祝清華,張會(huì)新,嚴(yán) 帥,郝現(xiàn)偉
(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原030051;2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100000)
近年來各種儀器設(shè)備的智能化程度不斷提高,儀器關(guān)鍵零部件的檢測(cè)也越來越重要,相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在零部件的檢測(cè)方面也發(fā)揮著越來越重要的作用。該技術(shù)通過控制各個(gè)陣元發(fā)射和接收信號(hào)的方式來控制聲束的聚焦和偏轉(zhuǎn),進(jìn)而改變焦點(diǎn)的位置和大小,將被測(cè)物的內(nèi)部信息更加直觀地展現(xiàn)出來,實(shí)現(xiàn)對(duì)物體內(nèi)部缺陷的檢測(cè)[1]。相控陣超聲扇形掃描涉及到多個(gè)參數(shù)的選擇,且各參數(shù)之間相互影響,只有參數(shù)選擇合理才能提升缺陷檢測(cè)的質(zhì)量[2]。
文章在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上[3-6],綜合考慮相控陣超聲換能器的焦距、偏轉(zhuǎn)角度及孔徑對(duì)成像質(zhì)量的影響,采用控制變量法,通過對(duì)比缺陷孔成像直徑的大小,來判斷成像的質(zhì)量以及確定最佳參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,可以最大程度發(fā)揮相控陣超聲扇形掃描的優(yōu)勢(shì),提升檢測(cè)質(zhì)量。
均勻線陣換能器的主要參數(shù)包括中心頻率f、陣元數(shù)N、陣元間距d、陣元寬度a、陣元長度b等。聲束指向性H(θ)是評(píng)價(jià)超聲換能器的重要指標(biāo),其決定了換能器輻射聲場(chǎng)的特性,對(duì)成像質(zhì)量影響很大。其定義為[7]
(1)
式中:p(r,θ,t)為任意角度θ上的復(fù)聲壓;p(r,θs,t)為偏轉(zhuǎn)角θs上的復(fù)聲壓;r為輻射聲場(chǎng)的半徑;t為延遲時(shí)間。
根據(jù)乘積定理,將式(1)變形為[7]
(2)
式中:λ為超聲波波長。
若線陣換能器參數(shù)選擇不合理,成像結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)旁瓣或者柵瓣效應(yīng)偽像。換能器發(fā)射的聲束同時(shí)包含了主瓣聲束和旁瓣聲束,大部分超聲能量聚集于主瓣聲束內(nèi),少部分則存在于旁瓣聲束內(nèi)。在進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)時(shí),主瓣聲束和旁瓣聲束同時(shí)作用于被檢對(duì)象(二者的掃查方向并不相同),但換能器接收到的回波信號(hào)都會(huì)被默認(rèn)為來自主瓣聲束,換能器本身或者成像系統(tǒng)都不能分辨主瓣和旁瓣的回波信號(hào),這就造成了成像時(shí)的旁瓣效應(yīng)偽像。雖然旁瓣信號(hào)較主瓣信號(hào)小很多,但是其降低了超聲系統(tǒng)對(duì)低回波信號(hào)的分辨率。
柵瓣效應(yīng)偽像的產(chǎn)生原理與旁瓣效應(yīng)偽像的相同,只不過大部分情況下柵瓣含有的能量比較大,有時(shí)甚至比主瓣聲束的能量還大,所以在相控陣系統(tǒng)中必須杜絕柵瓣的出現(xiàn),以提高成像分辨率。換能器的參數(shù)選擇不合理時(shí)(如陣元間距和掃描角度過大),檢測(cè)圖像容易出現(xiàn)柵瓣效應(yīng)偽像。
在進(jìn)行相控陣扇形掃描檢測(cè)時(shí),焦點(diǎn)附近的聲場(chǎng)強(qiáng)度最大,聲束主瓣寬度最窄。焦區(qū)深度和焦點(diǎn)寬度決定了檢測(cè)系統(tǒng)的空間分辨率。焦區(qū)深度Fe定義為[8]
(3)
式中:F為焦距;D為換能器孔徑;m為常數(shù)。
由式(3)可知,當(dāng)λ與N保持不變時(shí),F(xiàn)e與F2成正比,增大焦距F會(huì)增加聲束能量的消耗,減少聚焦能量,降低成像質(zhì)量。
焦點(diǎn)寬度W定義為
(4)
由式(4)可知,當(dāng)換能器孔徑D一定時(shí),焦區(qū)寬度W和焦距F成正比,增大F能得到更大的焦區(qū)寬度,聚焦聲束覆蓋的區(qū)域更大,成像質(zhì)量更高。
聚焦區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)柱形區(qū)域,焦柱直徑φ定義為
(5)
焦柱長度L定義為
(6)
由式(5),(6)可知,如要增大焦柱長度,則需要增大焦距,減小換能器孔徑,但這樣會(huì)增大焦柱的直徑。
相控陣超聲系統(tǒng)控制每個(gè)陣元的激發(fā)延時(shí),使各陣元發(fā)射聲束合成的波陣面法線與陣元面形成一個(gè)角度,從而實(shí)現(xiàn)換能器的聲束偏轉(zhuǎn);通過控制聲束的方向,實(shí)現(xiàn)不同角度范圍的掃描。在不同的偏轉(zhuǎn)方向上,聲束的指向性不同,靈敏度和分辨率也不同。偏轉(zhuǎn)角度設(shè)置不當(dāng),可能會(huì)使靈敏度和分辨率降低,也可能使圖像產(chǎn)生柵瓣和偽影。合成聲束只能在一定范圍內(nèi)保持良好的指向性。
相控陣超聲系統(tǒng)聲束的偏轉(zhuǎn)角θs取決于單個(gè)陣元的聲束擴(kuò)散角,即聲束的-6 dB擴(kuò)散角,θs的計(jì)算式為
(7)
對(duì)于均勻線性換能器,在進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)時(shí),聲束偏轉(zhuǎn)角θs應(yīng)盡量滿足[9]
(8)
在進(jìn)行扇形掃描時(shí),不同的外部條件會(huì)導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)角不同,即使是相同的換能器,不同材料的聲速不同也會(huì)導(dǎo)致最大偏轉(zhuǎn)角的不同。在實(shí)際檢測(cè)時(shí),應(yīng)該根據(jù)被檢對(duì)象確定最大偏轉(zhuǎn)角。
當(dāng)換能器孔徑較小時(shí),主瓣聲束沒有良好的指向性,成像分辨率較低。增大換能器孔徑能有效銳化主瓣,削弱旁瓣,提高聲束的指向性,進(jìn)而提高成像質(zhì)量。當(dāng)孔徑超過一定值后,其對(duì)聲束指向性的改善不再明顯。
對(duì)于檢測(cè)中使用的換能器,其中心頻率、陣元尺寸等都已確定,因此只能改變N來控制孔徑的大小。由于換能器陣元間距d和陣元寬度a相差無幾,所以換能器孔徑D可近似為
D=Nd
(9)
主瓣寬度是衡量相控陣換能器聲束指向性的重要指標(biāo),主瓣寬度q定義為[10]
(10)
將H(θ)=0代入式(10),經(jīng)過整理,主瓣寬度可近似為
(11)
對(duì)于均勻線性超聲換能器,第一旁瓣寬度M為
(12)
由式(9)得到陣元數(shù)與主瓣寬度的關(guān)系曲線如圖1所示。
圖1 陣元數(shù)與主瓣寬度的關(guān)系曲線
試驗(yàn)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、AOS OEMPA 32/32型相控陣超聲檢測(cè)儀、B型相控陣試塊、相控陣系統(tǒng)控制軟件以及64陣元線性相控陣探頭等組成。相控陣探頭的中心頻率為5 MHz,陣元間距為0.1 mm,陣元寬度為0.4 mm,待檢構(gòu)件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 待檢構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意
2.2.1 焦距的影響
對(duì)待檢構(gòu)件的12個(gè)孔進(jìn)行相控陣超聲扇形掃描,以其中的3,5,7號(hào)孔(深度分別為20,30,40 mm,從左至右,孔編號(hào)為112)為主要研究對(duì)象,進(jìn)行3次扇掃試驗(yàn),焦距分別設(shè)置為20,30,40 mm,孔徑設(shè)置為16 mm,偏轉(zhuǎn)角度設(shè)置為90°,采用縱波掃描,成像結(jié)果如圖3所示。
圖3 不同焦距下各缺陷孔的成像結(jié)果
由圖3可以看出,扇掃的成像效果和焦距密切相關(guān),當(dāng)焦距大小和缺陷深度相同時(shí),缺陷的成像質(zhì)量明顯提高。當(dāng)焦距為20 mm時(shí),第3個(gè)孔的成像十分清晰,能夠客觀地反映出待檢缺陷的形狀,同時(shí)能夠分辨出另外3個(gè)在焦距附近的缺陷的形狀,但是成像效果并不理想,剩下的孔則無法分辨;當(dāng)焦距為30 mm時(shí),深度與焦距相同的5號(hào)孔清晰可辨,在焦距附近的4號(hào)孔和6號(hào)孔的成像質(zhì)量也得到了明顯提高,此時(shí)共能檢測(cè)到5個(gè)缺陷,說明成像時(shí)距離焦點(diǎn)越近成像質(zhì)量越高;當(dāng)焦距為40 mm時(shí),能觀察到最多缺陷孔的形狀,但是聚焦深度過大導(dǎo)致聲波衰減增大,聲波幅值下降,進(jìn)而導(dǎo)致橫向分辨率下降,此時(shí),深度與焦距對(duì)應(yīng)的孔的成像質(zhì)量并不理想。
不同焦距下各缺陷孔的測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知,深度與焦距相同的缺陷孔的測(cè)量誤差最小,距離焦點(diǎn)越遠(yuǎn)的缺陷孔的測(cè)量誤差越大。在實(shí)際檢測(cè)過程中,要結(jié)合檢測(cè)目的、檢測(cè)對(duì)象以及綜合實(shí)際情況來確定焦距。
表1 不同焦距下各缺陷孔的測(cè)量數(shù)據(jù)
2.2.2 偏轉(zhuǎn)角度的影響
設(shè)置焦距為20 mm,孔徑為16 mm,扇掃掃查步進(jìn)角度為1°,分別設(shè)置偏轉(zhuǎn)角度為30°,45°,60°進(jìn)行試驗(yàn)。不同偏轉(zhuǎn)角度下各缺陷孔的成像結(jié)果如圖4所示。
圖4 不同偏轉(zhuǎn)角度下各缺陷孔的成像結(jié)果
不同偏轉(zhuǎn)角度下各缺陷孔的測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知,扇掃偏轉(zhuǎn)角度不同,成像效果也不同。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為30°時(shí),成像比較清晰,但由于偏轉(zhuǎn)角度過小,成像范圍有限,只能檢測(cè)到4個(gè)缺陷孔;當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為45°時(shí),能夠檢測(cè)到90°扇形區(qū)域內(nèi)最多數(shù)量的缺陷孔,且成像清晰誤差較?。划?dāng)偏轉(zhuǎn)角度為60°時(shí),扇形區(qū)域內(nèi)缺陷孔的成像效果無明顯變差的趨勢(shì),但由于偏轉(zhuǎn)角度過大,聲束聚焦效果差,距離焦距越遠(yuǎn)的地方變形越嚴(yán)重。
表2 不同偏轉(zhuǎn)角度下各缺陷孔的測(cè)量數(shù)據(jù)
2.2.3 孔徑的影響
設(shè)置焦距為30 mm,掃描角度為90°,通過改變陣元數(shù)N來控制孔徑大小,研究孔徑對(duì)成像結(jié)果的影響。不同孔徑(D)下的缺陷孔的成像結(jié)果如圖5所示。
圖5 不同孔徑(D)下缺陷孔的成像結(jié)果
根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)陣元數(shù)N過小時(shí),換能器發(fā)射能量不足,使得被檢缺陷的回波幅值很低甚至無法識(shí)別,所以過小的孔徑在缺陷檢測(cè)中無實(shí)際意義。由圖5可知,隨著孔徑的增大,缺陷孔的回波幅值逐漸增大,成像質(zhì)量逐漸提高。因此,增大孔徑可以提高缺陷的檢出率和成像分辨率,改善檢測(cè)效果,但孔徑也不是越大越好,當(dāng)孔徑增大到一定范圍后,其對(duì)成像質(zhì)量的改善不再明顯。為驗(yàn)證孔徑對(duì)成像質(zhì)量的影響,對(duì)陣元數(shù)分別為8,16,32,64,128時(shí)的聲場(chǎng)進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖6所示。
圖6 不同陣元數(shù)時(shí)的聲場(chǎng)仿真結(jié)果
在孔徑為20 mm的情況下,分別設(shè)置焦距為28 mm而無時(shí)間補(bǔ)償、焦距為28 mm且時(shí)間增益補(bǔ)償為4(無量綱)的對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果如圖7所示。
圖7 焦距為28 mm時(shí)有無時(shí)間增益補(bǔ)償?shù)某上窠Y(jié)果對(duì)比
由圖7可知,圖7(a)相對(duì)于圖5(c)的成像質(zhì)量略有提升,圖7(b)相對(duì)于(a)成像質(zhì)量又有較大提升,獲得了更好的缺陷成像效果(清晰度和分辨率都更佳)。這說明,進(jìn)行扇掃參數(shù)設(shè)置時(shí),不能單一地調(diào)節(jié)焦距、孔徑等參數(shù)來改變成像質(zhì)量,應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況綜合調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)以達(dá)到最好的成像效果。
(1) 焦距不同,成像質(zhì)量不同。焦距過小,雖在焦距范圍內(nèi)聚焦效果好,成像質(zhì)量高,但聲束隨距離增大發(fā)散嚴(yán)重,整體檢測(cè)效果不佳。焦距增大,一定程度上能改善換能器聲束的指向性,缺陷孔的檢出率和清晰度得到提高,但當(dāng)焦距超過一定范圍,不僅對(duì)聲束指向性的改善不明顯,還會(huì)因?yàn)槁暿鴱?qiáng)度隨著距離增加而減小,成像質(zhì)量下降。
(2) 偏轉(zhuǎn)角度會(huì)影響缺陷的成像質(zhì)量。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度過小時(shí),檢測(cè)效果雖較好,但檢測(cè)范圍有限;偏轉(zhuǎn)角度過大時(shí),聲束強(qiáng)度衰減導(dǎo)致成像質(zhì)量變差。只有適當(dāng)?shù)钠D(zhuǎn)角度才能獲得良好的成像質(zhì)量。在進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)時(shí),應(yīng)根據(jù)被檢對(duì)象估計(jì)檢測(cè)范圍,預(yù)先設(shè)定偏轉(zhuǎn)角度。
(3) 焦距一定時(shí),隨著換能器孔徑增大,扇掃成像質(zhì)量顯著提高。換能器孔徑增大,缺陷孔的檢出率增加,被檢目標(biāo)的尺寸更接近實(shí)際尺寸,且成像更加清晰,缺陷孔成像的變形得到抑制,空間分辨率提高,但孔徑也不是越大越好,當(dāng)孔徑增大到一定范圍后,對(duì)成像質(zhì)量的改善不明顯。
(4) 良好的成像質(zhì)量是由多個(gè)參數(shù)共同決定的。在實(shí)際的缺陷檢測(cè)過程中,應(yīng)該在滿足各參數(shù)的基本要求下,再根據(jù)被檢對(duì)象的要求選擇最優(yōu)的參數(shù)。只有采用最優(yōu)參數(shù)才能得到最佳的成像質(zhì)量,充分利用試驗(yàn)儀器的性能。