復(fù)雜性、固體中波動(dòng)傳播的復(fù)雜性及成本費(fèi)用高等，使得該技術(shù)的應(yīng)用面受限。在這種情況下，在超聲相控陣成像領(lǐng)域應(yīng)用壓電復(fù)合材料、數(shù)據(jù)處理分析等高新技術(shù)是大勢(shì)所趨，未來超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)一定會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。超聲相控陣是采用多晶片控制聲束聚焦技術(shù)，探頭可以在同一位置實(shí)現(xiàn)很大聲束及角度范圍內(nèi)的電子掃查，適用于復(fù)雜幾何形狀結(jié)構(gòu)件的檢測(cè)。下面對(duì)TOFD和相控陣的檢測(cè)技術(shù)做簡(jiǎn)要對(duì)比。

1 TOFD的技術(shù)特點(diǎn)

1.1 TOFD的優(yōu)點(diǎn)

TOFD技術(shù)不僅具有很強(qiáng)的缺陷檢出能力，還具有很高的缺陷定量精度，除此之外還具有很高的時(shí)效性和安全性，可永久保存其檢測(cè)數(shù)據(jù)。

①效率高：該技術(shù)只需要做線性掃查就可以對(duì)焊縫完成掃查，很大程度上擴(kuò)大了單組探頭檢測(cè)對(duì)焊縫的覆蓋范圍大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的檢測(cè)方法。

②靈敏度高：由于該技術(shù)的衍射波信號(hào)具有很高的靈敏度，很大程度上保證了檢出率。

③精度高：利用衍射時(shí)差計(jì)算方法，缺陷的高度可以得到精確的計(jì)算。

④影響?。涸摷夹g(shù)不會(huì)因焊縫結(jié)構(gòu)或缺陷的方向性就左右最后的檢測(cè)結(jié)果，其檢測(cè)結(jié)果具有很高的穩(wěn)定性，幾乎不受其他因素的影響。

⑤漏檢少：衍射波具有高靈敏度，通過圖像記錄完整檢測(cè)數(shù)據(jù)，重復(fù)性好。

⑥數(shù)據(jù)全：檢測(cè)結(jié)果的時(shí)效性很強(qiáng)，并且相關(guān)數(shù)據(jù)和資料會(huì)以存盤、打印出來等形式永久的保留下來，以便隨時(shí)進(jìn)行分析處理。

⑦更安全：采用該技術(shù)不會(huì)對(duì)相關(guān)人員造成人身傷害。

⑧更靈活：現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)很方便，可以根據(jù)實(shí)際情況隨意選擇手動(dòng)或自動(dòng)方式。

⑨成本低：采用該技術(shù)不僅不需要其他耗材，還由于該技術(shù)不需要和工件直接接觸，有效的減少了磨損，同時(shí)還能夠耐高溫接觸面（可達(dá)200℃以上），評(píng)定缺陷時(shí)可在線應(yīng)用相關(guān)的工程評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，修復(fù)缺陷時(shí)可最大限度的減少不必要的焊縫剖開。如此有效的減少了檢測(cè)生產(chǎn)的時(shí)間間隔，也最大程度的避免了其他不利問題的出現(xiàn)，其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的超聲波探傷方法。

1.2 TOFD的局限性

①過高的靈敏度有時(shí)會(huì)夸大焊縫中的良性缺陷。

②焊縫兩側(cè)需要有放置探頭的空間。

③存在檢測(cè)盲區(qū)，即在工件的近表面（一般為2-10mm）。

④對(duì)相關(guān)工作人員的素質(zhì)和能力要求很高。

⑤TOFD檢測(cè)效率低：TOFD掃查有兩種方式。一種是非平行掃查，另一種是平行掃查。平行掃查效率極低，但定量精度高，一般不采用此掃查方式，盡在實(shí)驗(yàn)室或?qū)δ骋蝗毕菥_定量和定位時(shí)采用。非平行掃查速度快，但不能判定缺陷在焊縫的哪一側(cè)，給定位增加難度，有時(shí)需要進(jìn)行多次掃查來確定缺陷的位置，致使檢測(cè)效率降低。檢測(cè)中常采用非平行掃查方式。

⑥TOFD缺陷的評(píng)定：眾所周知，TOFD技術(shù)不是基于幅度法進(jìn)行檢測(cè)的，檢出率遠(yuǎn)高于其他檢測(cè)方法（例如手動(dòng)超聲波檢測(cè)、機(jī)械超聲波檢測(cè)及射線檢測(cè)等）這是眾所周知的事實(shí)。不論是大缺陷還是小缺陷都能檢出，這給缺陷評(píng)定增加難度，控制不好返修率相當(dāng)高，甚至出現(xiàn)有的缺陷返修后看不見的現(xiàn)象。

2 超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

2.1 超聲波相控陣與其他無損檢測(cè)方法對(duì)比具有如下特點(diǎn)：

①采用電子方法控制聲束聚焦和掃描，檢測(cè)速度成倍提高。

a超聲波束方向可自由變換。

b焦點(diǎn)可以調(diào)節(jié)甚至實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦。

c探頭固定不動(dòng)便能實(shí)現(xiàn)超聲波扇掃或者線掃。

d相控陣技術(shù)可進(jìn)行電子掃描，比通常的光柵掃描快一個(gè)數(shù)量等級(jí)。

②具有良好的聲束可達(dá)性，能對(duì)復(fù)雜集合形狀的工件進(jìn)行掃查。

a傳統(tǒng)的檢測(cè)方法應(yīng)用單一，但超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)用一個(gè)相控陣探頭，就能涵蓋多種應(yīng)用；

b傳統(tǒng)的檢測(cè)方法對(duì)很多特定檢測(cè)都束手無策，但超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)只需要一小巧的陣列探頭，就可以輕松的解決各項(xiàng)檢測(cè)任務(wù)。

③通常優(yōu)化控制焦點(diǎn)尺寸、焦區(qū)深度和聲束方向，可使檢測(cè)分辨力、信噪比和靈敏度等性能得到提高。

④通常不需要輔助掃查裝置，探頭不與工件直接接觸，數(shù)據(jù)以電子文件格式存儲(chǔ)，操作靈活簡(jiǎn)便且成本低。

⑤仿真成像技術(shù)：解決幾何復(fù)雜構(gòu)建檢測(cè)難題；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)生成幾何形狀圖像；輕松指出缺陷真實(shí)特征位置；成像由各聲束A掃數(shù)據(jù)產(chǎn)生；實(shí)際檢測(cè)結(jié)合工藝軌跡追蹤；可用于所有形式的焊縫檢測(cè)，同步顯示A、B、S、C、D、P、3D掃描數(shù)據(jù)。

2.2 傳統(tǒng)的掃描成像方式需要移動(dòng)探頭才可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，而采用相控陣超聲成像只需使用陣列換能器（探頭）就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)試樣一定聲場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制的聚焦掃查。另外在B型、C型等掃描成像方式中的聲束時(shí)有單探頭發(fā)出的，由于其各項(xiàng)參數(shù)都是固定的，如果不移動(dòng)探頭位置，在整個(gè)視野范圍內(nèi)很難獲得清晰一致的成像；而相控陣超聲成像由于其各項(xiàng)參數(shù)是靈活多變的，即使是在不移動(dòng)探頭位置的前提下，也可以獲得均勻一致、高分辨率的清晰圖像。

雖然超聲全息可以得到目標(biāo)的立體像，但是由于其靈敏度和分辨率不高，并且所需設(shè)備復(fù)雜昂貴，現(xiàn)階段還沒有得到廣泛的應(yīng)用。而相控陣超聲成像的檢測(cè)靈敏度和分辨率大大高于超聲全息，而且通過對(duì)各個(gè)方向掃描聲束的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算重建，也可以得到被檢物體的三維成像。如采用二維陣列探頭，則可獲得實(shí)時(shí)三維成像。

由于超聲顯微鏡的成像所用的換能器頻率高，所以其分辨率高，但弊端是只適用于探查物體表面和近表面微觀結(jié)構(gòu)；而相控陣超聲由于不用很高的頻率，其分辨率相對(duì)較低，但可以對(duì)較厚的大工件進(jìn)行內(nèi)部成像檢測(cè)。

3 結(jié)論

綜上所述：超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)以其靈活的聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦性能越來越引起人們的重視。在不遠(yuǎn)的將來，超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)必將會(huì)以其無可比擬的優(yōu)越性替代其他成像檢測(cè)技術(shù)，使得無損檢測(cè)技術(shù)越來越方便的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

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作者簡(jiǎn)介：

張占奎（1972-），男，河南鞏義人，河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院工程師。