劉崗

摘 要：全聚焦超聲技術(shù)是近年來興起的一種新的超聲檢測方案，其在缺陷檢測分辨力、檢測近表面盲區(qū)等方面相對傳統(tǒng)的脈沖反射法超聲有明顯的優(yōu)勢，近年來，隨著儀器性能的日益強(qiáng)大以及成像算法的日益完善，全聚焦超聲技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛，本文介紹了全聚焦超聲技術(shù)的基本原理，并以案例的方式介紹了其在工業(yè)上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：全聚焦;無損檢測;工業(yè)應(yīng)用

1、全聚焦超聲檢測技術(shù)概述

全聚焦超聲檢測成像技術(shù)是基于合成孔徑超聲成像技術(shù)為基礎(chǔ)，是一種新型超聲檢測成像技術(shù)方法，全聚焦超聲成像檢測技術(shù)能在整個成像區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)全聚焦成像，成像分辨率方面相比傳統(tǒng)的脈沖反射法超聲有明顯提升，且成像的近表面盲區(qū)也明顯小于傳統(tǒng)的脈沖反射法成像。隨著超聲波儀器性能的日益強(qiáng)大以及成像算法的日益成熟，全聚焦超聲方法相比傳統(tǒng)的動態(tài)聚焦成像，在成像速度上有顯著提高。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及成像算法的日益成熟，越來越多的廠家開始推出支持全聚焦成像的超聲波儀器，其在工業(yè)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛。工業(yè)檢測中最常見的全聚焦檢測成像方法一般采用全矩陣采集成像，近年來，利用平面波成像技術(shù)的全聚焦成像方法在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2、全矩陣采集全聚焦超聲技術(shù)的基本原理

全矩陣采集技術(shù)（FMC）包含了探頭中所有的發(fā)射和接收陣元的所有可能的A掃信號，在所有的初始的信號被采集完畢后，就能通過加載一定的延時法則進(jìn)行離線處理。

全聚焦成像技術(shù)（TFM）基于一種虛擬的成像算法，通過將全矩陣采集技術(shù)采集到的數(shù)據(jù)矩陣中的每一組收發(fā)信號聚焦在重建成像區(qū)域的每一個成像點上實現(xiàn)整個成像區(qū)域的FMC-TFM成像，其波幅表示為：

當(dāng)采用直射波模式時，假設(shè)聚焦點為P（x，y），聲波從探頭中的第i個陣元激發(fā)并被第j個陣元接收，設(shè)聲速為c，聲波傳輸?shù)絇（x，y）點所用時間為[1]

當(dāng)采用一次反射模式時，假設(shè)聚焦點為P（xp，yp），底面反射點為R（xr，yr），聲波傳輸?shù)絇（x，y）點所用時間為

其中C1為直射波的聲速，C2為一次反射波的聲速。

3、平面波成像全聚焦超聲技術(shù)的基本原理

平面波成像（PWI）是一種快速超聲成像方法，早期應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。平面波成像時所有陣元同時工作，探頭僅通過一次發(fā)射和一次接收就能實現(xiàn)對被檢區(qū)域的完整成像。其原理是探頭的所有陣元同時發(fā)射和接收Q個角度的Q個平面波信號，形成一個Q×N的數(shù)據(jù)矩陣。經(jīng)過PWI采集的數(shù)據(jù)通過全聚焦成像技術(shù)進(jìn)行成像也就實現(xiàn)了工業(yè)超聲波使用的PWI-TFMq成像方法。相比于在醫(yī)學(xué)超聲中的應(yīng)用，工業(yè)用PWI技術(shù)界面超聲波在界面?zhèn)鞑r的折射現(xiàn)象以及聲波在工件中傳播時的不同模態(tài)。

Q個角度在成像點P的PWI-TFM成像，其波幅表示為

其中Sqj為PWI數(shù)據(jù)矩陣中每個元素的希爾伯特變換，tqp為角度q的平面波到達(dá)聚焦點P的時間，tjp為聲波從聚焦點P返回探頭接收陣元j的傳播時間。

當(dāng)采用直射波模式時，聲波傳輸?shù)絇（x，y）點所用時間為

其中c為聲速，βq為P點時聲波的折射角。

當(dāng)采用一次反射波時，假設(shè)聚焦點為P（xp，yp），底面反射點為R（xr，yr），聲波傳輸?shù)絇（x，y）點所用時間為

其中C1為直射波的聲速，C2為一次反射波的聲速。

4、全聚焦超聲檢測技術(shù)

現(xiàn)有全聚焦超聲檢測規(guī)范[2]支持厚度不低于3.2mm的各向同性、全熔透的簡單幾何結(jié)構(gòu)板、管類焊接接頭在制造階段檢測、在役檢測及維修階段檢測的半自動及全自動全聚焦超聲檢測。全聚焦超聲成像技術(shù)分為4個檢測技術(shù)等級，其中A級檢測技術(shù)主要使用直射模態(tài)從焊接接頭兩側(cè)直接成像;B級檢測技術(shù)使用直射模態(tài)和非直射模態(tài)從焊接接頭兩側(cè)或兩個探頭位置進(jìn)行成像;C級檢測技術(shù)使用直射模態(tài)和基于焊接接頭坡口處平面不連續(xù)性的反射模態(tài)從焊接接頭兩側(cè)或者兩個探頭位置進(jìn)行直接成像或者經(jīng)過工件底面反射后成像;D級檢測技術(shù)針對特殊的應(yīng)用，例如用于奧氏體鋼焊接接頭的檢測，具體細(xì)節(jié)都需經(jīng)過合同雙方協(xié)商確定。

檢測開始前確認(rèn)檢測工件的規(guī)格、材質(zhì)、所處的階段、檢測使用的技術(shù)等級、驗收標(biāo)準(zhǔn)、使用的標(biāo)準(zhǔn)試塊、對比試塊和模擬試塊的規(guī)范，焊接接頭的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)以及檢測的可達(dá)性。

檢測時A掃的采樣頻率應(yīng)至少為探頭標(biāo)稱頻率的5倍，使用儀器的帶寬至少達(dá)到探頭標(biāo)的稱頻率的2倍，使用的高通濾波器的設(shè)置不高于探頭中心頻率的一半，使用的低通濾波器的設(shè)置至少達(dá)到探頭中心頻率的2倍。檢測過程中使用的探頭應(yīng)有足夠小的陣元間距和間隙。

對于厚度小于8mm的工件，成像區(qū)域因為焊縫本身以及焊縫兩側(cè)各1.25倍工件厚度的母材區(qū)域，對于厚度大于8mm的工件，成像區(qū)域為焊縫本身及焊縫兩側(cè)各10mm的母材區(qū)域，母材區(qū)域的成像范圍也可以選擇經(jīng)證實的熱影響區(qū)寬度。

全聚焦超聲技術(shù)和相控陣超聲技術(shù)相比，其對缺陷的取向性不敏感，對于垂直于掃查面的缺陷，需要使用非直射模態(tài)進(jìn)行成像;對于平行于掃查面的缺陷，可以使用直射模態(tài)從缺陷頂部進(jìn)行成像或者在焊接接頭兩側(cè)使用兩個陣列探頭實施成像。

使用陣列探頭搭配帶角度楔塊實施檢測，當(dāng)缺陷位于焊縫下部時，采用至少一個聲束傳播路徑是從探頭直接到缺陷的模態(tài)，更容易發(fā)現(xiàn)缺陷。當(dāng)缺陷位于焊縫上部時，采用的全聚焦模態(tài)中包含底面反射，更容易發(fā)現(xiàn)缺陷。

為保證成像效果，全聚焦成像時需選擇合適的掃查步進(jìn)，工件厚度不超過6mm的，掃查步進(jìn)不超過0.5mm，工件厚度大于6mm但不超過10mm的，掃查步進(jìn)不超過1mm，工件厚度大于10mm不超過150mm的，掃查步進(jìn)不超過2mm，工件厚度大于150mm的，掃查步進(jìn)推薦3mm。

為保證檢測效果，成像中的信噪比至少12dB。靈敏度設(shè)置時，使用的每一個全聚焦模態(tài)都要設(shè)置靈敏度?？梢圆皇褂迷噳K，直接采用被檢對象進(jìn)行靈敏度設(shè)置。進(jìn)行分段掃查時，兩次掃查的重疊區(qū)域至少20mm。

全聚焦超聲的數(shù)據(jù)分析一般采用波幅下降的方法評定缺陷的長度，使用波幅下降或者基于衍射信號的方法來判定缺陷的高度。由于全聚焦超聲技術(shù)和相控陣超聲技術(shù)存在一定的相似性，可以采用相控陣超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行驗收評定。

5、全聚焦成像技術(shù)在工業(yè)檢測中的應(yīng)用

由于全聚焦超聲技術(shù)成像分辨率高、近表面盲區(qū)小的特性，隨著今年來隨著計算機(jī)硬件A以及圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，使得多陣元探頭的實時立體成像成為可能，結(jié)合強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析工具，其在工業(yè)檢測領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

如圖1所示為200mm厚焊縫的成像示意圖，圖1左側(cè)為0-60mm缺陷的成像，圖1右側(cè)為50-200mm缺陷的成像。從成像結(jié)果可見，焊縫中的所有缺陷都能正常成像，且分辨力較高。

圖2為6mm薄壁焊縫的全聚焦成像結(jié)果，焊縫中1mm和2mm深度的缺陷能夠清晰顯示，滿座信噪比的要求，缺陷在工件中的橫向分辨率和縱向分辨率都比較高。

從圖3可見，和基于脈沖反射法的相控陣超聲成像方法類似，使用全聚焦成像方法也能角焊縫的檢測中，且分辨力較高，3個相距約1mm的缺陷能夠順利區(qū)分。但是全聚焦成像在使用過程中需選用多種模態(tài)成像以防止缺陷的漏檢。

通過使用3D全聚焦檢測方案，相比傳統(tǒng)的脈沖反射法超聲，螺栓中缺陷的顯示更加直觀，更方便和螺紋結(jié)構(gòu)信號區(qū)分，有效防止信號的誤判。

通過使用合適的探頭并選擇直射全聚焦成像模態(tài)，全聚焦超聲也能用于葉片葉根的成像，缺陷信號顯示直觀，可以和葉根結(jié)構(gòu)信號有效區(qū)分。

總結(jié)

全聚焦超聲技術(shù)作為一種較新的超聲成像技術(shù)，可以有效應(yīng)用于厚壁及薄壁焊縫、角焊縫、以及螺栓、葉根等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測中。相信隨著成像算法的持續(xù)優(yōu)化、儀器性能的日益強(qiáng)大、軟件功能的逐漸完善以及標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的不斷深入，其將工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]倫納德·勒·杰恩、塞巴斯蒂安·羅伯特、愛德華多·洛佩茲·維拉韋德。用于超聲無損檢測的平面波成像：對多模態(tài)成像的推廣[J].超聲波，2016;64：128-138。

[2]ISO 23864（S），焊縫的無損檢測-超聲波測試-使用自動總聚焦技術(shù)（TFM）和相關(guān)技術(shù)