專利名稱：?jiǎn)我凰饕c(diǎn)可變角度定相陣列探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種換能器陣列形式的超聲波探頭，并且特別涉及一種具有探頭體的超聲波探頭，該探頭體具有一幾何形狀，這樣換能器陣列中的換能器在探頭體中距離原點(diǎn)是等距的，所以由陣列中兩個(gè)或多個(gè)換能器同時(shí)產(chǎn)生的聲波同時(shí)到達(dá)原點(diǎn)。
背景技術(shù)：
超聲波探頭被用來(lái)在工業(yè)應(yīng)用中檢查工件。這種檢查已經(jīng)通過(guò)接觸法來(lái)實(shí)施，其中，探頭被帶入與工件密切接觸，然而利用諸如甘油或油等耦合劑或者通過(guò)非接觸或浸沒(méi)方法與工件耦合，其中水柱位于工件和換能器之間。
探頭包含延遲體，和安裝在延遲體上的至少一個(gè)換能器。該至少一個(gè)換能器典型地是壓電材料，該壓電材料由電信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，或者由機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生電信號(hào)。換能器與信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)分析器連接，這樣電信號(hào)可以被用來(lái)激勵(lì)換能器，并且由換能器接收的機(jī)械振動(dòng)可以被分析。換能器包含多個(gè)換能器晶體，該多個(gè)換能器晶體被布置為換能器陣列。信號(hào)處理設(shè)備(其包括用于產(chǎn)生電信號(hào)的儀器和信號(hào)分析設(shè)備(其包括相關(guān)的軟件和算法)可以非常復(fù)雜。換能器或換能器陣列附屬的延遲體是工件和壓電材料的中間體。它典型地具有圓盤或楔的形狀，并且由換能器產(chǎn)生或接收的聲音必須通過(guò)該延遲體。
由于延遲體的形狀，陣列中換能器產(chǎn)生或接收的聲音通過(guò)延遲體中不等量的材料，導(dǎo)致了對(duì)于信號(hào)的定時(shí)延遲。盡管該時(shí)間延遲可以在分析中進(jìn)行解釋，但是它導(dǎo)致了減緩分析并且增加誤差可能性的復(fù)雜化。
各種方法已經(jīng)被用來(lái)提高聲波在物體中的聚焦。在美國(guó)專利No 5,027,820(‘820專利)中提出了一種用于醫(yī)學(xué)超聲回波描記術(shù)的方法。該方法利用了定位在圓柱體母線(cylindrical generatrix)上的定相陣列。更具體地，定相陣列定位在凸面上，并且將方向D中離開這個(gè)凸面的光束聚焦在遠(yuǎn)離凸面的聚焦點(diǎn)Fj上。如在‘820專利的圖2很明顯的是，換能器陣列距離焦點(diǎn)不是等距的。作為結(jié)果，聚焦可以電子地獲得，而不是機(jī)械地獲得。
美國(guó)專利NO.5,148,810(‘810專利)公開了一種從基本上線性的換能器陣列產(chǎn)生球形波陣面。盡管沒(méi)有公開延遲體，但是換能器被安裝在陣列體上。在如‘810專利公開的配置中，如圖5中所示，盡管所產(chǎn)生的球形波陣面距離對(duì)等分換能器陣列的中心線是等距的，但是，沿著中心線產(chǎn)生的任何焦點(diǎn)距離每個(gè)換能器陣列不是等距的，這樣，時(shí)間延遲在延遲體中是固有的。
現(xiàn)有技術(shù)中所缺少的是一種超聲波探頭，其利用換能器和延遲體的組合產(chǎn)生聚焦在一點(diǎn)的波，該焦點(diǎn)距離換能器的幾何中心或者換能器陣列中的每個(gè)換能器是等距的。這樣一焦點(diǎn)可以在延遲體中，或者它在要被檢查的工件中的延遲體之外。然而，從陣列中換能器到達(dá)焦點(diǎn)的任何聲波基本上同時(shí)到達(dá)，因此允許消除測(cè)量中可能的誤差，或者可選擇的，允許消除由于時(shí)間延遲而對(duì)測(cè)量的校正。相反的，從工件反射的并到達(dá)焦點(diǎn)的聲音同時(shí)到達(dá)陣列中每個(gè)換能器。因此，諸如來(lái)自于背面的回聲和缺陷可能更容易地被確定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是用于檢查工件的超聲波探頭。該探頭對(duì)于檢查工件是特別有用的，這些工件是制造的產(chǎn)品，具有可以耦合到工件上的至少一個(gè)表面，該表面具有一幾何形狀。該探頭包含具有多個(gè)換能器元件的換能器陣列。該換能器元件被連接到超聲波裝置，該超聲波裝置可以跨越預(yù)選頻率范圍產(chǎn)生聲音，并可以分析跨越預(yù)選頻率范圍所接收的聲音。換能器元件通過(guò)公知技術(shù)連接到超聲波裝置，當(dāng)被超聲波裝置激勵(lì)時(shí)允許每個(gè)元件產(chǎn)生在超聲波頻率上的聲波。換能器元件還接收聲音并傳送該聲音到超聲波裝置，在其中它可以被適當(dāng)?shù)胤治龊惋@示。
探頭還包括延遲體。該延遲體是具有一矩陣的固體材料，其特征在于它具有以很少或沒(méi)有衰減傳送聲波的能力。延遲體的一部分的特征在于具有彎曲外表面的球形楔形的幾何形狀。該彎曲外表面依據(jù)半徑被定義，在彎曲外表面上的每個(gè)點(diǎn)與中心或原點(diǎn)間隔一個(gè)常數(shù)距離，彎曲外表面上每個(gè)點(diǎn)的距離是外表面曲線的半徑。
換能器陣列的多個(gè)換能器元件被安裝在延遲體的彎曲外表面上。由于在元件陣列中的每個(gè)換能器元件距離彎曲外表面的曲率半徑中心是等距的，因此由兩個(gè)或多個(gè)換能器元件同時(shí)產(chǎn)生的聲波在相同時(shí)間到達(dá)半徑的中心，該半徑的中心也稱為原點(diǎn)。對(duì)于任何延遲體，存在一個(gè)單一的原點(diǎn)，因?yàn)槌?shù)半徑的彎曲體可以具有僅僅一個(gè)單一的中心。
索引點(diǎn)與原點(diǎn)有關(guān)。索引點(diǎn)可以是從一組位置中選出的任何預(yù)選的點(diǎn)，該組位置包含由延遲體和工件形成的界面上的一位置。索引點(diǎn)還可以是工件內(nèi)的任何預(yù)選點(diǎn)。在這種情況下，索引點(diǎn)距離工件內(nèi)的原點(diǎn)是一個(gè)預(yù)選的可計(jì)算的距離。
當(dāng)索引點(diǎn)位于由延遲體和工件形成的界面上時(shí)，索引點(diǎn)相應(yīng)于原點(diǎn)。在這種情況下，該組位置可以通過(guò)移動(dòng)延遲體被選擇，并且原點(diǎn)通過(guò)同時(shí)啟動(dòng)(firing)元件到達(dá)。
當(dāng)索引點(diǎn)位于工件內(nèi)時(shí)，索引點(diǎn)距離原點(diǎn)為一預(yù)選距離。索引點(diǎn)通過(guò)更復(fù)雜的方法到達(dá)。索引點(diǎn)通過(guò)以預(yù)選時(shí)間延遲順序地啟動(dòng)陣列中的預(yù)選換能器元件被移動(dòng)到工件里。通過(guò)啟動(dòng)元件，形成一圖案，其又產(chǎn)生會(huì)聚到工件內(nèi)索引點(diǎn)的聲波。索引點(diǎn)距離原點(diǎn)為一個(gè)預(yù)選距離，其可以通過(guò)數(shù)學(xué)算法被確定，該數(shù)學(xué)算法基于陣列內(nèi)預(yù)選換能器元件的位置計(jì)算原點(diǎn)，啟動(dòng)序列和時(shí)間延遲。通過(guò)仔細(xì)地控制這些元件的每一個(gè)，可以在不移動(dòng)延遲體的情況下，順序地移動(dòng)索引點(diǎn)通過(guò)工件。
不管索引點(diǎn)是否相應(yīng)于原點(diǎn)，或者索引點(diǎn)是否在距離工件的預(yù)定距離上位于工件內(nèi)，工件內(nèi)任何缺陷的位置可以更容易地被確定，因?yàn)樵撍饕c(diǎn)或者相應(yīng)于原點(diǎn)，或者位于距離原點(diǎn)的一預(yù)選距離上。應(yīng)該清楚的是，從換能器陣列的任何一個(gè)到索引點(diǎn)的距離是相同的，這樣從索引點(diǎn)到元件的任何一個(gè)的時(shí)間延遲是相同的。從工件內(nèi)一缺陷到索引點(diǎn)的任何反射將取決于缺陷距離索引點(diǎn)的距離。現(xiàn)在，缺陷位置的計(jì)算被簡(jiǎn)化。而且，通過(guò)繪制由陣列的每個(gè)元件所接收的反射，缺陷的尺寸可以被確定并繪制出，并且可以獲得它的可接受性的確定。
如這里用到的，術(shù)語(yǔ)“聲波”指的是具有大約0.25MHz到大約35MHz的頻率的任何波，并且術(shù)語(yǔ)“聲音”與術(shù)語(yǔ)“超聲”或“超聲波”可交換地使用。術(shù)語(yǔ)“換能器”意味著能夠產(chǎn)生或接收聲波的任何器件。盡管換能器包括將電脈沖轉(zhuǎn)換成聲波、聲波轉(zhuǎn)換成電脈沖的壓電材料，但是壓電材料僅僅是優(yōu)選的換能器，因?yàn)樵撔g(shù)語(yǔ)不限于這種優(yōu)選的實(shí)施例。術(shù)語(yǔ)“啟動(dòng)換能器元件”意味著通過(guò)提供其一刺激激活換能器元件，導(dǎo)致該元件振動(dòng)一簡(jiǎn)短時(shí)間，因此，產(chǎn)生一聲波或超聲波脈沖。壓電元件由電脈沖激勵(lì)。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，該計(jì)算可以更快并且更可靠地執(zhí)行。另外，大量材料的超聲波測(cè)試可以在不移動(dòng)探頭，而通過(guò)簡(jiǎn)單地執(zhí)行以預(yù)先安排的順序以及預(yù)先安排的計(jì)時(shí)模式啟動(dòng)陣列的預(yù)選元件，從而掃描該大量材料的程序的情況下執(zhí)行。與其必須跨越工件的整個(gè)表面移動(dòng)探頭，倒不如通過(guò)簡(jiǎn)單地線性地沿著單一維度移動(dòng)探頭，而不是以平面的方式沿著測(cè)試件的表面，完成工件的徹底掃描。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，當(dāng)工件是復(fù)雜形狀時(shí)，可以獲得工件的準(zhǔn)確掃描。利用這樣的工件，當(dāng)僅一個(gè)表面適合于與探頭接合時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的掃描。實(shí)際上，取決于工件的結(jié)構(gòu)，當(dāng)僅表面的一部分適合時(shí)，可以獲得準(zhǔn)確的掃描。當(dāng)然，其它因素會(huì)進(jìn)入到這種測(cè)試，例如濾波背反射和來(lái)自于指示(indication)的反射，但是預(yù)先由工件的復(fù)雜形狀排除的利用超聲波的完整體積測(cè)試現(xiàn)在是可能的。
通過(guò)結(jié)合說(shuō)明本發(fā)明原理的附圖以及實(shí)例，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)下面優(yōu)選實(shí)施例的更詳細(xì)描述將是明顯的。


圖1是本發(fā)明探頭的剖面圖。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)探頭的剖面圖。
圖3是在兩個(gè)不同角度上通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)探頭傳播的聲波的剖面圖。
圖4是在四個(gè)預(yù)選角度上現(xiàn)有技術(shù)探頭詢問(wèn)(interrogate)工件的剖面圖。
圖5是在四個(gè)預(yù)選角度上本發(fā)明的探頭詢問(wèn)工件的剖面圖。
圖6是本發(fā)明探頭圓柱部分的透視圖。
圖7是本發(fā)明探頭的剖面圖，描繪了在工件內(nèi)不同索引點(diǎn)的詢問(wèn)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的超聲波探頭利用了具有凸的外表面的延遲體，該凸的外表面具有常數(shù)半徑。該探頭在圖1中描繪出。探頭2包括包含多個(gè)陣列元件61-n的換能器陣列4，其中n可以是任何整數(shù)。陣列元件6被安裝到延遲體8的凸的外表面10上。延遲體可以是如現(xiàn)有技術(shù)中公知的任何固體材料。典型地，延遲體由有機(jī)玻璃、聚苯乙烯或其它聚合材料構(gòu)造。換能器陣列4中的每個(gè)換能器陣列元件6被連接到提供電信號(hào)的發(fā)生器12上，該電信號(hào)被由該元件轉(zhuǎn)換成如現(xiàn)有技術(shù)中公知的預(yù)選頻率的機(jī)械聲波。由換能器陣列元件6的每個(gè)換能器陣列元件所產(chǎn)生的聲波基本上沿著從元件6x的位置到也稱為原點(diǎn)的半徑14的中心16的半徑，被通過(guò)延遲體8傳送。在圖1中，半徑的中心，原點(diǎn)和索引點(diǎn)都重合。由于從沿著延遲體8的凸的外表面10的任意點(diǎn)到原點(diǎn)16的距離是常數(shù)值r，所以由安裝在延遲體8上的陣列元件6所產(chǎn)生的預(yù)選頻率的聲波傳播相同的距離r到原點(diǎn)16，因此在相同時(shí)間產(chǎn)生的聲波在相同時(shí)間到達(dá)原點(diǎn)16或索引點(diǎn)。
圖2描繪了現(xiàn)有技術(shù)探頭20?，F(xiàn)有技術(shù)探頭20包括包含多個(gè)陣列元件24的換能器陣列22。多個(gè)陣列元件24安裝在楔形延遲體28的面26上。換能器陣列元件24的每一個(gè)連接到提供電信號(hào)的發(fā)生器12上，該電信號(hào)被由每個(gè)元件轉(zhuǎn)換成如現(xiàn)有技術(shù)中公知的預(yù)選頻率的機(jī)械聲波。由換能器陣列元件24的每一個(gè)所產(chǎn)生的聲波被通過(guò)楔形延遲體28傳送到與面26相對(duì)的第二面32。典型地，第二面被放置到與工件接觸(未在圖2中示出)。如圖2可以看出，由不同陣列元件24產(chǎn)生的聲波所傳播的距離在延遲體內(nèi)傳播不同的距離。例如，楔形探頭體28內(nèi)由元件241產(chǎn)生的聲波所傳播的距離小于由元件24n產(chǎn)生的聲波在探頭體內(nèi)傳播的距離。因此，通過(guò)發(fā)生器30由換能器陣列22同時(shí)產(chǎn)生的每個(gè)聲波以稍微不同的時(shí)間到達(dá)第二面32，這是由于它們?cè)趽Q能器體內(nèi)傳播不同的距離。由于聲波被利用來(lái)定位和測(cè)量工件內(nèi)的缺陷，因此，用于確定這種缺陷的位置和尺寸的計(jì)算由于距離上的變化而更復(fù)雜。
應(yīng)該注意的是，圖中描繪的換能器陣列以剖面圖示出，但是該陣列是以三維擴(kuò)展的。例如，圖2中描繪的換能器陣列是平面的，不是線性的。此外，平面陣列中的每個(gè)元件可以包含在垂直于圖的平面中的單一元件，這樣陣列中多個(gè)元件的每個(gè)元件被截?cái)?，并且在垂直于圖的平面內(nèi)以不同位置取得的剖面會(huì)導(dǎo)致在不同位置截?cái)嘞嗤脑?。可選擇的，該陣列可以在垂直于圖的平面內(nèi)擴(kuò)展，這樣在垂直于圖的平面內(nèi)以不同位置取得的剖面會(huì)導(dǎo)致不同元件的截?cái)?。圖1中的換能器陣列是類似的，但是因?yàn)槠拭媸乔€的，而不是線性的，所以稍微更復(fù)雜。
圖3示出了由現(xiàn)有技術(shù)換能器產(chǎn)生的兩個(gè)聲波。該圖示以剖面示出。第一索引點(diǎn)34顯示在第二面32上。該索引點(diǎn)34相應(yīng)于第二面32上由陣列22產(chǎn)生的第一聲波的中心點(diǎn)，第一聲波是垂直于面26。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，僅示出了第一聲波的第一索引點(diǎn)。第二聲波36也被示出。第二索引點(diǎn)38被顯示在第二面32上，并且相應(yīng)于在第二面32上的第二聲波36的中心點(diǎn)。第二聲波36被產(chǎn)生，以致于垂直于第二面32。第三聲波40被顯示，該第三聲波具有在第二面32上的第三索引點(diǎn)42，第三索引點(diǎn)42相應(yīng)于在第二面32上第三聲波40的中心點(diǎn)。以可變角度傳播的聲波通過(guò)以預(yù)選順序在稍微不同時(shí)間啟動(dòng)換能器陣列22的多個(gè)陣列元件24產(chǎn)生預(yù)定角度的波陣面被產(chǎn)生。圖3清楚地示出了現(xiàn)有技術(shù)換能器所產(chǎn)生的聲波具有隨著角度改變而改變的索引點(diǎn)。每個(gè)索引點(diǎn)代表在預(yù)定角度上波的中心點(diǎn)。從陣列的每個(gè)元件到第二面32的一點(diǎn)的距離隨著預(yù)定角度而改變。由于檢查一工件需要確定缺陷的位置和尺寸，并且該位置通過(guò)聲波飛行時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量來(lái)確定，所以在不同預(yù)定角度上陣列元件距離第二面32上的點(diǎn)的距離差別使得計(jì)算缺陷的位置和尺寸變得復(fù)雜。
為了進(jìn)一步示出，圖4描繪了現(xiàn)有技術(shù)探頭20，其在四個(gè)不同聲波角度上檢查或詢問(wèn)工件44，同時(shí)保持探頭20在工件的相同位置上。聲波在四個(gè)不同角度上產(chǎn)生，在圖4(a)到4(d)中相對(duì)于第二面32和工件44的表面46的界面的角度變得更尖銳。應(yīng)該可以理解的是，盡管僅四個(gè)聲波被示出，但是換能器陣列22的元件可以以連續(xù)的順序被啟動(dòng)，從而提供跨越連續(xù)范圍角度的聲波，這樣聲波的角度接近90度，也就是說(shuō)聲波的角度接近工件44的表面46。聲波48被顯示通過(guò)延遲體28傳播。在圖4(a-d)中還示出了在第二面32和工件的表面46的界面上聲波48的反射52。還示出了通過(guò)工件44傳播的折射的聲波52，并且該折射的聲波52隨著產(chǎn)生的聲束的角度而變化。公知的是，聲波在表面折射，折射率是探頭工件組合(probe-workpiececombination)的已知物理特性。如在圖3中清楚地展示的，在現(xiàn)有技術(shù)探頭中聲束的索引點(diǎn)(例如圖4中所示的)隨著角度變化而變化。由于聲波在探頭中傳播的距離隨陣列中元件的位置以及產(chǎn)生的聲波的角度變化，這有助于解決在獲得基于反射聲波的缺陷的尺寸和位置解決方案上的困難，因此，圖4示出了現(xiàn)有技術(shù)探頭要解決的問(wèn)題。
現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)在圖2到圖4中很詳細(xì)地進(jìn)行了描述，這樣由本發(fā)明所提供的改進(jìn)會(huì)更容易地理解。圖1的探頭2在圖5中被描述，其在四個(gè)不同聲波角度上檢查或詢問(wèn)工件44，同時(shí)保持探頭2在工件的相同位置上。聲波在四個(gè)不同角度上被產(chǎn)生，在圖5(a)到5(d)中相對(duì)于探頭2的第二面18和工件44的表面46的界面的角度變得更尖銳。在圖5(a-d)中，聲波通過(guò)啟動(dòng)換能器陣列4的一部分產(chǎn)生。在圖5(a-d)的每個(gè)圖中，啟動(dòng)的陣列的部分54由實(shí)線描繪，同時(shí)虛線代表陣列的其余部分，其保持待用。為了啟動(dòng)僅陣列4的一部分的信號(hào)濾波技術(shù)在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。如在圖5(a-d)的每個(gè)圖中所清楚看到的，即使通過(guò)改變啟動(dòng)的陣列(4)的部分54，工件中光束的角度改變，聲束從啟動(dòng)的陣列的部分到索引點(diǎn)16傳播的距離是相同的。在圖5中，索引點(diǎn)16相應(yīng)于原點(diǎn)，其也是延遲體的凸的外表面10的半徑的中心。圖5中聲波在探頭體8內(nèi)傳播的距離是探頭體的半徑，其是常數(shù)。在圖5中，從延遲體的第二面18接觸工件44的表面46處所形成的界面產(chǎn)生的聲波在探頭體內(nèi)的反射為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)沒(méi)有顯示，但是存在的，正如在現(xiàn)有技術(shù)中公知的。在圖5(a)中，56(a)代表縱波，橫波被傳送到工件內(nèi)。在圖5(b)和5(c)中，56(b)和56(c)代表縱波，同時(shí)58(b)和58(c)代表被傳送到工件中的橫波。在圖5(d)中，僅縱波56(d)存在于工件中，由聲波與工件表面產(chǎn)生的角度是這樣的以致于橫波不能傳送到工件中。正如清楚看到的，當(dāng)沿著探頭表面激活的陣列的部分54接近工件44的表面46時(shí)，工件內(nèi)聲波的角度關(guān)于工件44的表面46變得更尖銳。然而，不管陣列激活的順序，與現(xiàn)有技術(shù)探頭對(duì)比，聲波在探頭體內(nèi)傳播的距離是常數(shù)。
陣列元件的構(gòu)造可以改變。本發(fā)明的益處可以利用陣列元件獲得，所述陣列元件被制造以致于陣列元件具有匹配延遲體曲率半徑的曲率半徑。正如從圖1到5清楚看到的，由于延遲體8具有凸的曲率半徑，所以陣列元件6優(yōu)選地被制造具有基本上相應(yīng)的曲率凹半徑。然而，不必要的是具有準(zhǔn)確地匹配延遲體曲率的陣列元件。實(shí)際上，本發(fā)明的益處可以通過(guò)近似獲得。由于利用了大量陣列元件6，每個(gè)陣列元件6相比較曲率半徑來(lái)說(shuō)是小的，因此平的陣列元件可以被裝配到延遲體，這樣多個(gè)平的陣列元件形成緊密地近似延遲體曲率半徑的換能器陣列。盡管形成陣列的元件可以具有任何配置，但是假設(shè)每個(gè)陣列元件的形狀為矩形，具有相比較延遲體曲率半徑小的尺寸dx。每個(gè)矩形的中心距延遲體的曲率中心的距離為r，其中r是曲率半徑。在矩形的角上的點(diǎn)的最大距離是距半徑的中心為0.7dx，并且，該點(diǎn)距半徑中心的附加距離也是小的，r*sin0.7dx。作為一個(gè)實(shí)例，如果換能器陣列中平面元件的邊緣具有0.1英寸的長(zhǎng)度以及延遲體的曲率半徑是5英寸，則元件的一個(gè)拐角距半徑中心的附加距離大約為0.006英寸。換種說(shuō)法，元件的中心距半徑中心為5英寸，而元件的邊緣是5.006英寸。這個(gè)差別僅稍微大于延遲體和換能器元件的制造容許誤差。當(dāng)然，延遲體的曲率半徑越大并且元件越小，則換能器陣列4更緊密地接近延遲體的曲率半徑并且差別更小。相似的分析可以被應(yīng)用到不同幾何形狀配置的元件上，但是矩形制造簡(jiǎn)單并且容易理解。因此，陣列的元件可以或者被制造來(lái)匹配探頭體的輪廓。可選擇的，當(dāng)該陣列包含相比陣列半徑小的多個(gè)元件時(shí)，正如在本發(fā)明的其中一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中所預(yù)想的，元件不需要是平的。
探頭在圖1和4中以剖面顯示。換能器陣列4沿著延遲體的曲線表面擴(kuò)展，其曲線表面具有常數(shù)半徑。該常數(shù)半徑被需要，以便不管沿著產(chǎn)生聲波的元件的延遲體的位置如何，聲波在延遲體中傳播基本上相同的距離(服從于前述段落中所討論的限制)。探頭還必須包括一個(gè)表面，該表面允許探頭接觸工件的表面，諸如圖1，4，5中工件44的表面46。因此，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，延遲體8的至少一個(gè)表面是平的，最優(yōu)選的是如第二面18的一面，與接觸工件表面的換能器陣列相對(duì)。為了容易制造，還優(yōu)選的是延遲體曲率半徑的中心位于第二面18上。
因此，探頭中所使用的延遲體8可以是任何幾何形狀配置，其中延遲體的一部分具有曲線表面，其中曲線表面上的點(diǎn)距離原點(diǎn)是等距的，從該表面上的點(diǎn)到原點(diǎn)的距離是常數(shù)距離或長(zhǎng)度的半徑。延遲體曲線表面形成了凸面。換能器陣列的至少一些元件被安裝在延遲體的曲線表面上，該曲線表面距離原點(diǎn)是等距的。因此，對(duì)于延遲體優(yōu)選的幾何形狀配置包括預(yù)選半徑的半球或球形楔，其中楔的邊從球體的中心向外擴(kuò)展，同時(shí)換能器陣列被安裝在球體的外表面上。當(dāng)然，延遲體還可以是圓柱體(例如半圓柱體)的某部分，其中該圓柱體沿著垂直于徑向的軸被截?cái)唷Q能器陣列被安裝在圓柱體的外表面上。沿著基本上在垂直于軸的平面內(nèi)的外表面安裝的每個(gè)陣列元件距沿著軸的一點(diǎn)是等距的，并且形成徑向陣列。該徑向陣列可以被制成來(lái)根據(jù)當(dāng)前信息的原理執(zhí)行。當(dāng)然，多個(gè)這種徑向陣列62存在于平行平面中，如圖6所示，形成陣列64和包含該陣列的這些徑向陣列62的每一個(gè)可以以預(yù)定順序被啟動(dòng)以根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生聲波。盡管半圓柱體圍繞軸擴(kuò)展180度時(shí)，但是本發(fā)明也設(shè)想任一部分也圍繞圓柱體擴(kuò)展小于180度，如圖6所示。因此，探頭體可以包括圓柱體的10度弧，該10度弧隨著換能器元件形成而增加，從而形成陣列。在沿著該陣列的一弧中的每個(gè)元件基本上距離沿著軸的一點(diǎn)是等距的，因此由沿著弧的任意元件產(chǎn)生的聲波的徑向距離是常數(shù)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，索引點(diǎn)與上述討論的半徑的中心點(diǎn)的原點(diǎn)不重合。這個(gè)實(shí)施例允許聲波聚焦在工件的內(nèi)部。由于由該陣列的元件所產(chǎn)生的聲波必須在相同時(shí)間到達(dá)索引點(diǎn)以便從而被聚焦，因此該陣列的每個(gè)元件產(chǎn)生的聲音所傳播的有效距離是相等的。相似地，由反射聲音傳播返回到陣列的每個(gè)元件的有效距離也必須是相等的。因此，即使索引點(diǎn)與原點(diǎn)不重合，如果聲音被聚焦，則索引點(diǎn)可以被視為好像它是原點(diǎn)。穿過(guò)原點(diǎn)的任何聲音將必需在該光束聚焦的同時(shí)到達(dá)索引點(diǎn)。因此，為了計(jì)算的目的，索引點(diǎn)可以被確定為延遲體半徑和索引點(diǎn)距原點(diǎn)或半徑中心的距離的和。這極大地簡(jiǎn)化了評(píng)估反射信號(hào)的計(jì)算，因?yàn)榉瓷湫盘?hào)到索引點(diǎn)和來(lái)自索引點(diǎn)傳播相同的有效距離。在評(píng)估反射信號(hào)的相關(guān)診斷設(shè)備中的程序僅需要計(jì)算從索引點(diǎn)到缺陷的距離，其可以通過(guò)計(jì)算反射聲波從索引點(diǎn)到缺陷和再返回的時(shí)間差來(lái)測(cè)量，因?yàn)槁暡◤乃饕c(diǎn)到換能器以及來(lái)自換能器傳播的時(shí)間會(huì)是常數(shù)。利用現(xiàn)有技術(shù)探頭，從換能器元件到原點(diǎn)的距離經(jīng)常變化，因?yàn)樵c(diǎn)使得該計(jì)算極困難地確定，即時(shí)是可能的話。
圖7還示出了這個(gè)概念。在圖7中，換能器元件70的一段產(chǎn)生了一聲波。換能器元件70的相同段在圖(a-d)中被啟動(dòng)，從而示出索引點(diǎn)72怎樣通過(guò)改變換能器的啟動(dòng)而被修改。換能器的啟動(dòng)可以通過(guò)任何可用技術(shù)來(lái)改變。折射波74也被顯示在圖7中。正如可以看出的，通過(guò)改變陣列內(nèi)換能器元件的啟動(dòng)可以在工件內(nèi)改變索引點(diǎn)并且由此聲波的焦點(diǎn)。
當(dāng)現(xiàn)有討論涉及變化焦點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該明顯的是，通過(guò)跨越換能器陣列預(yù)選被啟動(dòng)的元件，在焦點(diǎn)上的聲波角度也可以被更改。因此，在不移動(dòng)本發(fā)明探頭的情況下，工件可以通過(guò)改變聲波的角度被掃描(通過(guò)適當(dāng)預(yù)選啟動(dòng)的元件的順序)并且聲波的焦點(diǎn)可以被改變(通過(guò)以預(yù)選排序適當(dāng)啟動(dòng)元件)。這可以被迅速地實(shí)現(xiàn)，同樣該計(jì)算可以被迅速地計(jì)算，因?yàn)槿缟嫌懻摰?，探頭的幾何形狀簡(jiǎn)化了計(jì)算?？梢韵胂蟮氖牵瑱z查順序(也就是，排序元件的預(yù)選以及元件以預(yù)選順序的啟動(dòng))可以被預(yù)先編程。該程序可以被運(yùn)行，同時(shí)移動(dòng)本發(fā)明的探頭是沿著工件表面的單一方向，從而詢問(wèn)整個(gè)工件。詢問(wèn)的結(jié)果可以隨著測(cè)試進(jìn)展被存儲(chǔ)或顯示在屏幕上，或者兩者同時(shí)進(jìn)行。這是優(yōu)于需要掃描工件的整個(gè)表面或平面的現(xiàn)有方法的重大改進(jìn)。
盡管參考優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該可以理解的是，可以做出各種改變，并且在不背離本發(fā)明范圍的情況下，等效物可以替代其中的元件。此外，在不背離本發(fā)明本質(zhì)范圍的情況下，可以做出許多更改從而使特定情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，本發(fā)明不局限于用于執(zhí)行本發(fā)明的最好模式所公開的特定實(shí)施例，而是本發(fā)明還包括落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
部件列表圖1


圖2

圖3

權(quán)利要求
1.一種用于檢查工件(44)的探頭，包含包含多個(gè)換能器元件(6)的換能器陣列(4)，每個(gè)元件(6)能夠產(chǎn)生超聲波頻率的聲波，并且接收超聲波頻率的聲波；包含固體材料的延遲體(8)，其中延遲體(8)的一部分具有球形楔形狀，該球形楔形狀具有彎曲的外表面，彎曲外表面上的每個(gè)點(diǎn)與原點(diǎn)間隔一常數(shù)半徑；多個(gè)換能器元件(6)，其被安裝在延遲體(8)的彎曲外表面上以便由多個(gè)元件(6)的元件(6)同時(shí)產(chǎn)生的聲波基本上同時(shí)到達(dá)單一索引點(diǎn)，其中單一索引點(diǎn)與原點(diǎn)(16)相關(guān)，并且其中，單一索引點(diǎn)是從一組位置中選出的預(yù)選點(diǎn)，該組位置包含由延遲體(8)和工件(44)形成的界面上的一位置，其中該索引點(diǎn)相應(yīng)于該原點(diǎn)(16)，并且位置在工件(44)內(nèi)擴(kuò)展，其中該索引點(diǎn)距離該原點(diǎn)(16)為一個(gè)可計(jì)算的距離。
2.權(quán)利要求1的探頭，其中換能器元件(6)包括具有曲率半徑的凹面，以便匹配延遲體(8)的彎曲外表面的曲率半徑。
3.權(quán)利要求2的探頭，其中延遲體(8)的彎曲外表面是凸的，并且換能器元件(6)的凹面與延遲體(8)的凸面匹配。
4.權(quán)利要求1的探頭，其中延遲體(8)是具有預(yù)選半徑的半球。
5.權(quán)利要求1的探頭，其中多個(gè)換能器元件(6)被以預(yù)選圖案布置在延遲體(8)的彎曲外表面上。
6.權(quán)利要求5的探頭，其中預(yù)選圖案被選擇以在延遲體(8)和工件(44)的界面上提供對(duì)于聲波的入射角度的變化。
7.權(quán)利要求6的探頭，其中，在不限制多個(gè)換能器元件的元件(6)的尺寸和聲波頻率的情況下，球形楔的彎曲外表面允許對(duì)于聲波入射角度的變化。
8.權(quán)利要求1的探頭，其中延遲體(8)具有一部分，該部分具有彎曲外表面的圓柱形狀。
9.權(quán)利要求8的探頭，其中具有圓柱形狀的部分包括第一預(yù)選長(zhǎng)度的軸，彎曲外表面上的每個(gè)點(diǎn)與軸上的一點(diǎn)間隔一常數(shù)，預(yù)選半徑垂直于該軸。
10.權(quán)利要求9的探頭，其中通過(guò)沿著軸的每個(gè)點(diǎn)關(guān)于該軸旋轉(zhuǎn)半徑從0到180°的預(yù)選角度，將具有圓柱形狀的部分形成為旋轉(zhuǎn)固體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用來(lái)檢查工件(44)的超聲波探頭(2)，其包含延遲體(8)和包含多個(gè)安裝在延遲體(8)上的換能器元件(6)的換能器陣列(4)。換能器陣列(4)的多個(gè)換能器元件(6)被安裝在延遲體(8)的彎曲外表面上。元件陣列中的換能器元件(6)距離延遲體(8)的曲率半徑(14)的中心是等距的，這樣由兩個(gè)或多個(gè)換能器元件(6)同時(shí)產(chǎn)生的聲波在相同時(shí)間到達(dá)半徑的中心，該中心也稱為原點(diǎn)(16)。由陣列(4)中的換能器接收的穿過(guò)索引點(diǎn)的反射聲音不易受到由延遲體(8)的幾何形狀所導(dǎo)致的時(shí)間延遲。
文檔編號(hào)G01N29/22GK1932503SQ20061015395
公開日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2006年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月15日
發(fā)明者T·J·卡羅迪斯基 申請(qǐng)人:通用電氣公司