● 摘要
作为一种新型的超声检测方法，相控阵超声检测技术具有检测速度快、分辨率高和灵敏度好的优点，在航空航天、船舶、核工业等领域发挥着重要作用。相控阵二维面阵三维成像技术是相控阵超声检测技术发展的热点之一，该技术能够对被检试样进行快速检测，显示缺陷的形状和走向，为检测人员判别缺陷提供可靠的依据，具有检测速度快、空间分辨率高等优点，是超声三维检测的有效方法，也是未来相控阵超声检测的发展趋势。因此，本课题对相控阵二维面阵三维检测技术进行了研究。
首先，研究了相控阵超声检测声场模型和声束控制的基本原理，建立了二维面阵的声场模型，基于该模型分析了阵元间距、阵元大小、阵元数目等换能器参数对二维面阵声场分布的影响，确定了二维面阵换能器参数的优化设计方法，研究结果为选取换能器参数、获得良好声学特性提供了理论依据。
其次，研究了二维面阵的三种扫查模式，即线性扫查、扇形扫查、体扫查。分析了各扫查模式的基本原理，计算了各扫查模式的延时聚焦法则，提出了体数据融合算法，初步实现了基于二维面阵的三维扫查和扇形扫查，得到了良好的检测效果。系统地研究了二维面阵的扫查模式，研究成果为后续研究人员提供了指导。
再次，搭建了二维面阵三维检测的平台，硬件平台是相控阵超声板卡，软件平台是基于C++和VTK库编写的三维检测程序。研究了面绘制和体绘制两种三维成像方法，并对两种成像方法进行了软件开发，形成了一款集检测方案配置、检测参数设置、A波实时显示、三维成像、等值面阈值设置、成像区域以及间距设置于一体的软件，并基于该软件对铝标样和自制铝试样进行了检测。
最后，基于搭建的平台进行了三维检测实验，对被检试样分别利用面绘制和体绘制两种方法成像，均得到了良好的三维检测结果；研究了单一缺陷三维成像时缺陷的定量，结果表明使用-6dB法能够精确地对缺陷定量；综合评价了二维面阵的三种扫查模式，为合理使用二维面阵换能器提供了指导。
研究工作表明，基于二维面阵换能器的三维检测技术能够对缺陷进行直观、立体化地显示，更加容易判别缺陷的形状、走向，有利于分析缺陷产生的原因及发展趋势，是超声三维检测的有效方法，研究成果对推动我国实时三维超声成像的发展、提高我国二维面阵三维检测技术水平具有重要意义。