超聲檢測(cè)是應(yīng)用最廣泛的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一。相控陣超聲檢測(cè)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù),以其靈活的聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦性能越來(lái)越引起人們的重視[1]。雖然相控陣超聲成像的概念很早就提出了,但由于當(dāng)時(shí)電子發(fā)展水平不高、超聲陣列換能器制造技術(shù)難以達(dá)到要求和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)不成熟等因素的制約,系統(tǒng)復(fù)雜且成本很高。直到20世紀(jì)90年代末,相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)才被普遍接受和應(yīng)用[2]。

近年來(lái)國(guó)外對(duì)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的研究日趨活躍,例如在核工業(yè)、航空等質(zhì)量要求較高的行業(yè),開(kāi)始引入超聲相控陣技術(shù)進(jìn)行缺陷檢測(cè)[3]。和國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)在相控陣超聲無(wú)損檢測(cè)方面還處于研究階段。如清華大學(xué)無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室施克仁教授和他的博士對(duì)相控陣超聲聲場(chǎng)、陣列探頭設(shè)計(jì)、自適應(yīng)聚焦、提高檢測(cè)分辨率、柔性陣列相控陣等方面作了深入的研究[4]。筆者采用了一種非實(shí)時(shí)的合成超聲相控陣檢測(cè)聚焦方法?；谶@種方法,設(shè)計(jì)了一套16陣元的線性相控陣超聲信號(hào)發(fā)射、接收和處理試驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)線陣相控陣的發(fā)射與接收,從而為相控陣的研究提供了良好的試驗(yàn)平臺(tái),利用該試驗(yàn)系統(tǒng),可以對(duì)試塊中的缺陷進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 相控陣聚焦合成的方法

相控陣聚焦合成方法原理如圖1所示。超聲陣列探頭由許多的壓電晶片(陣元)按照一定的形狀排列組成,常見(jiàn)的陣列探頭是線性陣列探頭,其各個(gè)陣元可以獨(dú)立地進(jìn)行超聲發(fā)射和接收。其基本思想是調(diào)整各個(gè)陣元發(fā)射信號(hào)的相位,使各陣元到達(dá)焦點(diǎn)的聲束具有相同的相位,以此實(shí)現(xiàn)相控聚焦[5]。

圖1 相控陣聚焦合成方法原理圖

發(fā)射電路重復(fù)激勵(lì)1號(hào)單元,依次選擇所有陣元接收回波信號(hào)并傳至PC機(jī)上進(jìn)行存儲(chǔ)。然后設(shè)定一個(gè)聚焦點(diǎn)P,根據(jù)各陣元到達(dá)虛擬聚焦點(diǎn)的位置,計(jì)算出聲程差,轉(zhuǎn)換為時(shí)間差。把不同通道接收的信號(hào)按照時(shí)間差平移,然后疊加可以得到一個(gè)聚焦合成信號(hào);同理,將2號(hào)陣元發(fā)射,所有陣元接收的信號(hào),同樣也按P點(diǎn)為聚焦點(diǎn),得到另一個(gè)聚焦合成信號(hào);其它陣元也同樣依次發(fā)射,所有陣元接收,可得到N個(gè)聚焦合成信號(hào),最后將這N個(gè)合成信號(hào)按P點(diǎn)聚焦合成,得到P點(diǎn)總的信號(hào)強(qiáng)度。

將單個(gè)陣元發(fā)射,所有陣元接收的信號(hào)根據(jù)虛擬焦點(diǎn)的聲程差聚焦處理,該合成信號(hào)即為該發(fā)射陣元單獨(dú)在虛擬焦點(diǎn)的總的聲場(chǎng)貢獻(xiàn)。若虛擬焦點(diǎn)為缺陷,則合成信號(hào)的幅值增強(qiáng);若不是,則合成信號(hào)的幅值相對(duì)于其它點(diǎn)的缺陷信號(hào)減小。

2 仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的建立

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的組成如圖2所示,主要有標(biāo)準(zhǔn)金屬試塊、16陣元相控陣換能器、超聲激發(fā)電路、超聲信號(hào)采集電路和PC計(jì)算機(jī)。FPGA產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào),觸發(fā)超聲激發(fā)電路產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào),激勵(lì)電壓為400 V,使換能器產(chǎn)生超聲;回波信號(hào)通過(guò)限幅、放大濾波后經(jīng)過(guò)采樣器,采集超聲回波信號(hào)并將信號(hào)送到上位計(jì)算機(jī),對(duì)信號(hào)作進(jìn)一步處理。

3 超聲信號(hào)的發(fā)射與接收

在試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的陣列換能器是直接將壓電晶片粘貼在鋁制試塊表面,為了驗(yàn)證相控陣聲束的聚焦偏轉(zhuǎn)特性,制作了16陣元的換能器陣列,如圖3所示。試塊厚度為90 mm,超聲在鋁制試塊中的傳播速度為6 320 m/s。

圖3 晶片陣元陣列與試塊

試塊的上表面是16陣元的壓電晶片,壓電晶片的尺寸為18mm×2mm×0.8mm,相鄰晶片的中心距為2.5mm。在試塊的下表面粘了一個(gè)條形晶片17號(hào),用于接收1～16號(hào)陣元晶片組成的陣列晶片發(fā)射的超聲波。上述所有的晶片形狀都一樣,坐標(biāo)系統(tǒng)以水平方向?yàn)閤軸,垂直方向?yàn)閦軸,16個(gè)PZT晶片沿著x軸方向排列。PZT晶片陣列中心作為坐標(biāo)原點(diǎn),即8和9號(hào)晶片中間作為坐標(biāo)原點(diǎn),1～16號(hào)晶片的坐標(biāo)分別為：1號(hào)晶片(-18.75,0),2號(hào)晶片(-16.25,0),……,8號(hào)晶片(-1.25,0),9號(hào)晶片(1.25,0),……,15號(hào)晶片(16.25,0),16號(hào)晶片(18.75,0);17號(hào)陣元晶片的坐標(biāo)為(18.75,90)。對(duì)試塊和陣列晶片作了坐標(biāo)標(biāo)定后,就可以進(jìn)行超聲發(fā)射與接收試驗(yàn)了。

首先1號(hào)陣元發(fā)射,17號(hào)陣元接收采集并信號(hào)存儲(chǔ);然后2號(hào)陣元發(fā)射,17號(hào)陣元接收采集存儲(chǔ);如此依次發(fā)射1～16號(hào)陣元晶片,17號(hào)陣元接收采集。由于試塊的尺寸并不是很大,信號(hào)的接收效果良好,如圖4(a)所示?？梢?jiàn),1～16號(hào)陣元發(fā)射17號(hào),接收到的信號(hào)幅值越來(lái)越大,并接收到的時(shí)間也越早,同時(shí)超聲信號(hào)的衰減也越小,幅值也越大,這與超聲聲場(chǎng)理論是相符的。

將所有陣元發(fā)射的超聲信號(hào)聚焦到17號(hào)陣元位置(18.75,90)處,根據(jù)聚焦原理計(jì)算得到各延遲時(shí)間,然后對(duì)各組信號(hào)延時(shí),得到各組延時(shí)后的信號(hào),如圖4(b)所示。這樣疊加合成后就可以得到幅值較高的合成信號(hào),這對(duì)一些小而深的缺陷可大大提高信噪比。

4 缺陷仿真試驗(yàn)

缺陷試塊材質(zhì)為不銹鋼,在試塊深度為40mm的位置有一個(gè)φ2 mm的鉆孔缺陷,超聲在鋼中的傳播速度為5 940 m/s。

圖5為1～16號(hào)位置晶片自發(fā)自收的回波信號(hào)。從圖中波形分布可以看出存在一個(gè)缺陷,由于8號(hào)陣元接收到的回波在時(shí)間軸上最早,可見(jiàn)該缺陷大致在8號(hào)陣元的正下方?；夭ㄐ盘?hào)的強(qiáng)度也是8號(hào)陣元最強(qiáng),依次減弱,說(shuō)明缺陷距離8號(hào)陣元最近,且缺陷在8號(hào)陣元的主瓣聲束位置;對(duì)其他陣元來(lái)說(shuō),缺陷在其旁瓣位置,這些陣元在缺陷點(diǎn)的位置處的聲場(chǎng)本來(lái)就比較小,所以他們的回波也就較弱。

圖6 8號(hào)陣元自發(fā)自收回波時(shí)域圖

單獨(dú)分析8號(hào)陣元的回波情況,其時(shí)域信號(hào)如圖6,根據(jù)超聲回波的時(shí)間t=14.5μs,計(jì)算缺陷的深度為(5 930 m/s×14.5μs)/2=42.9 mm。實(shí)際缺陷的位置為40 mm,與理論值符合較好,相對(duì)誤差為3.75%。同時(shí)注意到其波峰值為65 mV,可見(jiàn)單個(gè)晶片的超聲信號(hào)幅值較小。

分析了單個(gè)位置晶片自發(fā)自收的信號(hào)后,現(xiàn)在分析8號(hào)陣元發(fā)射其它位置接收的情況,其信號(hào)接收如圖7(a),圖中顯示了缺陷回波信號(hào)。由于缺陷在8號(hào)陣元的正下方,所以8號(hào)陣元最早接收到回波信號(hào),其他陣元接收到的信號(hào)在時(shí)間上依次增加,且信號(hào)幅值也依次減小。圖7(b)是原始信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)延時(shí)直接累加合成。若以缺陷P(0,40)為聚焦點(diǎn)進(jìn)行延時(shí),則延遲后各個(gè)信號(hào)在相位上保持了一致,如圖7(c)所示。圖7(d)波形為延時(shí)后疊加和。比較圖7(b)和(d)可以看出,延時(shí)后的累加和比沒(méi)有延時(shí)后的累加和聲壓強(qiáng)增強(qiáng)?？梢?jiàn),采用這種方式聚焦合成也是可行的。

由于P點(diǎn)是缺陷點(diǎn),若以P點(diǎn)為聚焦點(diǎn),所有陣元接收信號(hào)相位延時(shí)后得到的信號(hào)合成波形得到了增強(qiáng)。接下來(lái)對(duì)虛擬聚焦點(diǎn)P′來(lái)分析在該處的聚焦點(diǎn)信號(hào)合成的情況。圖8表示P′(20,40)為聚焦點(diǎn)的情形。

圖8所示為以P′為虛擬聚焦點(diǎn),8號(hào)陣元發(fā)射超聲波,所有陣元接收回波信號(hào)的聚焦后的信號(hào)波形。以P′為聚焦點(diǎn),根據(jù)聲程差計(jì)算出來(lái)延時(shí)發(fā)現(xiàn),各組信號(hào)波形的相位并不與超聲相控陣檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的研究一致,而是存在相位差。正是由于存在相位差,所以各組延時(shí)信號(hào)相加后,合成信號(hào)得到了減弱,由圖7(d)與圖8(d)相比,合成信號(hào)幅值明顯減弱。

圖9(a)是不聚焦的回波信號(hào)包絡(luò),圖9(b)是聚焦回波信號(hào)的包絡(luò)。圖9(a)中可以看出,不聚焦時(shí),40 mm處缺陷回波的最大值約為25%;而圖9(b)中可以看出,40 mm處缺陷回波的最大值約為80%。可見(jiàn),聚焦后焦點(diǎn)處的回波信號(hào)得到了明顯增強(qiáng)。通過(guò)聚焦,信號(hào)增強(qiáng)了20log(80%/25%)=10.1 dB,提高了缺陷檢測(cè)的對(duì)比分辨力。此外,聚焦后聲場(chǎng)不僅在聚焦點(diǎn)位置得到明顯增強(qiáng),同時(shí)焦點(diǎn)附近區(qū)域的聲場(chǎng)也會(huì)得到了明顯增強(qiáng)。

通過(guò)以上信號(hào)的分析可知,一個(gè)陣元發(fā)射,所有陣元接收的信號(hào),通過(guò)某一點(diǎn)為聚焦點(diǎn)延時(shí)合成后可以得到一個(gè)合成信號(hào)。如果將其它陣元也都單獨(dú)發(fā)射,所有陣元接收后延時(shí)合成,這樣總共可以得到16個(gè)合成信號(hào)。然后再將這16個(gè)合成信號(hào),同樣根據(jù)相同聚焦點(diǎn)延時(shí)合成,可得到最終的合成信號(hào)。若聚焦點(diǎn)為缺陷位置,則使得缺陷點(diǎn)的回波信號(hào)大大加強(qiáng);若聚焦點(diǎn)沒(méi)有缺陷,則各組回波信號(hào)相互抵消,合成信號(hào)也大大減弱。

5 結(jié)語(yǔ)

在相控陣聚焦原理的基礎(chǔ)上,搭建了線陣超聲相控陣檢測(cè)仿真系統(tǒng)。對(duì)陣元晶片進(jìn)行了超聲發(fā)射接收試驗(yàn),通過(guò)分析比較陣元延時(shí)接收與未延時(shí)接收時(shí)的信號(hào),可以看出聚焦接收遲后可以使疊加信號(hào)得到明顯增強(qiáng),同時(shí)驗(yàn)證了信號(hào)延時(shí)聚焦合成方式的可行性。通過(guò)對(duì)試塊缺陷檢測(cè)的仿真試驗(yàn),對(duì)比聚焦與不聚焦的試驗(yàn)效果,證明相控陣聚焦可以提高缺陷檢測(cè)能力。

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