池強(qiáng)強(qiáng)，胡明慧

相控陣超聲全聚焦成像算法的有限元仿真研究

池強(qiáng)強(qiáng)，胡明慧

(華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237)

基于超聲相控陣基本理論和全聚焦成像算法(Total Focus Method, TFM)，以30 mm厚的Q235鋼板中的孔缺陷檢測(cè)為研究對(duì)象，使用ABAQUS有限元軟件，建立了相控陣TFM有限元檢測(cè)模型。根據(jù)模擬結(jié)果，在MATLAB軟件中編寫了相控陣TFM成像算法。同時(shí)，采用超聲多通道實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)構(gòu)建的TFM有限元檢測(cè)模型和編寫的相控陣TFM算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果有較好的一致性。

超聲相控陣；全聚焦成像算法；缺陷識(shí)別；有限元；ABAQUS有限元軟件

0 引言

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)使用相控陣列探頭來產(chǎn)生和接收超聲波，相控陣列探頭的每個(gè)晶片稱為一個(gè)陣元，各陣元具有獨(dú)立的發(fā)射和接收電路，通過控制各陣元發(fā)射(或接收)脈沖的時(shí)間，進(jìn)而改變合成波束的聚焦點(diǎn)位置和偏轉(zhuǎn)角度，然后運(yùn)用機(jī)械掃描或者電子掃描來實(shí)現(xiàn)超聲成像[1-2]。超聲相控陣測(cè)試具有靈敏度高，對(duì)復(fù)雜元件的適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于關(guān)鍵設(shè)備的無損檢測(cè)[3]。文獻(xiàn)[4-7]中提出了全矩陣數(shù)據(jù)采集(Full Matrix Capture, FMC)的概念，并建立使用了基于FMC的全聚焦算法(Total Focusing Method, TFM)。與傳統(tǒng)超聲相控陣檢測(cè)相比，TFM可以通過對(duì)換能器陣列的全矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理來實(shí)現(xiàn)測(cè)量區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)的聚焦[8]。因此，該方法已越來越多地應(yīng)用于航空，核電，復(fù)合材料等領(lǐng)域。

由于計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的飛速發(fā)展，原先在超聲導(dǎo)波檢測(cè)研究中應(yīng)用較多的有限元法開始出現(xiàn)在相控陣檢測(cè)研究中[9]。陳漢新等[10]對(duì)含有缺陷的焊縫試塊的相控陣檢測(cè)過程進(jìn)行有限元仿真，其模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似度較高。陳振華等[11]通過分析相控陣超聲檢測(cè)的聲場(chǎng)，對(duì)有限元模型中的采樣率、載荷子步等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。馬立印等[12-13]通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的相控陣超聲檢測(cè)建模，制訂了合理的發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)方案，并對(duì)換能器和楔塊的設(shè)計(jì)理論機(jī)型進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。目前，有限元法應(yīng)用于相控陣全聚焦檢測(cè)的研究還不多見[14]。一套相控陣設(shè)備的價(jià)格還較高，使用有限元法對(duì)相控陣超聲檢測(cè)進(jìn)行研究，一方面對(duì)研究物的檢測(cè)較為靈活，另一方面成本更低。

本文基于全矩陣數(shù)據(jù)采集，對(duì)相控陣超聲全聚焦算法進(jìn)行研究，以ABAQUS軟件為研究工具，建立了32陣元的全聚焦成像算法模型，通過計(jì)算得到不同時(shí)刻的聲波傳播聲場(chǎng)圖、不同陣元的A掃描信號(hào)圖以及TFM缺陷成像圖。

1 全聚焦成像原理

1.1 全矩陣數(shù)據(jù)采集

圖1 檢測(cè)缺陷時(shí)的聲波發(fā)射及接收示意圖

圖2 采集到的全矩陣數(shù)據(jù)

1.2 全聚焦成像算法

式中，為陣元i激勵(lì)、陣元j接收的回波信號(hào)中表征點(diǎn)P的幅值函數(shù)。而則是聲波發(fā)出到點(diǎn)P后，其回波被陣元接收整個(gè)過程的時(shí)間，定義為

2 有限元仿真

各向同性固體中的聲場(chǎng)基本方程為[16]

3 相控陣全聚焦成像建模

本文以ABAQUS軟件對(duì)全聚焦成像過程進(jìn)行模擬。由于相控陣反射的超聲頻率較高，使得計(jì)算量過大，因此以板的二維截面為研究對(duì)象，進(jìn)行有限元全聚焦模擬。板的材料參數(shù)如表1所示。

式中：是激勵(lì)信號(hào)頻率，是超聲波在固體中的傳播速度，是被檢件的長度，min()是介質(zhì)中沿不同方向傳播的最小波速。

表1 材料參數(shù)

圖5為4個(gè)周期的漢寧窗激勵(lì)信號(hào)波形圖。

圖4 仿真模型(圈出部分為陣元晶片的局部放大圖)

圖5 模擬超聲激勵(lì)信號(hào)的波形圖

圖6 有限元模擬的網(wǎng)格劃分

當(dāng)陣元1激發(fā)時(shí)，不同時(shí)刻板件內(nèi)聲波從激發(fā)到遇缺陷反射回波的傳播過程如圖7所示。圖7(a)表示陣元1在=2×10-6s時(shí)刻激發(fā)時(shí)，聲波中的縱波和橫波都向四周傳播，陣元間上邊界的能量較其他方向小很多，從而減少了成像干擾。圖 7(b)為=5×10-6s時(shí)傳播速度較快的縱波遇到缺陷，產(chǎn)生了以缺陷為中心的反射波。圖7(c)為=10×10-6s時(shí)刻縱波遇到下底邊界反射時(shí)，反射聲波能量較低。圖7(d)為=15×10-6s時(shí)刻各陣元已經(jīng)接收到下底部的反射回波。圖7中Mise表示等效應(yīng)力，單位為Pa。

首先激發(fā)陣元1，其它陣元接收，共得到32組時(shí)域信號(hào)；接著依次激發(fā)其它31個(gè)陣元，共獲得32×32組時(shí)域信號(hào)。32個(gè)陣元接收的回波信號(hào)如圖8所示。陣元1激發(fā)，32個(gè)陣元接收的時(shí)域回波信號(hào)如圖8(a)所示，陣元1的激勵(lì)波明顯強(qiáng)于其余未激勵(lì)的陣元。由于設(shè)置了邊界條件，各陣元間相互干擾很小，回波接收過程有兩個(gè)明顯的波包，8×10-6s附近處的波包為缺陷回波，11×10-6s處的波包為底部的反射回波。由于各陣元中心的距離不同，各陣元接收到的回波時(shí)間不同，1、32號(hào)陣元接收到缺陷回波時(shí)間最長，中間陣元時(shí)間最短。缺陷回波處的放大信號(hào)如8(b)所示，可以明顯看到，回波信號(hào)的相位不同。

圖7 陣元1激發(fā)時(shí)，聲波在板件中不同時(shí)刻的傳播狀態(tài)

圖8 陣元1激發(fā)時(shí)32個(gè)陣元接收的回波信號(hào)

4 全聚焦成像模擬分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 全聚焦成像模擬分析

成像區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)時(shí)，根據(jù)網(wǎng)格劃分精度對(duì)每組A掃描信號(hào)進(jìn)行分段，從而提升成像精度，對(duì)每一小段波包提取后再進(jìn)行疊加，取最大值作為網(wǎng)格像素處的信號(hào)幅值。網(wǎng)格像素尺寸為0.5 mm× 0.5 mm，經(jīng)過改進(jìn)處理后的全聚焦成像如圖10(a)所示，其缺陷的分辨率較圖9(a)、9(b)有明顯提升，與預(yù)設(shè)的圓孔形狀和尺寸一致。插值細(xì)化后的成像如圖10(b)所示，缺陷中心坐標(biāo)為(0.25, 20.28)；-6 dB法處理后的成像結(jié)果如圖10(c)所示，提高了缺陷成像效果。圖10中的模擬結(jié)果表明，改進(jìn)后的TFM成像算法對(duì)網(wǎng)格像素的尺寸不太敏感，因此對(duì)于成像區(qū)域的網(wǎng)格適當(dāng)劃大后對(duì)結(jié)果進(jìn)行插值細(xì)化，可以有效地提高計(jì)算速度。

改變陣元的數(shù)目，其它參數(shù)不變，分別以16、32、64陣元進(jìn)行了三組全聚焦模擬對(duì)比研究。由于陣元成像的數(shù)目影響信號(hào)強(qiáng)度，采用-6 dB法對(duì)全聚焦成像結(jié)果進(jìn)行歸一化處理的結(jié)果如圖11所示。對(duì)比圖11(a)～11(c)，發(fā)現(xiàn)圖11(a)缺陷的成像面積最大，而圖11(c)缺陷處周圍的散射能量較強(qiáng)，圖11(b)的成像效果最好。在此模擬條件下，32陣元的全聚焦成像效果最好。

圖9 激勵(lì)時(shí)間修正前后的全聚焦成像

圖10 網(wǎng)格重構(gòu)改進(jìn)后的全聚焦成像

圖11 不同陣元?dú)w一化處理后的模擬全聚焦成像

4.2 全聚焦成像實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文全聚焦成像算法的可靠性，采用美國Versonics公司的vantage 128超聲多通道儀器進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，分別以16、32、64陣元為激勵(lì)陣元，進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)自帶TFM成像算法。實(shí)驗(yàn)材料選擇與模擬中設(shè)定參數(shù)相同的Q235鋼，孔缺陷的深度為20 mm，探頭中心頻率為5 MHz，采樣頻率為20 MHz，探頭各陣元的位置與模擬的陣元位置相同。

基于不同陣元的A掃描信號(hào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行全聚焦成像處理，結(jié)果如圖12所示。其中，圖12(d)、12(e)、12(f)分別為圖11(a)、11(b)、11(c)使用-6 dB[18]法處理后的成像結(jié)果。實(shí)驗(yàn)儀器自帶算法的不同陣元全聚焦成像結(jié)果如圖13所示。

如圖12(a)～12(c)所示，32陣元全聚焦成像效果接近實(shí)際的開口缺陷尺寸；16陣元對(duì)應(yīng)的成像效果較差。對(duì)比分析圖12(a)和12(d)，由于陣元數(shù)量較少，缺陷處的信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于近場(chǎng)區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度，經(jīng)歸一化處理后，缺陷反而不太突出；64陣元對(duì)應(yīng)的缺陷周圍散射能量最強(qiáng)；這與圖11的模擬成像結(jié)果一致。

(c) 64陣元

圖12 基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不同陣元全聚焦成像

圖13 Versonics公司的實(shí)驗(yàn)儀器得出的不同陣元成像

圖13中的不同陣元全聚焦成像結(jié)果表明，成像區(qū)域中的干擾信號(hào)強(qiáng)度隨著陣元數(shù)量的增加而加強(qiáng)；與圖12(a)～12(c)相比，圖13中近場(chǎng)區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度較低，圖12(c)的缺陷面積接近實(shí)際缺陷，圖13(c)的缺陷成像面積比圖12(c)小。由于近場(chǎng)區(qū)的干擾信號(hào)無法避免而且能量集中，圖12的上半部圖像區(qū)域有著明顯的能量集中，對(duì)待測(cè)物進(jìn)行雙面檢測(cè)，可避免近場(chǎng)區(qū)缺陷漏檢。

5 結(jié)論

本文采用ABAQUS有限元軟件模擬了全聚焦成像的超聲相控陣檢測(cè)方法，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了模型的正確性。主要結(jié)論如下：

(1) 由于模擬中忽略了雜波信號(hào)的干擾，相控陣全聚焦成像缺陷檢測(cè)的模擬效果好于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(2) 三組16、32、64探頭陣元成像的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，并非探頭陣元數(shù)越多全聚焦成像效果越好，因此在實(shí)際裝備缺陷檢測(cè)時(shí)，需要通過模擬結(jié)果來選擇最優(yōu)的探頭陣元數(shù)。

(3) 采用MATLAB軟件對(duì)全聚焦成像算法進(jìn)行了優(yōu)化，缺陷成像的模擬結(jié)果與國外Versonics公司的設(shè)備檢測(cè)效果相近，但近場(chǎng)區(qū)信號(hào)的處理與實(shí)驗(yàn)儀器的檢測(cè)結(jié)果還有一定差距，需要進(jìn)一步優(yōu)化全聚焦成像算法。

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Simulation research on finite element method based phased array ultrasonic TFM imaging algorithm

CHI Qiangqiang, HU Minghui

(Key Laboratory of Pressure Systems and Safety, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

Based on the theory of ultrasonic phased-array and the total focus method (TFM), the finite element model of phased-array TFM is established by using ABAQUS finite element software for defect detection in a 30mm-thick Q235 steel plate. According to the simulation results, the phased-array TFM imaging algorithm is programmed in MATLAB. The TFM finite element detection model and the phased array TFM algorithm are verified by using ultrasonic multi-channel experimental platform. It is shown that the finite element simulation results are in good agreement with the experimental results.

phased-array ultrasound; total focus method (TFM) imaging algorithm; defect identification; finite element method; ABAQUS finite element software

TB553

A

1000-3630(2020)-02-0176-08

10.16300/j.cnki.1000-3630.2020.02.009

2019-02-20;

2019-04-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51775188)。

池強(qiáng)強(qiáng)(1994－), 男, 湖北孝感人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)榛谙嗫仃嚦暢上袼惴ǖ娜毕輽z測(cè)。

胡明慧, E-mail: agile_hu@ecust.edu.cn