楊先明，王海濤，郭 艷，郭瑞鵬，沈立軍

（1.煙臺(tái)富潤實(shí)業(yè)有限公司，煙臺(tái) 264670；2.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016）

隨著超聲檢測仿真技術(shù)可靠性的不斷提高，其應(yīng)用范圍也從原來的檢測結(jié)果分析、性能驗(yàn)證，逐步擴(kuò)展到檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化、虛擬檢測等領(lǐng)域［1－2］。超聲相控陣成像仿真就是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息處理功能，以相控陣檢測理論模型為基礎(chǔ)，仿真超聲聲場在介質(zhì)中的傳播及其與缺陷的相互作用，采用人機(jī)交互的方式進(jìn)行檢測參數(shù)優(yōu)化，為工程設(shè)計(jì)人員提供具有較高價(jià)值的參考。

Matlab集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示功能于一體，包含大量功能強(qiáng)大的函數(shù)可供調(diào)用，可大大加快軟件開發(fā)的效率。但是Matlab是一種解釋性語言，執(zhí)行效率比較低，且不能與硬件底層進(jìn)行直接操作。與此相反，VC＋＋可以方便地進(jìn)行硬件控制，具有強(qiáng)大的界面編程功能，程序執(zhí)行速度快。基于此，筆者充分利用 MATLAB與VC＋＋各自的優(yōu)點(diǎn)，通過VC＋＋調(diào)用 Matlab［3］引擎的方式進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)VC＋＋與Matlab混合編程，開發(fā)了一套超聲相控陣成像仿真系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

建立超聲成像的仿真環(huán)境時(shí)，首先需設(shè)置相控陣探頭參數(shù)，接著模擬被檢試件中的缺陷。然后仿真超聲檢測過程，即探頭發(fā)射超聲波，超聲波在工件中傳播并與缺陷相互作用產(chǎn)生回波信號(hào)，回波信號(hào)被探頭接收并經(jīng)一系列信號(hào)處理后，最終以圖像形式顯示出來。

仿真成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要分為探頭參數(shù)設(shè)置模塊、缺陷參數(shù)設(shè)置模塊、仿真成像模塊等三大模塊，各模塊彼此相互獨(dú)立，分別完成一定的功能。從方便用戶的角度出發(fā)，仿真系統(tǒng)采用多層次的分級(jí)模塊驅(qū)動(dòng)形式，首先在可視化交互式的軟件主界面上，選擇進(jìn)入各功能子模塊，繼而在每一個(gè)功能子模塊下，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，運(yùn)行程序，返回上級(jí)模塊等操作。

圖1 超聲相控陣成像仿真系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)架構(gòu)采用VC＋＋6.0的對(duì)話框結(jié)構(gòu)，以對(duì)話框成員變量的形式來保存探頭參數(shù)、缺陷參數(shù)以及掃描聚焦方式等信息，然后以.mat的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)A掃描回波數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 探頭參數(shù)設(shè)置模塊

探頭參數(shù)設(shè)置模塊完成仿真探頭參數(shù)設(shè)置，包括陣元個(gè)數(shù)、陣元寬度、陣元高度、陣元間距、探頭中心頻率以及聲速等探頭參數(shù)。

超聲相控陣的聲場特性關(guān)系到缺陷的定位定量以及檢測精度和靈敏度，了解聲場結(jié)構(gòu)及分布特征對(duì)于提高檢測可靠性、準(zhǔn)確性以及提高檢測效率都有著至關(guān)重要的作用［4－5］。因此該模塊加入了探頭性能分析功能，可完成探頭形狀示意圖的顯示，以及探頭在直角坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系下的聲場指向性分析和聲場聲壓的二維、三維顯示。

超聲相控陣探頭的幾何參數(shù)如圖2所示，在P（r，θ，t）處產(chǎn)生的聲壓［6］為：

圖2 相控陣陣列聲場計(jì)算示意圖

式中：r為陣元到點(diǎn)P的距離；θ為Z軸和r軸夾角銳角，均取正數(shù)；t為某一時(shí)刻，為了說明P在t時(shí)刻的聲壓；P0為線元在單位距離上產(chǎn)生的聲壓；a為陣元寬度；d為陣元間距；n為陣元數(shù)；ω為角頻率；k為波數(shù)；Δtn為第n個(gè)陣元的延遲時(shí)間。

依據(jù)用戶輸入的探頭參數(shù)，仿真系統(tǒng)可通過式（1）計(jì)算出在無限大超聲聲場空間中有限區(qū)域內(nèi)、有限個(gè)點(diǎn)的聲壓值，并以矩陣形式存儲(chǔ)，然后以圖像形式輸出顯示，此時(shí)就可完成探頭聲壓分析功能。

線性矩形相控陣的聲壓指向性函數(shù)為［7］：

式中：N為陣元數(shù)目；k為波數(shù)；a為陣元在x方向的寬度；b為陣元在y方向的寬度；θ1為聲束在XOZ平面上的投影與Z 軸的夾角；θ2為聲束在YOZ平面上的投影與Z軸的夾角。

系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的探頭參數(shù)及式（2）可求出相控陣探頭各方向的指向性，并以圖像形式輸出結(jié)果。例如，探頭偏轉(zhuǎn)30°時(shí)的指向性如圖3（a）所示，探頭聚焦在40mm處的聲場聲壓分布如圖3（b）所示。其中用戶輸入探頭參數(shù)分別為：陣元數(shù)目16，中心頻率4MHz，陣元寬度0.45mm，陣元間隙0.05mm，聲速5 920m／s。通過以上對(duì)聲場聲壓及指向性的仿真顯示，用戶可以很直觀地看到各種不同探頭的聲場分布情況。

圖3 探頭參數(shù)設(shè)置模塊探頭指向性和聲壓分布例圖

此外，用戶還可以通過人際界面改變各探頭相關(guān)參數(shù)來觀察聲場聲壓及指向性變化，分析和研究相控陣探頭的各參數(shù)對(duì)聲場的影響，為超聲檢測過程中的探頭參數(shù)的設(shè)置提供參考依據(jù)。

2.2 缺陷參數(shù)設(shè)置模塊

缺陷設(shè)置模塊的主要任務(wù)有：

（1）模擬缺陷 可模擬點(diǎn)缺陷和體積缺陷。點(diǎn)缺陷為與被檢試件聲阻抗不同的一點(diǎn)；體積缺陷為與被檢試件聲阻抗不同的一空間區(qū)域，此空間區(qū)域是圓柱形通孔，其半徑可自定義設(shè)置。缺陷設(shè)置模塊界面如圖4所示，用戶可以在其上點(diǎn)擊添加點(diǎn)缺陷，輸入點(diǎn)缺陷名稱、位置信息，如圖5（a）所示；在缺陷設(shè)置模塊界面上點(diǎn)擊添加體缺陷，輸入體缺陷的名稱、半徑及位置信息，如圖5（b）所示。

圖4 缺陷設(shè)置模塊運(yùn)行界面

圖5 缺陷參數(shù)設(shè)置界面

（2）設(shè)置檢測參數(shù) 包括聚焦方式、掃描方式設(shè)置。其中聚焦方式又包括單點(diǎn)聚焦、接收動(dòng)態(tài)聚焦、動(dòng)態(tài)聚焦及變孔徑聚焦；掃描方式包括B掃描和S掃描。

2.3 成像模塊

在現(xiàn)有超聲成像系統(tǒng)仿真方案中，fieldⅡ是現(xiàn)今在學(xué)術(shù)界、工業(yè)界廣泛應(yīng)用的聲場仿真程序，其可以產(chǎn)生多種陣列條件下的仿真聲場及陣列的接收信號(hào)，因此出于仿真發(fā)射聲場與缺陷相互作用的復(fù)雜度和fieldⅡ權(quán)威性的考慮，此模塊設(shè)計(jì)基于fieldⅡ環(huán)境運(yùn)行Matlab編程，以完成陣列探頭的掃描控制與缺陷回波的產(chǎn)生。

系統(tǒng)根據(jù)用戶在探頭參數(shù)模塊和缺陷模塊的設(shè)定條件初始化fieldⅡ，然后在不同的陣元施加具有不同延遲時(shí)間（由聚焦法則界定）的電激勵(lì)信號(hào)以產(chǎn)生超聲束；超聲束進(jìn)入被檢試件，經(jīng)缺陷散射被探頭各陣元接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；系統(tǒng)對(duì)所有陣元接收的電信號(hào)再施加相應(yīng)延時(shí)并求和，形成一條A掃回波信號(hào)。通過持續(xù)移動(dòng)接通陣元，便會(huì)形成一組A掃回波信號(hào)，這些回波信號(hào)以.mat文件格式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上，再經(jīng)包絡(luò)檢波、對(duì)數(shù)壓縮［9］、DSC變換等一系列信號(hào)處理過程后，最終將圖像還原出來。

利用離散希爾伯特變換的方法對(duì)A掃描線進(jìn)行包絡(luò)提取，目的是提取回波信號(hào)的幅度信息，形成A掃取包絡(luò)文件。由于缺陷的反射、散射等導(dǎo)致回波信號(hào)具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，因此對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮以使其可在顯示器中顯示出來；最后利用數(shù)據(jù)插補(bǔ)填充、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等將A掃圖像合成B掃或S掃圖像。

用戶在圖5（b）體缺陷設(shè)置窗口模擬5個(gè)半徑為1mm的通孔缺陷，缺陷X坐標(biāo)分別為－10，－5，0，5，10mm，Z坐標(biāo)分別為30，40，50，60，70mm；在圖4中設(shè)置掃查方式為B掃查，聚焦方式為動(dòng)態(tài)聚焦；其成像結(jié)果如圖6（a）為所示。圖6（b）為S掃查方式、動(dòng)態(tài)聚焦方式下的S顯示，其模擬缺陷仍是5個(gè)半徑為1mm 的通孔，X 坐標(biāo)分別為－10，－5，0，5，10mm，Z坐標(biāo)分別為30，35，40，45，50mm。

圖6 不同掃描成像界面

3 結(jié)論

在明確超聲相控陣成像檢測原理及過程的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一款針對(duì)超聲相控陣檢測系統(tǒng)的仿真軟件，將仿真系統(tǒng)分為探頭參數(shù)設(shè)置、缺陷參數(shù)設(shè)置及仿真成像三大模塊。探頭參數(shù)模塊可仿真顯示相控陣探頭的聲場聲壓分布及其指向性特性，通過人機(jī)界面改變各探頭相關(guān)參數(shù)可觀察聲場聲壓及指向性變化，并可分析研究各參數(shù)對(duì)聲場的影響。缺陷參數(shù)設(shè)置模塊可模擬缺陷并設(shè)置檢測參數(shù)。仿真成像模塊，利用FieldⅡ建立相控陣探頭聲場與缺陷相互作用的模型和缺陷回波的計(jì)算模型，并通過對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮、取包絡(luò)閾值、DSC變換等一系列信號(hào)處理，將缺陷圖像還原出來。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)仿真探頭特性、聲束聚焦偏轉(zhuǎn)控制、缺陷檢測成像功能均已實(shí)現(xiàn)。

［1］ 張偉志，剛鐵，王軍.超聲波檢測計(jì)算機(jī)模擬和仿真的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.應(yīng)用聲學(xué)，2003，22（3）：39－44.

［2］ 陳建忠，史耀武.超聲檢測過程的數(shù)值模擬［J］.無損檢測，2001，23（5）：198－201.

［3］ 張亮，王繼陽.MATLAB與 C／C＋＋ 混合編程［M］.北京：人民郵電出版，2008.

［4］ SHICHANG W，YIJUN S.Optimum beam steering of linear phased arrays［J］.Wave Motion，1999，29：245－265.

［5］ LIN Y，DODSON J M，HAMILTON J D，et al.Theory and Experiment for the Design of Piezoelectric Element for Phased Arrays［C］／／ Proceedings of 1997 IEEE Ultrasonics Symposium.［s.l.］：［s.n］1997：1697－1700.

［6］ 萬敏，王海濤，程繼隆，等.超聲相控陣聲束控制特性分析［J］.無損檢測，2009，31（11）：81－83.

［7］ 馮若.超聲診斷設(shè)備原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：中國醫(yī)藥科技出版社，1993.

［8］ 馮若，姚錦鐘，關(guān)立勛，等.超聲手冊(cè)［M］.南京：南京大學(xué)出版社，1999.