李 衍

(無錫市鍋爐壓力容器學會無損檢測專委會，無錫 214026)

超聲相控陣全聚焦法成像檢測

李 衍

(無錫市鍋爐壓力容器學會無損檢測專委會，無錫 214026)

超聲相控陣全聚焦法(TFM)是用全矩陣捕獲模式(FMC)獲取的數(shù)據(jù)來進行信號處理的,所有計算均以30幀/s的刷新率完成。與標準相控陣法相比，全聚焦法成像分辨力甚高，能優(yōu)化缺陷的定位、定量、表征等，并可對形狀復雜試件進行檢測。綜述了超聲相控陣全聚焦法成像檢測的典型工業(yè)應用，并作了相關討論，以供國內同行借鑒。

超聲相控陣；全矩陣捕獲；全聚焦法；成像檢測

對于傳統(tǒng)的相控陣技術——S掃(扇掃)和E掃(電子掃)，只要聲束相應聚焦，就能提供橫向分辨率為 2～3個波長的聲成像。

用超聲相控陣全聚焦法(TFM)時，若虛擬探頭用大孔徑(如64陣元)，可得分辨力為1個波長。

10 a前，BOULAVINOV[1]介紹了用取樣相控陣作為超聲信號處理和成像的新技術，敘述了信號處理的方式方法，并展示了該技術相比于相控陣S掃的優(yōu)勢。該技術表明，大量計算需借助于當今快速處理器和現(xiàn)場可編門陣列(FPGA)，方能應對自如。目前已有這方面的市售便攜式工業(yè)相控陣儀器，可為日常UT(超聲檢測)提供取樣相控陣技術——全聚焦法。筆者先概述了超聲全聚焦法的原理，而后綜述其在工業(yè)上的典型應用，并指出了關鍵問題對策方法。

1 全矩陣捕獲(全聚焦法)

1.1 原理

圖1 全矩陣捕獲原理示意

全聚焦法的前提要求是全矩陣捕獲(FMC)：在一個采集(探測)周期內，陣列的每一陣元均發(fā)射一個聲波，即共有n個陣元相繼發(fā)射。對每個發(fā)射，n個陣元中每一個陣元均接收一個A掃信號。這樣，總共就有n2個A顯示信號組合在一個矩陣中，矩陣橫行代表發(fā)射陣元，縱列代表接收陣元。例如，由4陣元組成一陣列，可得 4 × 4 個A顯示Aij(見圖1)。對聲透射平面內的任何反射體，具有相同顏色的A顯示，表示聲傳播(飛行)時間相同。此時，A掃顯示可作進一步處理，以在一定關注區(qū)內創(chuàng)建超聲圖像。全聚焦法成像原理示意如圖2所示。將數(shù)據(jù)重建而界定的計算區(qū)(關注區(qū))劃成網(wǎng)格，對相控陣探頭的整套陣元，要為網(wǎng)格上每一點計算聚焦法則。在網(wǎng)格各點求和之前，所有記錄信號均有相應時移。網(wǎng)格各點重建后，循環(huán)即結束。

圖2 全聚焦法成像原理示意

全矩陣-全聚焦法(FMC-TFM)的主要優(yōu)點是在一個探頭位置，組合優(yōu)化聚焦和空間分辨力，可完成大面積直接成像。

1.2 關注區(qū)

平行于陣列的某一橫截面積——關注區(qū)(或稱有效檢測區(qū))，可由操作者界定，但必須位于陣列有足夠聲壓的區(qū)域，關注區(qū)如圖3(a)所示。另外，假定有個反射體位于關注區(qū)P點(15,30)。陣元1激活，發(fā)射聲波，則1～4的所有陣元均接收到來自P點的回波信號，如圖3(b)所示。

圖3 關注區(qū)和區(qū)內任意靶點示意

P點的超聲飛行時間(TOF，簡稱飛時)可算出，隨后，與這些超聲飛時相關的波幅a11,a12,a13和a14也都可檢測出(見圖4)。陣元2，3，4 重復發(fā)送程序，最后得到16個波幅。所有這些波幅的總和，就是P點返回的所有信號的積分響應[2]。

(1)

為簡化起見，這里未計入探頭延遲或楔塊引起的附加值。

圖4 關注區(qū)P點超聲信號飛時示意

1.3 圖像再現(xiàn)

用給定的波幅調色板，將P點的集成幅度轉換成相關顏色，再放進關注區(qū)P位(15,30)。關注區(qū)共65 536個點(即216)，均以相同數(shù)學算法填充數(shù)據(jù)。此時，系統(tǒng)準備開始下一采集周期，為隨后的圖像再現(xiàn)遞送原始數(shù)據(jù)。這里用的超聲相控陣檢測儀有64通道，與超聲檢測周期同步，用強大的現(xiàn)場可編程門陣列作整個圖像處理，達到的屏幕刷新率為30 Hz(即掃描以30幀/s速率刷新)。

用全矩陣捕獲(FMC)時，陣列每一陣元均起發(fā)射器和接收器的作用，且陣元寬度較小，陣列產生的聲束擴散角較大；再加上用一發(fā)一收法，掃描角增大范圍相關于陣列總長，因而全矩陣捕獲對傾斜反射體的檢出率要高得多，64陣元探頭激活的聲場截面如圖5所示。用TFM時，聲束覆蓋區(qū)域明顯大于常規(guī)相控陣(比如用普通E掃——線掃)。所有這些特征，不僅使圖像分辨力大大提高，而且對當今超聲應用也會產生重大沖擊[2]。

圖5 64陣元探頭激活的聲場截面示意

1.4 FMC-TFM方法原理

綜上所述，F(xiàn)MC-TFM為：① 陣列陣元依次一一激活N次(N為陣元數(shù))；② 每次激活，一陣元發(fā)射，所有陣元接收(一發(fā)全收)。FMC-TFM方法原理如圖6所示。

圖6 FMC-TFM方法原理示意

以下為兩個重要計算公式。

(1) 與所有發(fā)-收(T-R)陣元對(i，j)和像點P相對應的超聲飛行時間tij(P)為

(2)

(2) 與各像點超聲飛時、聲程相應的N×N波幅的總和由式(3)計算。

(3)

2 全聚焦法校驗

使用足夠的陣元，如為64陣元，則TFM能提供的橫向分辨力為1λ(波長)。按標準ASTM E 2491要求[3-4]，在相控陣校驗試塊上的成像結果如圖7所示。試塊中有一組豎向排列的φ1 mm橫孔，所用探頭頻率為5 MHz，波長為1.2 mm。TFM-B掃圖像能清晰分辨1 mm橫孔。

圖7 ASTM 校驗試塊上的TFM成像結果

TFM能使線陣探頭對關注區(qū)全向“觀測” ，因為芯距小的每個陣元會產生很大擴散角。圖7顯示出了橫向放置的探頭能使整個豎向排列的橫孔都成像。

3 典型應用實例

3.1 T型接頭：電子線掃與TFM

這里，列舉全聚焦法工業(yè)應用的第一實例：檢測T型接頭。對T型接頭，通常最關注的重要缺陷是坡口面未熔合(腹板側和翼板側)、根部未焊透。超聲探頭置于翼板上，在組合焊縫對側進行掃查往往是第一選擇。示例突出TFM法對腹板側坡口面未熔合檢測強于一般PA-E掃的優(yōu)勢[5]。

總長300 mm的T型接頭(24 mm×24 mm)焊接試板實物(K型坡口，內有三個缺陷，1#、2#缺陷為翼板側未熔合，3#缺陷為腹板側坡口面未熔合)如圖8所示。

相控陣(PA)探頭采用64陣元、5 MHz、30 mm厚的延遲塊，為做對比，用兩種掃查方式：① 用孔徑9.6 mm(16陣元)作線掃(E掃)；② 用所有陣元(64 陣元)作TFM掃。作線掃時，掃查寬度29 mm固定；用TFM掃時，掃查寬度可變，可調至50 mm。對該T型接頭用上述兩種掃查方式所得圖像做比照(見圖9)。

圖11 對接焊縫TT法和TTT法的TFM檢測示意

圖8 T型接頭焊接試板實物

圖9 T型接頭焊接試板的PA-E掃和TFM掃圖像

由圖9可知，TFM掃查寬度較大，因而T型接頭兩側焊縫蓋帽(余高)形狀也得以顯示(稱為幾何形狀顯示或偽顯示)，這樣在掃查過程中，不妨以此作為參照圖像，對探頭位置和耦合情況也易于監(jiān)控。圖9(b)中，缺陷顯示1和顯示2的橫向寬度尺寸增大，是由于聲束擴散的影響；而TFM掃因聲束聚焦于反射體，故能顯示其寬度方向的準確尺寸。但兩種掃查圖中，缺陷顯示3均難發(fā)現(xiàn)。原因是：此缺陷為傾斜45°的坡口面未熔合(K型坡口腹板側未熔合)。由于E掃時聲束角度為0°且固定，無法清晰顯示此缺陷(除非改變延遲楔塊，用45°再掃查)；而用TFM掃時，只要在聲束入射標定方向(焊縫寬度方向)簡單移動探頭，以使聲束入射角度適應缺陷走向(即達到正交)，就很容易檢出傾斜45°的平面狀缺陷(見圖10)。

探頭相對于關注區(qū)位移一定距離(取位移28 mm)，以改變超聲波束入射角度，來自傾斜平面反射體(即坡口面未熔合)的回波幅度就明顯提高，在TFM窗口和C掃圖中，就會有缺陷圖像清晰顯示。與此同時，對側焊縫蓋帽(余高)也會顯示出來(稱為幾何顯示)。

圖10 用入射位移法作TFM掃的檢測結果

3.2 對接焊縫的TFM檢測

X型坡口對接焊縫中的坡口面未熔合，其超聲檢出方向性很強。用TFM法掃查，聲束適應性頗好；對位于工件底面、沿壁厚方向伸展的底面開口性面狀缺陷，也可用TFM自串列法高效檢出[6]。

圖11為對壁厚20 mm的X型坡口對接焊縫(內有自然缺陷)，用64陣元、36°楔塊的相控陣探頭作TFM檢測。先用TT模式，即用標準的折射橫波入射-反射橫波接收方式(一次波，即不經(jīng)底面反射的聲波)在焊縫兩側均作TFM掃，檢測坡口面未熔合；后用TTT模式(即橫波入射-反射-接收“三波自串列法”)作TFM掃，極易檢出并精確定量與板面垂直的平面狀反射體——焊縫熱影響區(qū)底面開口裂紋。

圖12 在焊縫兩側作C掃的檢測結果

對300 mm長的對接焊縫(壁厚20 mm)，在焊縫兩側作相控陣C掃，其掃描圖像顯示結果如圖12所示。缺陷信號顯示自左至右為：① 根部未焊透；② 焊趾裂紋；③ 坡口面未熔合。鑒于缺陷位置，這里從左側掃查，缺陷檢出率最佳。

為比照評定缺陷信號顯示，用3種掃查方式：TFM掃，B掃和累積B掃。TFM窗可測出缺陷深度和橫向位置；累積B掃(有時稱為D掃，即焊縫縱斷面掃)可測出反射體長度和掃查方向的位置(與C掃顯示結果相同)，但也可測出缺陷深度范圍(即自身高度)，特別是TTT模式可精確測量焊趾裂紋深度量值(見圖13)。

圖13 在C掃和B掃圖像中分別對焊縫缺陷測長、 測深、測高示意

3.3 彎管焊縫的TFM檢測

承壓設備上的彎管焊縫，傳統(tǒng)方法是進行現(xiàn)場RT，由于結構關系，射線機換位、對焦、貼片等費時、費力，還有輻射防護問題。采用PA-TFM法檢測，能靈活適應彎頭表面幾何形狀變化的特點，快速進行波束角度和波程計算，借助于柔性探頭，有效取代RT，完成彎頭焊縫體積檢測[7]。

仿實物碳鋼彎管焊接試樣TFM檢測布置與顯示結果如圖14所示。環(huán)焊縫中特意設置了一些人工缺陷，只以坡口面未熔合作為典型缺陷示例。適于彎管表面耦合的楔塊用樹脂玻璃制作。已知管徑、壁厚、波速等，用MATLAB軟件，算出楔塊-管子界面聲波通過點。

圖14 仿實物碳鋼彎管焊接試樣TFM檢測布置 與顯示結果

注意，仿實物試樣管直段和彎頭壁厚不一：直段壁厚11 mm，彎頭壁厚7.1 mm。陣列換能器和楔塊須置于彎頭一側。由TFM掃圖即可見缺陷峰值信號(未熔合)位于直段側焊縫坡口面上。

3.4 摩擦焊縫的TFM檢測

其他行業(yè)應用示例：檢測車輛牽引裝置的摩擦焊縫。帶拖球的圓棒焊到軸上，軸裝在車上。此焊縫必須確保能承載各種應力的極高強度。

對此類焊縫，通常用RT方法，即用厚度仿形補償法或前置濾板法，至少曝光2～3次，也難于全檢。這里介紹用PA探頭周向掃查，TFM成像，簡易方便[8]。

圖15 車輛牽引裝置摩擦焊縫PAUT布置示意

圖16 車輛牽引裝置摩擦焊縫TFM檢測結果

檢測用5 MHz、32陣元PA探頭；楔塊底面與直徑40 mm的軸表面吻合；用注水的方法確保耦合良好；用TFM法，探頭可放在離焊縫很近的位置。

自行設計了裝上探頭架的機械系統(tǒng)，能使軸轉動。檢測時，以13 mm/s的速度掃查， 360°檢測僅需10 s。車輛牽引裝置摩擦焊縫PAUT布置示意如圖15所示，圖16為車輛牽引裝置摩擦焊縫TFM檢測結果。

3.5 厚壁焊縫的TFM檢測 對板厚100 mm以上的窄間隙焊縫，以往檢測邊緣未熔合最有效的UT方法是雙探頭串列法[9-10]。

現(xiàn)可考慮用波型變換的TFM法取代傳統(tǒng)的雙探頭串列法，檢測窄間隙厚壁焊縫中鏡面狀未熔合類缺陷。試塊側面有一橫向平底孔，以往以此作為校驗反射體，用于兩斜探頭一前一后串列法校驗靈敏度。此時要探測深度位置不同的橫向平底孔，就要改變兩串列探頭間距或使用多種探頭對。而用LLT波型變換法取代雙探頭串列法，以橫向平底孔校驗靈敏度方法檢測示意如圖17所示。

圖17 LLT波型變換法、橫向平底孔校驗靈敏度方法示意

在厚焊縫一側，用PA線陣探頭和LLT法(即縱波-縱波-變型橫波法)檢測，就只需一個探頭，操作大大簡化。試塊橫向平底孔LLT波型變換TFM法圖像顯示(離試塊側面距離10 mm)如圖18所示。

圖18 試塊橫向平底孔LLT波型變換TFM法圖像顯示

3.6 其他應用示例

檢測形狀復雜的工件時，普通單晶探頭不適用，因超聲波束會被復雜表面反射或扭曲；PA技術能按探頭下的幾何形狀調整延時法則，能在復雜表面下產生圖像。但工件幾何形狀及換能器位置完全已知。這里介紹的技術是基于TFM成像的自適應法，其關鍵步驟為：① 用優(yōu)化TFM作表面測量，可減少計算時間和噪聲；② 確定超聲聲程[11-13]。

對表面形狀不規(guī)則的試件，可使用水楔柔性PA探頭、通過兩步法TFM實時自適應成像，完成檢測。

圖19 對表面形狀不規(guī)則試件作TFM成像提取形狀數(shù)據(jù)

第一步，在半無限水介質中作TFM成像(見圖19)。第二步，在材料中作動態(tài)飛時計算和TFM成像(見圖20)。

圖20 對表面形狀不規(guī)則的試件作材料動態(tài)飛時TFM成像示意

從陣元E至聚焦點P的飛行時間如式(4)所示。

(4)

用費爾馬原理確定工件表面入射點M(x0,z0)為：

(5)

內外壁形狀不規(guī)則的單面V型坡口焊縫的TFM自適應成像檢測結果如圖21所示，在役設備焊縫內壁腐蝕狀態(tài)TFM成像檢測結果如圖22所示。

圖21 內外壁形狀不規(guī)則的單面V型坡口焊縫的TFM自適應成像檢測結果

圖22 在役設備焊縫內壁腐蝕狀態(tài)TFM成像檢測結果

4 問題及對策

4.1 A掃信號數(shù)

按定義，對n陣元探頭來說，在每一探測位置，F(xiàn)MC會捕獲n2個A掃信號。因此，F(xiàn)MC數(shù)據(jù)采集所用硬件和軟件，要有處理大量A掃信號的能力。為強化對FMC的支撐力，有關儀器設備制造公司已提高超聲設備能力，每一檢測位置可處理高至32 768 個A掃信號。換言之，相控陣系統(tǒng)能與適當軟件(如UltraVision 3.3)組合在一起，以181陣元組成的最大聲孔徑，或兩個分開的128陣元組成的聲孔徑支持FMC。

4.2 數(shù)據(jù)傳送率

若數(shù)據(jù)要從探測系統(tǒng)傳送到遠程計算機，則數(shù)據(jù)傳送率往往會成為數(shù)據(jù)采集速度的限制因素。因此，為指望更好地支持FMC，有關系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)傳送率已提高到30 MB·s-1。當然，要有高端計算機才能保持這么高的流通量。但是，對FMC數(shù)據(jù)采集，必須期望使用很低的采集速度。在某些情況下(如用很多陣元、大時基范圍)，甚至可低于1 Hz。

4.3 數(shù)據(jù)文件大小

FMC數(shù)據(jù)文件易于達到數(shù)G字節(jié)。用UltraVision 3.3軟件獲取的數(shù)據(jù)，并不保存在隨機存儲器上，而是直接保存在驅動器上的，這樣可采集和存儲很大的FMC數(shù)據(jù)文件。

圖23 HMC效果與機理

為使產生的數(shù)據(jù)數(shù)量減到最小值，可考慮采用半矩陣捕獲(HMC)。HMC的原理(見圖23)是清除了“相互作用”。當考慮點狀UT源和點狀反射體時，用陣元x激勵脈沖和陣元y接收回波，在理論上，等同于用陣元y激勵脈沖和用陣元x接收回波。采用半HMC時，所要求的A掃量會從n2降到n(n+1) / 2。

4.4 聲能

FMC是由單個陣元相繼發(fā)射構成的，故FMC數(shù)據(jù)采集過程中產生的聲能很低。而且只需很低的聲能指向性，故FMC數(shù)據(jù)采集最好使用小PA探頭。由于接收信號的能級也很低，為確保反射UT信號在采集系統(tǒng)的電子噪聲中不丟失，需要高質量的脈沖發(fā)射-接收通道。

5 結語

(1) TFM能獲得很高的橫向分辨力，對關注區(qū)內每一點均可聚焦，故與反射體深度幾乎無關。單一陣元激發(fā)和接收時，擴散角很大，故掃查范圍也很大。

(2) TFM可用6 dB降落法對缺陷定量，即使小缺陷亦如此。圖像重建算法，可用橫波、也可用縱波，甚至可考慮用不同的變型波法。對傾斜缺陷檢出率高，可用TTT模式測量裂紋深度或豎向缺陷尺寸。

(3) TFM能減小近表面盲區(qū)，提高信噪比。

(4) 使用不同的重建算法，TFM對圖像中缺陷定量明顯改進，其可取代常規(guī)波幅評定法。借助于TFM提供的平臺，在缺陷圖像顯示上有優(yōu)勢。

(5) 借助于充水柔性PA探頭，可對復雜幾何形狀試件進行TFM自適應成像檢測。

[1] BOULAVINOV A.Sampling phased array a new technique for signal processing and ultrasonic imaging [C]∥7th ECNDT.Berlin:[s.n], 2006.

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[3] 李衍. ASME標準新版中有關相控陣超聲成像檢測的要點評析 第一部分：兩種方法要求[J].無損檢測，2015,37(7)：6-9.

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Ultrasonic Phased Array Imaging Testing by Total Focusing Method

LI Yan

(NDT Subcommittee of Wuxi Boiler and Pressure Vessel Society, Wuxi 214026, China)

The total focusing method (TFM) is a signal processing algorithm using data acquired in full matrix capture mode (FMC). All computations are achieved at a refresh rate up to 30 frames per second. In comparison with standard phased array techniques, this method can provide higher resolution, optimizing flaw location, measurement and characterization. Also, TFM can be used to image complex components. This article gives some typical cases of application of phased array TFM in industrial inspection and discussion on the relevant issues in order to provide references to domestic colleagues.

ultrasonic phased array; full matrix capture (FMC); total focusing method; imaging inspection

2016-12-19

李 衍(1940-),男，高級工程師，主要從事承壓設備的無損檢測工作

李 衍,taihuly@126.com

10.11973/wsjc201705013

TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0057-08