楊天雪

(福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院, 福州 350001)

多信息超聲相控陣缺陷檢測

楊天雪

(福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院, 福州 350001)

通過設(shè)計(jì)虛擬聚焦試驗(yàn)，驗(yàn)證了超聲相控陣檢測對各個陣元信號進(jìn)行合成后的A掃信號具有更高的信噪比，從而在使用A掃信號進(jìn)行成像時，可以提高圖像的分辨率，使得缺陷的成像質(zhì)量更高；更進(jìn)一步地說明了陣元越多，能夠得到試件的信息越多，利用信息形成的圖像質(zhì)量也就越高，檢測結(jié)果就會更加接近缺陷的真實(shí)情況。

超聲相控陣；A掃信號；多信息；成像

超聲相控陣通過調(diào)整陣列換能器中各個陣元發(fā)射信號的波形、幅度、相位延遲等，使得各陣元發(fā)射的聲波在傳播空間疊加合成，生成可控的聲束指向和聚焦深度，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置缺陷的精確檢測。筆者通過設(shè)計(jì)虛擬聚焦試驗(yàn)，驗(yàn)證了超聲相控陣檢測對各個陣元信號進(jìn)行合成后的A掃信號具有更高的信噪比，從而在使用A掃信號進(jìn)行成像時，可以提高圖像的分辨率，使得缺陷的成像質(zhì)量更高；更進(jìn)一步地說明了陣元越多，能夠得到的試件的信息就越多，利用信息形成的圖像質(zhì)量也就越高，檢測結(jié)果就會更加接近缺陷的真實(shí)情況。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在超聲相控陣檢測系統(tǒng)中，可同時激發(fā)陣元的最大數(shù)量即為發(fā)射、接收信號的通道數(shù)。檢測時，程序根據(jù)聚焦點(diǎn)位置計(jì)算出信號之間的延時，利用數(shù)字電路產(chǎn)生多個精確延時的數(shù)字信號，經(jīng)各個通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后加載到陣元上進(jìn)行發(fā)射，發(fā)射的多個超聲波在焦點(diǎn)處疊加，即為發(fā)射聚焦；然后根據(jù)聚焦深度將每個陣元接收到的反射信號延時后再疊加，完成接收聚焦，整個聚焦過程結(jié)束。根據(jù)超聲相控陣檢測系統(tǒng)的工作原理，利用單路發(fā)射、接收來實(shí)現(xiàn)發(fā)射、接收聚焦。單路發(fā)射接收實(shí)現(xiàn)聚焦的設(shè)計(jì)方法如表1所示。以1號陣元為接收陣元獲得的8個回波信號為例進(jìn)行說明，首先根據(jù)聚焦點(diǎn)的位置，計(jì)算出8個陣元之間的延時量，然后根據(jù)延時量對這8個回波信號進(jìn)行延時處理，最后進(jìn)行求和就得到了1個信號，用 A1表示。同樣，采用該方法對2，3，4，5，6，7，8號陣元收到的回波信號做同樣的處理，就得到了A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7和A8總共8個信號，這1～8個信號代表了所有陣元按照給定的延時量延時后，所發(fā)射的信號在某處聚焦并被反射后，8個陣元所接收的回波信號，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射聚 焦[1]。由互異性原理，接收聚焦也可以采用同樣的方法。1號陣元作為發(fā)射單元，1～8號陣元接收，以分別接收到的8個回波信號來說明。8個回波信號按照發(fā)射聚焦時給出的延時量，先進(jìn)行延時處理，然后求和，就得到1個接收聚焦的信號，即為B1，實(shí)現(xiàn)了接收聚焦。超聲相控陣檢測儀進(jìn)行檢測時，既有發(fā)射聚焦也有接收聚焦，也就是對發(fā)射聚焦后每個陣元所接收的回波信號Ai(i=1,2,3,4,5,6,7,8)再做一次接收聚焦，最后合成一個信號，完成一次A掃過程。

表1 單路發(fā)射接收實(shí)現(xiàn)聚焦的設(shè)計(jì)方法

根據(jù)設(shè)計(jì)方法，試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由相控陣換能器、脈沖收發(fā)儀、多路開關(guān)、示波器、計(jì)算機(jī)和試塊等組成。選用R/D Tech公司生產(chǎn)的超聲相控陣換能器。試塊為山東濟(jì)寧模具廠制造，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18852-2002《無損檢測 超聲檢驗(yàn) 測量接觸探頭聲束特性的參考試塊和方法》的無損檢測用試塊，材料為碳素鋼，超聲波在該介質(zhì)中的傳播速度為6 000 m·s-1。換能器與試塊表面采用甲基硅油耦合。標(biāo)準(zhǔn)試塊與換能器的位置示意如圖2所示。

圖1 超聲相控陣信號合成試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)試塊與換能器位置示意

試驗(yàn)過程中，由脈沖收發(fā)儀發(fā)射端產(chǎn)生相同的脈沖信號去激發(fā)陣元，然后利用多路開關(guān)選擇1～8號陣元中的一個或兩個作為自發(fā)自收或一發(fā)一收陣元，再利用脈沖收發(fā)儀的接收端對接收到的回波信號通過示波器進(jìn)行存儲。如圖1所示，當(dāng)一組開關(guān)同時閉合時，就構(gòu)成了單路發(fā)射、接收回路，利用示波器存儲一個回波信號Sij，這樣經(jīng)過不同的組合，總共采集到64個回波信號。

2 缺陷a點(diǎn)處聚焦

圖3為單獨(dú)使用換能器第1號陣元自發(fā)自收時采集到的信號。這與傳統(tǒng)超聲檢測原理相同，在這個位置，陣元發(fā)出的超聲信號在時間上依次到達(dá)缺陷a點(diǎn)、缺陷b點(diǎn)及底面，然后反射回來，接收到3個回波。如圖3所示，從回波信號上只能確定出兩個缺陷的存在，但是無法確定缺陷的具體位置。

圖3 單陣元的自發(fā)自收信號

相控陣的工作原理是通過改變相鄰超聲換能器陣元的相位差Δφ(通過調(diào)整各個陣元發(fā)射時間來實(shí)現(xiàn))，來達(dá)到在指定位置聚焦的目的。超聲相控陣的精確延時發(fā)射是超聲相控陣系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其通過對采集信號做移項(xiàng)處理，然后虛擬延時發(fā)射接收、定點(diǎn)聚焦，實(shí)現(xiàn)相控聚焦。根據(jù)信號延遲控制量的計(jì)算公式[2]，計(jì)算出各個陣元激發(fā)和接收時的相對延遲量，組成一個8×8的延遲量矩陣Δτij，與波形矩陣Sij一一對應(yīng)，經(jīng)過對回波信號的延遲處理與疊加，就相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了聲場在虛擬聚焦點(diǎn)的聚焦發(fā)射和接收。通過改變不同的延遲量Δτij，可實(shí)現(xiàn)不同點(diǎn)的聚焦。

2.1 發(fā)射相控聚焦

圖4為將采集到的信號Si1(i=1,2,3,4,5,6,7,8)通過延遲加權(quán)求和，使1～8號陣元發(fā)射、1號陣元接收到的信號在缺陷a點(diǎn)處聚焦。

圖4 陣元1接收，陣元1～8發(fā)射信號對缺陷a點(diǎn) 聚焦的合成波形

從圖4可以看出，相比單陣元檢測信號，缺陷a的回波信號提高了50%左右，而缺陷b點(diǎn)處的信號不但沒有增強(qiáng)，還降低了50%左右，底波信號也僅為原來的三分之一。

2.2 發(fā)射與接收相控聚焦 對64組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到陣元1～8發(fā)射，陣元1～8分別接收的8組合成信號，記為A1～A8，這8組信號是8個陣元發(fā)射超聲信號在a點(diǎn)聚焦時各自的回波信號，對這8組信號再進(jìn)行延遲加權(quán)求和的計(jì)算，將得到8個陣元對a點(diǎn)的聚焦合成信號，64組信號對缺陷a點(diǎn)聚焦的合成波形如圖5所示。

圖5 64組信號對缺陷a點(diǎn)聚焦的合成波形

從圖5可以看出，8個陣元的激發(fā)和接收都在點(diǎn)a聚焦時，缺陷a點(diǎn)處的回波信號雖然增強(qiáng)不多，但缺陷點(diǎn)b點(diǎn)處的信號和底面回波相比，單陣元的檢測信號降低很多，僅為缺陷a點(diǎn)處信號的四分之一。實(shí)際上通過對信號的延遲、加權(quán)求和，可使得聲場的能量在a點(diǎn)處缺陷處集中；而接收聚焦時，將a點(diǎn)處缺陷處以外的信號抵消減弱，起到了濾除其他信號的功能。這與超聲相控陣?yán)碚撌窍喾摹?/p>

3 缺陷c點(diǎn)處聚焦

該波束合成試驗(yàn)將研究對非缺陷點(diǎn)處的聲場發(fā)射及接收聚焦對回波信號的影響。選定試塊中的點(diǎn)c為聚焦點(diǎn)，通過計(jì)算各路信號在c點(diǎn)處聚焦時的延時，對多路采集信號進(jìn)行延遲，再加權(quán)求和，得到合成的回波信號。

3.1 發(fā)射相控聚焦

圖6為陣元1～8發(fā)射，陣元1接收信號在c點(diǎn)處聚焦產(chǎn)生的回波合成信號。由圖6可以看出，聲場在c點(diǎn)聚焦時，相比單陣元檢測回波信號(見圖3)，從缺陷a和缺陷b點(diǎn)處反射的回波信號明顯降低，不及原來波高的四分之一。

圖6 陣元1～8發(fā)射，陣元1接收信號在c點(diǎn)處聚焦的 合成波形

3.2 發(fā)射與接收相控聚焦

將64組信號通過延時求和，合成為在c點(diǎn)的8路發(fā)射聚焦信號A1～A8，再對這8組信號從c點(diǎn)進(jìn)行接收聚焦，整體合成的回波信號如圖7所示。從圖7上看到缺陷信號很弱，幾乎消失不見。如果設(shè)定合適的判傷閾值，可以判定該點(diǎn)沒有缺陷。對比圖3，證明了在非缺陷點(diǎn)進(jìn)行相控陣聲場發(fā)射接收聚焦時，對缺陷的回波信號進(jìn)行了過濾，有效地檢驗(yàn)了該點(diǎn)無缺陷。

圖7 64組信號在c點(diǎn)處的聚焦合成波形

4 人工模擬試塊的相控陣檢測驗(yàn)證

利用奧林巴斯的TOMOSCAN相控陣設(shè)備對濟(jì)寧模具廠生產(chǎn)的30 mm厚對接焊縫人工模擬試塊進(jìn)行檢測，分別使用8陣元聚焦和16陣元聚焦，得到的氣孔位置如圖8所示。8陣元的氣孔位置為19.6 mm，16陣元的氣孔位置為23.9 mm，該試塊的說明書給出的氣孔位置為24 mm，說明16陣元聚焦所得到的氣孔位置更加準(zhǔn)確。

圖8 TOMOSCAN相控陣設(shè)備對人工試塊氣孔的 檢測圖像

5 結(jié)論

與單陣元自發(fā)自收的回波信號相比，多聲束合成后缺陷的回波信號明顯增強(qiáng)；進(jìn)行比較可發(fā)現(xiàn)，焦點(diǎn)位置變化時，其對缺陷回波信號電壓幅值的影響是不同的。當(dāng)焦點(diǎn)與缺陷a點(diǎn)處的回波信號相吻合時，回波信號的電壓幅值達(dá)到最大，而其他位置的回波信號卻削弱了。同理，當(dāng)焦點(diǎn)與缺陷b點(diǎn)處的回波信號重合時，也會得到類似的結(jié)論。而且，在沒有缺陷的位置進(jìn)行聚焦，也不會因?yàn)榫劢苟a(chǎn)生高幅值的回波信號，不會形成偽缺陷。即，相控聚焦在提高缺陷回波信號的同時，不會使噪聲的幅值變大。故，在利用A掃進(jìn)行成像時，可以提高信噪比，從而提高圖像的分辨率，使得缺陷的成像更加接近缺陷的實(shí)際。

如果只有一個陣元，也就是常規(guī)超聲檢測無法進(jìn)行聚焦，而只用發(fā)射聚焦，也就是8個陣元發(fā)射，一個陣元接收，A掃的信噪比相對較差，成像質(zhì)量也較差。因此，參加發(fā)射聚焦和接收聚焦的陣元數(shù)越多，也就是參與聚焦的陣元數(shù)越多，成像質(zhì)量越好。這是因?yàn)槊總€陣元信號對缺陷都是一個反映，陣元越多，反映越多，所能得到試件的信息越多，利用信息的成像質(zhì)量也就越高，從而更加接近缺陷的真實(shí)情況，能夠更好地對缺陷進(jìn)行判別。

[1] FREDRIK L. A method of improving overall resolution in ultrasonic phased array imaging using spatio-temporal deconvolution[J]. Ultrasonic, 2004, 42:961-968.

[2] 楊天雪.超聲相控陣系統(tǒng)研究[D]. 北京：北京理工大學(xué)，2009.

The Defect Inspection Based on Multi-information Using Ultrasonic Phased Array

YANG Tianxue

(Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute, Fuzhou 350001, China)

Based on designing a virtual focusing experiment, it is approved that composite A-scan signal has high S/N ratio, thus the quality of the image of specimen is improved due to high resolution. It is also explained that the more elements the transducer has, the more information about the specimen can be gotten. So the image is closer to the true face of the defect due to high quality.

ultrasonic phased array; A-scan signal; multi-information; imaging

2016-09-24

楊天雪(1978-),男，博士，高級工程師，主要從事承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)工作

楊天雪，191130803@qq.com

10.11973/wsjc201705011

TB553；TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0049-04